盡管以太坊的許多理念在早先的加密貨幣（如比特幣）上已經(jīng)運用并測試了5年之久，但從處理某些協(xié)議功能上來說，以太坊的處理方式與常見方式仍有許多不同。很多時候，以太坊會被用來建立全新的經(jīng)濟方法，因為它具有許多其他系統(tǒng)不具備的功能。本文會詳細描述以太坊所有潛在的優(yōu)點以及在構(gòu)建以太坊協(xié)議過程中某些有爭議的地。另外，也會指出我們的方案及替代方案潛在的風(fēng)險。
原則
以太坊協(xié)議的設(shè)計遵循以下幾點原則：
1.三明治復(fù)雜模型
我們認為以太坊的底層協(xié)議應(yīng)盡可能的簡單，接口設(shè)計應(yīng)易于理解，那些不可避免的復(fù)雜部分應(yīng)放入中間層。中間層不是核心共識的一部分，且對最終用戶不可見，它包含：高級語言編譯器、參數(shù)序列化和反序列化腳本、存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型、leveldb存儲接口以及線路協(xié)議等。當然，這樣的設(shè)置也并非絕對。
2.自由
不應(yīng)限制用戶使用以太坊協(xié)議，也不應(yīng)試圖優(yōu)先支持或不支持某些以太坊合約或交易。這一點與“網(wǎng)絡(luò)中立”概念背后的指導(dǎo)原則相似。比特幣交易協(xié)議就沒有遵循這一原則。在比特幣交易協(xié)議中，并不鼓勵為了“去除標簽”而使用區(qū)塊鏈（如，數(shù)據(jù)存儲，元協(xié)議）。某些情況下，對準協(xié)議進行明顯修改會引起不法分子以未經(jīng)授權(quán)方式使用區(qū)塊鏈來攻擊應(yīng)用。因此，在以太坊，我們強烈建議設(shè)置交易費用，且用戶使用區(qū)塊鏈的步驟越多，交易費用也就越多（類似庇古稅）。這樣，既可以將交易費用作為合法礦工的獎勵，又能讓那些不法分子付出代價，一舉兩得。
3.泛化
以太坊協(xié)議的特性和操作碼應(yīng)最大限度地體現(xiàn)低層次的概念（就像基本粒子一樣），以便它們可以隨意組合。因此，通過剝離那些不需要的功能，使低層次的概念更加高效。遵循這一原則的例子是，我們選擇LOG操作碼作為向dapps提供信息的方式，而不是像之前那樣記錄下所有交易和消息信息。在早先，“消息（message）”的概念完完全全是多種概念的集合，它包含“函數(shù)調(diào)用（function call）”和“外在觀察者感興趣的事情（event interesTIng to outside watchers）”，而兩者是完全可以分離開來的。
4.沒有特點就是最大的特性點
為了遵循泛化原則，我們拒絕將那些高級用例內(nèi)嵌為協(xié)議的一部分，哪怕是經(jīng)常使用的用例，也絕不這么做。如果人們真的想實現(xiàn)這些用例，可以在合約內(nèi)創(chuàng)建子協(xié)議（如，基于以太坊的子貨幣，比特幣/萊特幣/狗幣的側(cè)鏈等）。比如，在以太坊中就缺少類似比特幣中的“時間鎖定”功能。但是，通過以下協(xié)議可以模擬出這個功能：用戶發(fā)送簽名數(shù)據(jù)包到特定的合約中處理，如果數(shù)據(jù)包在特定合約中有效，則執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)。
5.沒有風(fēng)險規(guī)避機制
如果風(fēng)險的增加帶來了可觀的好處，我們愿意承擔更高的風(fēng)險（例如，廣義狀態(tài)轉(zhuǎn)換，區(qū)塊時間提升50倍，共識效率）。
這些原則指導(dǎo)著以太坊的發(fā)展，但它們并不是絕對的；某些情況下，為了減少開發(fā)時間或者不希望一次作出過多改變，也會使我們推遲作出某些修改，把它留到將來的版本中去修改。
區(qū)塊鏈層協(xié)議
本節(jié)對以太坊中區(qū)塊鏈層協(xié)議的改變進行了描述，包括區(qū)塊和交易是如何工作的、數(shù)據(jù)如何序列化及存儲、賬戶背后的機制。
賬戶 ，而非UTXO①
比特幣及其許多衍生品，都將用戶的余額信息存儲在UTXO結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的整個狀態(tài)由一系列的“有效的輸出”組成（可以將這些“有效的輸出”想象成錢幣）。每個UTXO都有擁有者和自身的價值屬性。一筆交易在消費若干個UTXO同時也會生成若干個新的UTXO。“有效的輸出”中有效需滿足下面幾點約束：
1.每個被引用的輸入必須有效，且未被使用過；
2.交易的簽名必須與每筆輸入的所有者簽名匹配；
3.輸入的總值必須等于或大于輸出的總值。
因此，比特幣系統(tǒng)中，用戶的“余額”是該用戶的私鑰能夠有效簽名的所有UTXO的總和。下圖展示了比特幣系統(tǒng)中交易輸入輸出過程：
但是，以太坊拋棄了UTXO的方案，轉(zhuǎn)而使用更簡單的方法：采用狀態(tài)（state）的概念存儲一系列賬戶，每個賬戶都有自己的余額，以及以太坊特有的數(shù)據(jù)（代碼或內(nèi)部存儲器）。如果交易發(fā)起方的賬戶余額足夠支付交易費用，則交易有效，那么發(fā)起方賬戶會扣除相應(yīng)金額，而接受賬戶則計入該金額。某些情況下，接受賬戶內(nèi)有需要執(zhí)行的代碼，則交易會觸發(fā)該代碼的執(zhí)行，那么賬戶的內(nèi)部存儲器可能就會發(fā)生變化，甚至可能會創(chuàng)建額外的信息發(fā)送給其他賬戶，從而導(dǎo)致新的交易發(fā)生。
