以太坊原理及實現
A. 011：Ethash演算法|《ETH原理與智能合約開發》筆記
待字閨中開發了一門區塊鏈方面的課程：《深入淺出ETH原理與智能合約開發》，馬良老師講授。此文集記錄我的學習筆記。
課程共8節課。其中，前四課講ETH原理，後四課講智能合約。
第四課分為三部分：
這篇文章是第四課第一部分的學習筆記：Ethash演算法。
在介紹Ethash演算法之前，先講一些背景知識。其實區塊鏈技術主要是解決一個共識的問題，而共識是一個層次很豐富的概念，這里把范疇縮小，只討論區塊鏈中的共識。
什麼是共識？
在區塊鏈中，共識是指哪個節點有記賬權。網路中有多個節點，理論上都有記賬權，首先面臨的問題就是，到底誰來記帳。另一個問題，交易一定是有順序的，即誰在前，前在後。這樣可以解決雙花問題。區塊鏈中的共識機制就是解決這兩個問題，誰記帳和交易的順序。
什麼是工作量證明演算法
為了決定眾多節點中誰來記帳，可以有多種方案。其中，工作量證明就讓節點去算一個哈希值，滿足難度目標值的勝出。這個過程只能通過枚舉計算，誰算的快，誰獲勝的概率大。收益跟節點的工作量有關，這就是工作量證明演算法。
為什麼要引入工作量證明演算法？
Hash Cash 由Adam Back 在1997年發表，中本聰首次在比特幣中應用來解決共識問題。
它最初用來解決垃圾郵件問題。
其主要設計思想是通過暴力搜索，找到一種Block頭部組合（通過調整nonce）使得嵌套的SHA256單向散列值輸出小於一個特定的值（Target）。
這個演算法是計算密集型演算法，一開始從CPU挖礦，轉而為GPU，轉而為FPGA，轉而為ASIC，從而使得算力變得非常集中。
算力集中就會帶來一個問題，若有一個礦池的算力達到51%，則它就會有作惡的風險。這是比特幣等使用工作量證明演算法的系統的弊端。而以太坊則吸取了這個教訓，進行了一些改進，誕生了Ethash演算法。
Ethash演算法吸取了比特幣的教訓，專門設計了非常不利用計算的模型，它採用了I/O密集的模型，I/O慢，計算再快也沒用。這樣，對專用集成電路則不是那麼有效。
該演算法對GPU友好。一是考慮如果只支持CPU，擔心易被木馬攻擊；二是現在的顯存都很大。
輕型客戶端的演算法不適於挖礦，易於驗證；快速啟動
演算法中，主要依賴於Keccake256 。
數據源除了傳統的Block頭部，還引入了隨機數陣列DAG（有向非循環圖）（Vitalik提出）
種子值很小。根據種子值生成緩存值，緩存層的初始值為16M，每個世代增加128K。
在緩存層之下是礦工使用的數據值，數據層的初始值是1G，每個世代增加8M。整個數據層的大小是128Bytes的素數倍。
框架主要分為兩個部分，一是DAG的生成，二是用Hashimoto來計算最終的結果。
DAG分為三個層次，種子層，緩存層，數據層。三個層次是逐漸增大的。
種子層很小，依賴上個世代的種子層。
緩存層的第一個數據是根據種子層生成的，後面的根據前面的一個來生成，它是一個串列化的過程。其初始大小是16M，每個世代增加128K。每個元素64位元組。
數據層就是要用到的數據，其初始大小1G，現在約2個G，每個元素128位元組。數據層的元素依賴緩存層的256個元素。
整個流程是內存密集型。
首先是頭部信息和隨機數結合在一起，做一個Keccak運算，獲得初始的單向散列值Mix[0]，128位元組。然後，通過另外一個函數，映射到DAG上，獲取一個值，再與Mix[0]混合得到Mix[1]，如此循環64次，得到Mix[64]，128位元組。