盡管以太坊沒有采用UTXO的概念，但UTXO也不乏有一些優(yōu)點：
1.較高程度的隱私保護
如果用戶每次交易都使用一個新的地址，那么賬戶之間的相互關(guān)聯(lián)就很困難。這樣做適用于對安全性要求高的貨幣系統(tǒng)，但對任何dapp應(yīng)用來說就不合適了。因為dapp通常需要跟蹤用戶復(fù)雜的綁定狀態(tài)，而dapp的狀態(tài)并不能像貨幣系統(tǒng)中的狀態(tài)那樣簡單地劃分。
2.潛在地可擴展性
UTXO在理論上可擴展性更好。因為我們只能依靠那些金融貨幣擁有者來維護能夠證明貨幣所有權(quán)的默克爾樹，即使所有的人（包括數(shù)據(jù)的擁有者）都遺忘了某一數(shù)據(jù)，真正受損也只有數(shù)據(jù)的擁有者，其他人不受影響。
在以太坊賬戶系統(tǒng)中，如果一個賬戶對應(yīng)在默克爾樹中信息被所有人都丟失了，那么該賬戶將無法處理任何能夠影響它的消息，包括發(fā)送給它的消息，它也無法處理。
不過，并非只有UTXO能夠可擴展，也存在不依賴UTXO就能擴展的方式（此處沒有擴展開來講，譯者注）。
賬戶的好處有以下幾點：
1.節(jié)省大量空間
如果一個賬戶有5個UTXO，則從UTXO模式轉(zhuǎn)成賬戶模式所需空間會從300字節(jié)降到30字節(jié)。具體計算如下：
300 = （20+32+8）* 5 （20是地址字節(jié)數(shù)，32是TX的id字節(jié)數(shù)，8是交易金額值字節(jié)數(shù)）;
30 = 20 + 8 + 2 （ 20是地址字節(jié)數(shù)，8是交易金額值字節(jié)數(shù)，2是nonce②字節(jié)數(shù)）
但實際節(jié)約并沒有這么大，因為賬戶需要被存儲在帕特里夏樹中。另外以太坊中交易也比比特幣中的更?。ㄒ蕴恢?00字節(jié)，比特幣中200-250字節(jié)），因為每次交易只需要生成一次引用，一次簽名，以及一個輸出。
2.可替代性更高
在UTXO結(jié)構(gòu)中，“有效輸出”的源碼實現(xiàn)中沒有區(qū)塊鏈層的概念，所以不管是在技術(shù)還是法律上，通過建立一個紅名單/黑名單，并依據(jù)的這些“有效輸出”的來源區(qū)分它們并不是很實際。
3.簡單
以太坊編碼更簡單、更易于理解，尤其是在涉及到復(fù)雜腳本時。盡管任何去中心化應(yīng)用都可以用UTXO方式來實現(xiàn)，但這種方式實質(zhì)上是通過賦予一個腳本限制給定的UTXO能夠使用以及請求的UTXO的種類的方式來實現(xiàn)，包括腳本評估的應(yīng)用更改根狀態(tài)的默克爾樹證明。因此，UTXO實現(xiàn)方式比以太坊使用賬戶的方式要復(fù)雜的多。
4.輕客戶端
輕客戶端可以隨時通過沿指定方向掃描狀態(tài)樹來訪問與賬戶相關(guān)的所有數(shù)據(jù)。在UTXO方式中，引用隨著每個交易的變化而變化，這對于長時間運行并使用了上文提到的UTXO根狀態(tài)傳播機制的dapp應(yīng)用來說，無疑是繁重的。
我們認為，賬戶的好處大大超過了其他方式，尤其是對于我們正在處理的包含任意狀態(tài)和代碼的dapp應(yīng)用而言。另外，本著“沒有特點就是最大的特點”的指導(dǎo)原則，我們認為如果用戶真的關(guān)心私密性，則可以通過合約中的簽名數(shù)據(jù)包協(xié)議來建立一個加密“混合器”進行加密。
賬戶方式的一個弱點是：為了阻止重播攻擊，每筆交易必須有nonce，這就使得賬戶需要跟蹤nonce的使用情況，并且只有在nonce最后使用后且值為1時才接受交易。這就意味著，即使不再使用的賬戶，也不能從賬戶狀態(tài)中移除。解決這個問題的一個簡單方法是讓交易包含一個區(qū)塊號，使它們在幾個時間段內(nèi)不重復(fù)，并且每個時間段重置nonce。由于完全掃描賬戶的開銷太大，所以為了刪除未使用的賬戶，礦工或用戶需要通過“Ping”操作來實現(xiàn)。在1.0上我們沒有實現(xiàn)這個機制，1.1及以上版本可能會使用這個機制。
默克爾帕特里夏樹
默克爾帕特里夏樹（Merkle Patricia tree/trie），由Alan Reiner提出設(shè)想，并在瑞波協(xié)議中得到實現(xiàn)，是以太坊的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲所有賬戶狀態(tài)，以及每個區(qū)塊中的交易和收據(jù)數(shù)據(jù)。MPT是默克爾樹和帕特里夏樹的結(jié)合縮寫，結(jié)合這兩種樹創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)具有以下屬性：
1.每個唯一鍵值對唯一映射到根的hash值；在MPT中，不可能僅用一個鍵值對來欺騙成員（除非攻擊者有~2^128 的算力）；
2.增、刪、改鍵值對的時間復(fù)雜度是對數(shù)級別。
MPT為我們提供了一個高效、易更新、且代表整個狀態(tài)樹的“指紋”。
關(guān)于MPT更詳細描述：https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Patricia-Tree
MPT的具體設(shè)計決策如下：
1.有兩類節(jié)點
KV節(jié)點和離散節(jié)點。KV節(jié)點的存在提高了效率，因為如果在特定區(qū)域樹是稀疏的，KV節(jié)點可作為一個“快捷方式”，代替深度為64的樹。
2.離散節(jié)點是16進制，不是二進制
這樣讓查找更有效率，我們現(xiàn)在認識到這種選擇并不理想，因為16進制樹的查找效率在二進制中可以通過批次存儲節(jié)點來模擬。MPT樹的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)是非常容易出錯的，最終至少會造成狀態(tài)根不匹配。
3.空值（empty value）與非會員（non-membership）之間沒有區(qū)別
這樣做是為了簡化邏輯，以太坊中未設(shè)置的值默認為0，空字符串也用0表示。然而，需要強調(diào)的是，這樣做犧牲了一些通用性，因而也不是最優(yōu)的。
4.終節(jié)點和非終節(jié)點的區(qū)別
技術(shù)上，標識一個節(jié)點“是否是終節(jié)點”是沒必要的，因為以太坊中所有的樹都被用于存儲靜態(tài)秘鑰長度，但為了增加通用性，我們還是會添加這個標識，以期望以太坊的MPT的實現(xiàn)方式能夠被其他加密貨幣原樣采納。
5.在安全樹中采用SHA3（k）作為秘鑰（在狀態(tài)樹和賬戶存儲樹中使用）
使用SHA3（k），通過設(shè)置離散節(jié)點的鏈的深度為64，以及反復(fù)調(diào)用SLOAD 和 SSTORE指令，使那些企圖對樹采取Dos攻擊的行為變得非常困難。不過，這也讓窮舉樹的節(jié)點變得困難，如果你希望你的客戶端有窮舉的能力，最簡單的方法是維持一個數(shù)據(jù)庫映射：sha3（k） -》 k
RLP
RLP（recursive length prefix）：遞歸長度前綴。
RLP編碼是以太坊中主要的序列化格式，它的使用無處不在：區(qū)塊、交易、賬戶狀態(tài)以及線路協(xié)議消息。詳見RLP正式描述： https://github.com/ethereum/wiki/wiki/RLP
RLP旨在成為高度簡化的序列化格式，它唯一的目的是存儲嵌套的字節(jié)數(shù)組③。不同于protobuf、BSON等現(xiàn)有的解決方案，RLP并不定義任何指定的數(shù)據(jù)類型，如Boolean、floa、double或者integer。它僅僅是以嵌套數(shù)組的形式存儲結(jié)構(gòu)，并將其留給協(xié)議來確定數(shù)組的含義。RLP也沒有明確支持map集合，半官方的建議是采用 ［［k1， v1］， ［k2， v2］， 。..］ 的嵌套數(shù)組來表示鍵值對集合，k1，k2 。.. 按照字符串的標準排序。
與RLP具有相同功能的方案是protobuf或BSON，它們是一直被使用的算法。然而，以太坊中，我們更偏向于使用RLP，因為：
1.它易于實現(xiàn)；
2.絕對保證字節(jié)的一致性。
許多語言的Map集合沒有明確的排序，并且浮點格式有很多特殊情況，這可能造成相同數(shù)據(jù)卻導(dǎo)致不同編碼和hash值。通過內(nèi)部開發(fā)協(xié)議，我們能確保它是帶著這些目標設(shè)計的（這是一般原則，也適用于代碼的其他部分，如VM）。BitTorrent使用的編碼方式bencode也許可以替代RLP。不過它采用的是十進制的編碼方式，與采用二進制的RLP相比，稍微遜色了點。
壓縮算法
線路協(xié)議和數(shù)據(jù)庫都采用了一個自定義的壓縮算法來存儲數(shù)據(jù)。該算法可描述為：行程編碼④值為0并同時保留其他值（除了一些特殊情況如sha3（‘ ’） ），舉例如下：
》》》 compress（‘horse’）
‘horse’
》》》 compress（‘donkey dragon 1231231243’）
‘donkey dragon 1231231243’
》》》 compress（‘xf8xafxf8xabxa0x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00x00xbe{bxd5xcdx8dx87x97’）
‘xf8xafxf8xabxa0xfex9exbe{bxd5xcdx8dx87x97’
》》》 compress（“xc5xd2Fx01x86xf7#《x92~}xb2xdcxc7x03xc0xe5x00xb6Sxcax82‘;{xfaxd8x04］x85xa4p”）
‘xfex01’
壓縮算法存在之前，以太坊協(xié)議的許多地方都有一些特殊情況，例如，sha3經(jīng)常被覆蓋，所以sha3（‘ ’）=‘ ’，這樣不需要在賬戶中存儲代碼，可以節(jié)省64字節(jié)。然而，最近所有這些使得以太坊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變得臃腫的特殊情況都被刪除了，取而代之的是將數(shù)據(jù)保存函數(shù)添加到區(qū)塊鏈協(xié)議之外的層，也就是將其放入線路協(xié)議以及將其插入用戶數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。這樣增加了模塊化能力，簡化了共識層，使得壓縮算法能持續(xù)更新以便相對容易部署。
樹（trie）的使用
以太坊區(qū)塊鏈中每個區(qū)塊頭都包含指向三個樹的指針：狀態(tài)樹、交易樹、收據(jù)樹。
狀態(tài)樹代表訪問區(qū)塊后的整個狀態(tài)；
交易樹代表區(qū)塊中所有交易，這些交易由index索引作為key；（例如，k0：第一個執(zhí)行的交易，k1：第二個執(zhí)行的交易）
收據(jù)樹代表每筆交易相應(yīng)的收據(jù)。交易的收據(jù)是一個RLP編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
［ medstate， gas_used， logbloom， logs ］
其中：
? medstate：交易處理后，樹的根的狀態(tài)；
? gas_used：交易處理后，gas的使用量；
? logs：是表格［address， ［topic1， topic2.。.］， data］元素的列表。表格由交易執(zhí)行期間調(diào)用的操作碼LOG0 。.. LOG4 生成（包含主調(diào)用和子調(diào)用）；address 是生成日志的合約的地址topics是最多4個32字節(jié)的值；data 是任意字節(jié)大小的數(shù)組；
? logbloom：交易中所有l(wèi)ogs的address和topic組成的布隆過濾器⑤。
區(qū)塊頭中也存在一個布隆過濾器，它是區(qū)塊中交易的所有布隆過濾器的邏輯或組成。這樣的構(gòu)造使得以太坊協(xié)議輕客戶端的使用盡可能的友好。
Uncle塊（過時區(qū)塊）的獎勵
2013年10月，由喬森納和特拉維夫首次提出的GHOST協(xié)議是一項不起的革新。它是加快生成區(qū)塊時間的第一個認真嘗試。因為區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)中傳播需要一定時間，如果礦工A挖到一個區(qū)塊并向全網(wǎng)廣播，在廣播的路上，B也挖出了區(qū)塊，那么B的區(qū)塊是過時的，且B的本次挖礦對網(wǎng)絡(luò)的安全沒有貢獻。GHOST的目的正是要解決挖礦過時造成的安全性降低的問題。
此外，還有一個中心化問題：如果A是一個礦池，有30%的算力，B有10%的算力。A有70%的時間產(chǎn)生過時的區(qū)塊（因為另外的30%時間會產(chǎn)生最新區(qū)塊，所以它會立即挖到數(shù)據(jù)），而B有90%的時間產(chǎn)生過時區(qū)塊。如果區(qū)塊的產(chǎn)出時間間隔很短，那么過時率就會變高，則A憑借其更大的算力使挖礦效率也更高。所以，區(qū)塊生成過快，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)算力大的礦池控制挖礦過程。
根據(jù)喬森納和特拉維夫的描述，GHOST解決了在計算哪個鏈是最長的鏈的過程中，因產(chǎn)生過時區(qū)塊而造成的網(wǎng)絡(luò)安全性下降的問題。也就是說，不僅是父區(qū)塊和更早的區(qū)塊，同時Uncle區(qū)塊⑥也被添加到計算哪個塊具有最大的工作量證明中去。
為了解決第二個問題：中心化問題，我們采用不同的策略：對過時區(qū)塊也提供區(qū)塊獎勵：挖到過時區(qū)塊的獎勵是該區(qū)塊基礎(chǔ)獎勵的7/8；挖到包含過時區(qū)塊的nephew區(qū)塊將收到1/32的基礎(chǔ)獎勵作為賞金。但是，交易費并不獎勵給Uncle區(qū)塊或nephew區(qū)塊。
在以太坊，過時分叉上7代內(nèi)的親屬區(qū)塊才能稱作過時區(qū)塊。之所以這樣限制是因為，首先，GHOST協(xié)議若不限制過時區(qū)塊數(shù)量，將會花費大量開銷在計算過時區(qū)塊的有效性上；其次，無限制的過時區(qū)塊激勵政策會讓礦工失去在主鏈上挖礦的熱情；最后，計算表明，過時區(qū)塊獎勵政策限制在7層內(nèi)提供了大部分所需的效果，而且不會帶來負面效應(yīng)。
區(qū)塊時間算法的設(shè)計決策包括：
? 區(qū)塊時間12s：選擇12s是因為這已經(jīng)是最快的時間了，基本上比網(wǎng)絡(luò)延遲更長。在2013年的一份關(guān)于測量比特幣網(wǎng)絡(luò)延遲的論文中，確定了12.6秒是新產(chǎn)生的區(qū)塊傳播到95%節(jié)點的時間；然而，該論文還指出傳播時間與區(qū)塊大小成比例，因此在更快的貨幣中，我們可以期待傳播時間大大減少。傳播間隔時間是恒定的，約為2秒。然而，為了安全起見，在我們的分析中，我們假定區(qū)塊的傳播需要12秒。
? 7個祖先塊的限制：這樣設(shè)計的目的是希望只保留少量區(qū)塊，而將更早之前的區(qū)塊清除。已經(jīng)證明7個區(qū)塊可以提供大部分所需的效果。
? 1個后裔區(qū)塊的限制：如c（c（p（p（p（head））））） c=child， p = parent，就不合法，因為它有兩個后裔區(qū)塊。這樣設(shè)計的目的是為了簡單，上面的模擬結(jié)果顯示它并沒有構(gòu)成大的中心化風(fēng)險。
? **uncle塊要求具有有效性： **uncle塊必須是有效的header，而不是有效的區(qū)塊。這樣做也是為了簡化，將區(qū)塊鏈模型保持為線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。不過，要求uncle塊是有效的區(qū)塊也是合法的方法。
? 獎金分配：7/8的挖礦基礎(chǔ)獎勵分配給uncle塊，1/32分給nephew塊，它們交易費用都是0%。如果費用占多數(shù)，從中心化的角度看，這會使uncle塊激勵機制無效；然而，這也是為什么只要我們繼續(xù)使用PoW，以太坊就會不斷發(fā)行以太幣的原因。
難度更新算法
目前以太坊通過以下規(guī)則進行難度更新：
diff（genesis） = 2^32
diff（block） = diff.block.parent + floor（diff.block.parent / 1024） *
1 if block.TImestamp - block.parent.TImestamp 《 9 else
-1 if block.TImestamp - block.parent.timestamp 》= 9
難度更新規(guī)則的設(shè)計目標如下：
? 快速更新：區(qū)塊間的時間應(yīng)該隨著hash算力的增減而快速調(diào)整；
? 低波動性：如果Hash算力恒定，那么難度不應(yīng)劇烈波動；
? 簡單：算法的實現(xiàn)應(yīng)相對簡單；
? 低內(nèi)存：算法不應(yīng)依賴于過多的歷史區(qū)塊，要盡可能少的使用”內(nèi)存變量“。假設(shè)有最新的十個區(qū)塊，將存儲在這十個區(qū)塊頭部的內(nèi)存變量相加，這些區(qū)塊都可用于算法的計算；
? 非開發(fā)性：算法不應(yīng)讓礦工有過多篡改時間戳或者礦池、反復(fù)添加或刪除算力的能力，以使他們的收益最大化。
我們當前的算法在低波動性和非開發(fā)性上并不理想，至少我們計劃切換時間戳比較父區(qū)塊和祖父區(qū)塊，所以礦工只有在連續(xù)挖2個區(qū)塊時，才有動力去修改時間戳。另一個更強大的模擬公式： https://github.com/ethereum/economic-modeling/blob/master/diffadjust/blkdiff.py
Gas和費用
比特幣中所有交易大體相同，因此它們的網(wǎng)絡(luò)成本可以建成一個模型。以太坊中的交易要更復(fù)雜，所以交易費用需要考慮到賬戶的許多方面，包括寬帶費用，存儲費用和計算費用。尤其重要的是，以太坊編程語言是圖靈完備的，所以交易會使用任意數(shù)量的寬帶、存儲和計算成本。這就可能會導(dǎo)致在計算成本過程中，突遭停電而計算被迫中止。
以太坊交易費用的基本機制如下：
? 每筆交易必須指明一定數(shù)量的gas（即指定startgas的值），以及支付每單元gas所需費用（即gasprice），在交易執(zhí)行開始時，startgas * gasprice 價值的以太幣會從發(fā)送者賬戶中扣除；
? 交易執(zhí)行期間的所有操作，包括讀寫數(shù)據(jù)庫、發(fā)送消息以及每一步的計算都會消耗一定數(shù)量的gas；
? 如果交易執(zhí)行完畢，消耗的gas值小于指定的限制值，則交易執(zhí)行正常，并將剩余的gas值賦予變量gas_rem ; 在交易完成后，發(fā)送者會收到返回的gas_rem * gasprice 價值的以太幣，而給礦工的獎勵是（startgas - gas_rem）* gasprice價值的以太幣；
? 如果交易執(zhí)行中，gas消耗殆盡，則所有的執(zhí)行恢復(fù)原樣，但交易仍然有效，只是交易的唯一結(jié)果是將 startgas * gasprice 價值的以太幣支付給礦工，其他不變；
? 當一個合約發(fā)送消息給另一個合約，可以對這個消息引起的子執(zhí)行設(shè)置一個gas限制。如果子執(zhí)行耗盡了gas，則子執(zhí)行恢復(fù)原樣，但gas仍然消耗。
上述提到的幾點都是必須滿足的，例如：
? 如果交易沒有指定gas限制，那么惡意用戶就會發(fā)送一個有數(shù)十億步循環(huán)的交易。沒有人能夠處理這樣的交易，因為處理這樣的交易花的時間可能很長很長，從而無法預(yù)先告知網(wǎng)絡(luò)上的礦工，這會導(dǎo)致拒絕服務(wù)的漏洞產(chǎn)生。
? 替代嚴格的gas計數(shù)、時間限制等機制的方案不起作用，因為它們太主觀了
? startgas * gasprice 的整個值，在開始時就應(yīng)該設(shè)置好，這樣不至于在交易執(zhí)行中因gas不夠而造成交易終止。注意，僅僅檢查賬戶余額是不夠的，因為賬戶可以在其他地方發(fā)送余額。
? 如果在gas不夠的情況下，交易執(zhí)行沒有恢復(fù)操作（回滾），合約必須采用強有力的安全措施來防止合約發(fā)生變化。
? 如果子限制不存在，則惡意賬戶會通過與其他賬戶達成協(xié)議來對它們采取拒絕服務(wù)攻擊。在計算開始時插入一個大循環(huán)，那么發(fā)送消息給受害合約或者受害合約的任何補救嘗試，都會使整個交易死鎖。
? 要求交易發(fā)送者而不是合約來支付gas，這樣大大增加了開發(fā)人員的可操作性。以太坊早期的版本是由合約來支付gas的，這導(dǎo)致了一個相當嚴重的問題：每個合約必須實現(xiàn)“守護”代碼，確保每個傳入的消息有足夠的以太幣供其消耗。
gas消耗計算有以下特點：
? 對于任何交易，都將收取21000gas的基本費用。這些費用可用于支付運行橢圓曲線算法所需的費用。該算法旨在從簽名中恢復(fù)發(fā)送者的地址以及存儲交易所花費的硬盤和帶寬空間。
? 交易可以包括無限量的“數(shù)據(jù)”。虛擬機中的某些操作碼，可以讓合約允許交易對這些數(shù)據(jù)的訪問。數(shù)據(jù)的固定消耗計算是：每個零字節(jié)4gas，非零字節(jié)68gas。這個公式的產(chǎn)生是因為合約中大部分的交易數(shù)據(jù)由一些列的32字節(jié)的參數(shù)組成，其中多數(shù)參數(shù)具有許多前導(dǎo)零字節(jié)。該結(jié)構(gòu)看起來似乎效率不高，但由于壓縮算法的存在，實際上還是很有效率的。我們希望此結(jié)構(gòu)能夠代替其他更復(fù)雜的機制：這些機制根據(jù)預(yù)期字節(jié)數(shù)嚴格包裝參數(shù)，從而導(dǎo)致編譯階段復(fù)雜性大增。這是三明治復(fù)雜模型的一個例外，但由于成本效益比，這也是合理的模型。
? 用于設(shè)置賬戶存儲器的操作碼SSTORE的消耗是：1.將零值改為非零值時，消耗20000gas；2.將零值變成零值，或非零值變非零值，消耗5000gas；3.將非零值變成零值，消耗5000gas，加上交易執(zhí)行成功后退回的20000gas。退款金額上限是交易消耗gas總額的50%。這樣設(shè)置會激勵人們清除存儲器。我們注意到，正因為缺乏這樣的激勵，許多合約造成了存儲空間沒有被有效使用，從而導(dǎo)致了存儲快速膨脹；為存儲收取費用提供了很多好處，同時不會失去合約一旦確立就可以永久存在的保證。延遲退款機制是必要的，因為可以阻止拒絕服務(wù)攻擊。攻擊者發(fā)送一筆含有少量gas的交易，循環(huán)清除大量的存儲，直到用光gas，這樣消耗了大量的驗證算力，但實際并沒有真正清除存儲或消耗大量gas。50%的上限的是為了確保獲得了一定交易gas的曠工依然能夠確定執(zhí)行交易的計算時間的上限。
? 合約提供的消息的數(shù)據(jù)是沒有成本的。因為在消息調(diào)用期間不需要實質(zhì)復(fù)制任何數(shù)據(jù)，調(diào)用數(shù)據(jù)可以簡單地視為指向父合約內(nèi)存的指針，該指針在子進程執(zhí)行時不會改變。
? 內(nèi)存是一個可以無限擴展的數(shù)組，然而，每擴展32字節(jié)的內(nèi)存就會消耗1gas的成本，不足32字節(jié)以32字節(jié)計。
? 某些操作碼的計算時間極度依賴參數(shù)，gas開銷計算是動態(tài)變化的。例如，EXP的的開銷是指數(shù)級別的；復(fù)制操作碼（如：CALLDATACOPY， CODECOPY， EXTCODECOPY）的開銷是1+1（每復(fù)制32字節(jié)）。內(nèi)存擴展的開銷不包含在這里，因為它觸發(fā)了二次攻擊。
? 如果值不是零，操作碼CALL會額外消耗9000gas。這是因為任何值傳輸都會引起歸檔節(jié)點的歷史存儲顯著增大。請注意，實際消耗是6700，在此基礎(chǔ)上，我們強制增加了一個自動給予接受者的gas值，這個值最小2300。這樣做是為了讓接受交易的錢包至少有足夠的gas來記錄交易。
gas機制的另一個重要部分是gas價格本身體現(xiàn)出的經(jīng)濟學(xué)原理。比特幣中，默認的方法是采取純粹自愿的收費方式，礦工扮演守門人的角色并且動態(tài)設(shè)置收費的最小值。以太坊中允許交易發(fā)送者設(shè)置任意數(shù)目的gas。這種方式在比特幣社區(qū)非常受歡迎，因為它是“市場經(jīng)濟”的體現(xiàn)：允許礦工和交易者之間依據(jù)供需關(guān)系來決定價格。然而，這種方式的問題是，交易處理并不遵循市場原則。盡管可以將交易處理看作是礦工向發(fā)送者提供的服務(wù)（這聽起來很直觀），但實際上礦工所處理的每個交易都必須由網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點處理，所以交易處理的大部分成本都由第三方機構(gòu)承擔，而不是決定是否處理它的礦工。
當前，因為缺乏礦工在實際中的行為的明確信息，所以我們將采取一個非常簡單公平的方法：投票系統(tǒng)，來設(shè)定gas限定值。礦工有權(quán)將當前區(qū)塊的gas限定值設(shè)定在最后區(qū)塊的gas限定值的0.0975% （1/1024）內(nèi)。所以最終的gas限定值應(yīng)該是礦工們設(shè)置的中間值。我們希望將來能夠采用軟分叉的方法來使用更加精確的算法。
虛擬機
以太坊虛擬機是執(zhí)行交易代碼的引擎，也是以太坊與其他系統(tǒng)的核心區(qū)別。請注意，虛擬機應(yīng)該同“合約與消息模型”分開考慮。例如，SIGNEXTEND操作碼是虛擬機的一個功能，但實際上“某個合約調(diào)用其他合約并指定子調(diào)用的gas限定值”是“合約與消息模型”的一部分。 EVM的設(shè)計目標如下：
? 簡單：操作碼盡可能的少并且低級；數(shù)據(jù)類型盡可能少；虛擬機的結(jié)構(gòu)盡可能少；
? 結(jié)果明確：在VM規(guī)范語句中，沒有任何可能產(chǎn)生歧義的空間，結(jié)果應(yīng)該是完全確定的。此外，計算步驟應(yīng)該是精確的，以便可以測量gas的消耗量；
? 節(jié)約空間：EVM組件應(yīng)盡可能緊湊；
? 預(yù)期應(yīng)用應(yīng)具備專業(yè)化能力：在VM上構(gòu)建的應(yīng)用應(yīng)能處理20字節(jié)的地址，以及32位的自定義加密值，擁有用于自定義加密的模數(shù)運算、讀取區(qū)塊和交易數(shù)據(jù)與狀態(tài)交互等能力；
? 簡單安全：為了讓VM不被利用，應(yīng)該能夠容易地讓建立一套gas消耗成本模型的操作；
? 優(yōu)化友好：應(yīng)該易于優(yōu)化，以便即時編譯（JIT）和VM的加速版本能夠構(gòu)建出來。
同時EVM也有如下特殊設(shè)計：
? 臨時/永久存儲的區(qū)別：
我們先來看看什么是臨時存儲和永久存儲。
臨時存儲：存在于VM的每個實例中，并在VM執(zhí)行結(jié)束后消失；
永久存儲：存在于區(qū)塊鏈狀態(tài)層。
假設(shè)執(zhí)行下面的樹（S代表永久存儲，M代表臨時存儲）：
1.A調(diào)用B；
2.B設(shè)置B.S［0］=5，B.M［0］=9 ;
3.B調(diào)用C；
4.C調(diào)用B。
此時，如果B試圖讀取B.S［0］，它將得到B前面存入的數(shù)據(jù)，也就是5；但如果B試圖讀取B.M［0］，它將得到0，因為B.M是臨時存儲，讀取它的時候是虛擬機的一個新的實例。
在一個內(nèi)部調(diào)用中，如果設(shè)置B.M［0］ = 13和 B.S［0］ = 17 ，然后內(nèi)部調(diào)用和C的調(diào)用都終止，再執(zhí)行B的外部調(diào)用，此時讀取M，將會看到B.M［0］ = 9（此值在上一次同一VM執(zhí)行實例中設(shè)置的），B.S［0］ = 17。如果B的外部調(diào)用結(jié)束，然后A再次調(diào)用B，將看到B.M［0］ = 0，B.S［0］ = 17。這個區(qū)別的目的是：1.每個執(zhí)行實例都分配有內(nèi)存空間，不會因為循環(huán)調(diào)用而減損，這讓安全編程更加容易。2.提供一個能夠快速操作的內(nèi)存形式：因為需要修改樹，所以存儲更新必然很慢。
? 棧/內(nèi)存模式
早期，計算狀態(tài)有三種：棧（stack，一個32字節(jié)標準的LIFO），內(nèi)存（memory，可無限擴展的臨時字節(jié)數(shù)組），存儲（storage，永久存儲）。在臨時存儲端，棧和內(nèi)存的替代方案是memory-only范式，或者是寄存器和內(nèi)存的混合體（兩者區(qū)別不大，寄存器本質(zhì)上也是一種內(nèi)存）。在這種情況下，每個指令都有三個參數(shù)，例如：ADD R1 R2 R3： M［R1］ = M［R2］ + M［R3］ 。選擇棧范式的原因很明顯，它使代碼縮小了4倍。
? 單詞大小32字節(jié)
在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中，如比特幣，單詞大小是4或8字節(jié)。4或8字節(jié)對存儲地址或加密計算來說局限性太大了。而太大的值又很難建立相應(yīng)安全的gas模型。32字節(jié)是一個理想大小，因為它足夠存儲下許多加密算法的實現(xiàn)以及地址，又不會因為太大而導(dǎo)致效率低下。
? 我們有自己的虛擬機
我們的虛擬機使用java、Lisp或Lua等語言開發(fā)。我們認為開發(fā)一款專業(yè)的虛擬機是值得的，因為：
1. 我們的VM規(guī)范比其他許多虛擬機簡單的多，因為其他虛擬機為復(fù)雜性付出的代價更小，也就是說它們更容易變得復(fù)雜；然而，在我們的方案中每額外增加一點復(fù)雜性，都會給集約化發(fā)展帶來障礙，以及潛在的安全缺陷，比如造成共識失敗，這就讓我們的復(fù)雜性成本很高，因而不容易造成復(fù)雜；
2. 我們的VM更加專業(yè)化，如支持32字節(jié)；
3. 我們不會有復(fù)雜的外部依賴，復(fù)雜的外部依賴會導(dǎo)致我們安裝失??；
4. 完善的審查機制，可以具體到特殊的安全需求；對外部VM而言，這一點無論如何都是必要的。
? 使用了可變、可擴展的內(nèi)存大小
固定內(nèi)存的大小是不必要的限制，太小或太大都不合適。如果內(nèi)存大小是固定的，每次訪問內(nèi)存都需要檢查訪問是否超出邊界，顯然這樣的效率并不高。
? 棧大小沒有限制
沒什么特別理由！許多情況下，該設(shè)計不是絕對必要的；因為，gas的開銷和區(qū)塊層gas的限制總是會充當每種資源消耗的上限。
? 1024調(diào)用深度限制
許多編程語言在棧的深度過大時觸發(fā)中斷比在內(nèi)存過載時觸發(fā)中斷的策略要快的多。所以區(qū)塊中g(shù)as限制所隱含的限制是不夠的。
? 無類型
為了簡單起見，可以使用DIV， SDIV， MOD， SMOD的有符號或無符號的操作碼代替（事實證明，對于操作碼ADD和MUL，有符號和無符號是對等的）；轉(zhuǎn)換成定點運算在所有情況下都很簡單，例如，在32位深度下，a * b -》 （a * b） / 2^32， a / b -》 a * 2^32 / b ，+， - 和 * 在整數(shù)下不變。
VM中某些操作碼的函數(shù)和作用很容易理解，但也有一些不太好理解，以下是一些特殊的原因：
*? ADDMOD， MULMOD *
大多數(shù)情況下，addmod（a， b， c） = a * b % c，但在橢圓曲線算法中，使用的是32字節(jié)模數(shù)運算，直接執(zhí)行a * b % c 實際上是在執(zhí)行（（a * b） % 2^256） % c會得到完全不同的結(jié)果。計算公式a * b % c 使用32字節(jié)空間的32字節(jié)值是非常不常見且繁瑣。
? SIGNEXTEND
SIGNEXTEND操作碼的作用是為了方便從大的有符號整數(shù)到小的有符號整數(shù)的類型轉(zhuǎn)換。小的有符號整數(shù)是很有用的，因為未來的即時編譯虛擬機可能會檢測長時間運行的代碼塊，小的有符號整數(shù)能加快處理。
? SHA3
在以太坊代碼中SHA3作為安全的高強度的hash集合應(yīng)用非常廣泛，通常在使用存儲器時需要使用Hash函數(shù)來確保安全，以防止惡意沖突，在驗證默克爾樹和類似以太坊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時也需要使用到Hash函數(shù)。重要的是，與SHA3的相似的hash函數(shù)，如SHA256，ECRECVOR，RIPEM160不是以操作碼的形式包含在里面，而是以偽合約的形式。這樣做的目的是將它們放在一個單獨的類別中，如果當我們以后提出適當?shù)摹氨镜財U展”系統(tǒng)時，可以添加更多這樣的合約，而不需要擴展操作碼。
? ORIGIN
ORIGIN操作碼由交易的發(fā)送者提供，主要的作用是允許合約退回支付的gas。
? COINBASE
COINBASE的主要作用是：1.如果使用COINBASE操作碼，則允許子貨幣對網(wǎng)絡(luò)安全作出貢獻；2.開放使用礦工作為一個去中心化的經(jīng)濟體，來設(shè)置基于子共識的應(yīng)用，如Schellingcoin。
? PREVHASH
PREVHASH作為一個半安全的隨機來源，允許合約評估上一個區(qū)塊的默克爾樹狀態(tài)證明，而不需要高度復(fù)雜的遞歸結(jié)構(gòu)“以太坊輕客戶端”。
? EXTCODESIZE， EXTCODECOPY
主要的作用是讓合約依據(jù)模板檢查其他合約的代碼，甚至是在與其他合約交互前，模擬它們。
? JUMPDEST
當跳轉(zhuǎn)（jump）目的地限制在幾個索引時（尤其是，動態(tài)目的跳轉(zhuǎn)的計算復(fù)雜度是O（log（有效挑戰(zhàn)目的數(shù)量）），而靜態(tài)跳轉(zhuǎn)總是恒定的），JIT虛擬機實現(xiàn)起來更簡單。于是，我們需要：1.對有效變量跳轉(zhuǎn)目的地做限制；2.使用靜態(tài)而不是動態(tài)跳轉(zhuǎn)的激勵方式。為了達到這兩個目標，我們定下了以下規(guī)則：1.緊接著push后的跳轉(zhuǎn)可以跳到任何地方，而不僅是另一個jump；2.其他的jump只能跳轉(zhuǎn)到JUMPDEST。對跳轉(zhuǎn)的限制是必須的，你可以通過查看代碼中的先前操作來決定是靜態(tài)還是動態(tài)的跳轉(zhuǎn)。缺乏對靜態(tài)跳轉(zhuǎn)的需求是激勵使用它們的原因。禁止跳轉(zhuǎn)進入push數(shù)據(jù)也會加快JIT虛擬機的編譯和執(zhí)行。
*? LOG *
LOG是事件的日志。
? CALLCODE
該操作碼允許合約使用自己的存儲器，在單獨的?？臻g和內(nèi)存中調(diào)用其他合約的“函數(shù)”。這樣可以在區(qū)塊鏈上靈活實現(xiàn)標準庫代碼。
? SELFDESTRUCT
允許合約刪除它自己，前提是它已經(jīng)不需要存在了。SELFDESTRUCT并非立即執(zhí)行，而是在交易執(zhí)行完之后執(zhí)行。這是因為這樣做可以恢復(fù)那些執(zhí)行后大大增加了緩存復(fù)雜度的SELFDESTRUCT操作碼。
? PC
盡管理論上不需要PC操作碼，因為所有的PC操作碼都可以根據(jù)將push操作的索引加入實際程序計數(shù)器來代替實現(xiàn)，但使用PC可以創(chuàng)建獨立代碼的位置（可復(fù)制粘貼到其他合約的編譯函數(shù)，如果它們以不同索引結(jié)束，不要打斷）。
注釋：
① UTXO： unspent transaction outputs。字面理解是：有效的交易輸出，它是比特幣協(xié)議中用于存儲交易信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
② Nonce，Number used once或Number once的縮寫，在密碼學(xué)中Nonce是一個只被使用一次的任意或非重復(fù)的隨機數(shù)值，在加密技術(shù)中的初始向量和加密散列函數(shù)都發(fā)揮著重要作用，在各類驗證協(xié)議的通信應(yīng)用中確保驗證信息不被重復(fù)使用以對抗重放攻擊（Replay Attack）。
③ 嵌套數(shù)組：創(chuàng)建一個數(shù)組，并使用其他數(shù)組填充該數(shù)組。如數(shù)組pets：
var cats ： String［］ = ［“Cat”，“Beansprout”， “Pumpkin”， “Max”］;
var dogs ： String［］ = ［“Dog”，“Oly”，“Sib”］;
var pets ： String［］［］ = ［cats， dogs］;
④ 行程編碼（run-length-encoding）：一種統(tǒng)計編碼。主要技術(shù)是檢測重復(fù)的比特或字符序列，并用它們的出現(xiàn)次數(shù)取而代之。（百度百科）
⑤ 布隆過濾器：由 Howard Bloom 在 1970 年提出的二進制向量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它具有很好的空間和時間效率，被用來檢測一個元素是不是集合中的一個成員。（百度百科）
⑥ uncle：A挖出區(qū)塊后廣播途中，B也挖出了區(qū)塊（過時區(qū)塊），此時區(qū)塊鏈會出現(xiàn)分叉。過時分叉上的區(qū)塊就叫uncle區(qū)塊。它不是這個塊的父區(qū)塊，父區(qū)塊的兄弟區(qū)塊（平級關(guān)系）。
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