接下來經過後處理過程，得到 mix final 值，32位元組。（這個值在前面兩個小節《 009：GHOST協議 》、《 010：搭建測試網路 》都出現過）
再經過計算，得出結果。把它和目標值相比較，小於則挖礦成功。
難度值大，目標值小，就越難（前面需要的 0 越多）。
這個過程也是挖礦難，驗證容易。
為防止礦機，mix function函數也有更新過。
難度公式見課件截圖。
根據上一個區塊的難度，來推算下一個。
從公式看出，難度由三部分組成，首先是上一區塊的難度，然後是線性部分，最後是非線性部分。
非線性部分也叫難度炸彈，在過了一個特定的時間節點後，難度是指數上升。如此設計，其背後的目的是，在以太坊的項目周期中，在大都會版本後的下一個版本中，要轉換共識，由POW變為POW、POS混合型的協議。基金會的意思可能是使得挖礦變得沒意思。
難度曲線圖顯示，2017年10月，難度有一個大的下降，獎勵也由5個變為3個。
本節主要介紹了Ethash演算法，不足之處，請批評指正。
B. eth挖礦是什麼原理
凡是涉及到幣，就一定離不開挖礦。以太坊網路中，想要獲得以太坊，也要通過挖礦來實現。說到挖礦，就一定離不開共識機制。
不知道大家還記得比特幣的共識機制是什麼嗎？比特幣的共識機制是 PoW (這是英文 Proof of Work 的縮寫，意思是「工作量證明機制」）。簡單來說，就是多勞多得，你付出的計算工作越高，那麼你就越有可能第一個找到正確的哈希值，就越有可能得到比特幣獎勵。
但是，比特幣的PoW存在著一定的缺陷，就是它處理交易的速度太慢，礦工們需要不斷地通過計算來碰撞哈希值，這是勞民傷財且效率低下的。對區塊鏈知識有涉獵的朋友們應該看到這樣一種說法：
以太坊為了彌補比特幣的不足，提出了新的共識機制，名叫 PoS(這是英文的縮寫，意思是「權益證明」，也有翻譯成「股權證明」的）。
PoS 簡單來講，其實就跟它的字面意思一樣：權益嘛，股權嘛，你持有的幣越多相當於你的股權越多，你的權益越高。
以太坊的PoS就是說：你持幣越多，你持有幣的時間越久，你的計算難度就會降低，挖礦會容易一些。
在以太坊最初的設定中，以太坊希望能夠通過階段性的升級，在前期依舊採用PoW來構建一個相對穩定的系統，之後逐漸採用 PoW+PoS，最後完全過渡到 PoS。所以，說以太坊的共識機制是PoS，沒錯，但是PoS只是以太坊發布之初的一個計劃或者說目標，目前以太坊還沒有過渡到 PoS，以太坊採用的共識機制仍是 PoW，就是比特幣那個 PoW，但是又和比特幣的PoW稍稍不同。
這里的信息量有點大，
第一個信息點是：以太坊目前採用的共識機制也是PoW，但是和比特幣的PoW稍稍不同。那麼，和比特幣的PoW到底有什麼不同呢：簡單來說，就是以太坊挖礦難度可以調節，比特幣挖礦難度不能調節。就好比咱們高考，因為各個省份的教學情況、生源人數都不一樣，所以高考分為全國卷和各省自主命題。
以太坊說我贊成這樣分地區出題，比特幣說：不行，必須全國同一卷，大家難度都一樣！
通俗解釋，就是，比特幣是利用計算機算力做大量的哈希碰撞，列舉出各種可能性，來找到一個正確哈希值。而以太坊系統呢，它有一個特殊的公式用來計算之後的每個塊的難度。如果某個區塊比前一個區塊驗證的更快，以太坊協議就會增加區塊的難度。通過調整區塊難度，就可以調整驗證區塊所需的時間。
以太坊協議規定，難度的動態調整方式是使全網創建新區塊的時間間隔為 15 秒，網路用 15 秒時間創建區塊鏈，這樣一來，因為時間太快，系統的同步性就大大提升，惡意參與者很難在如此短的時間發動51%（也就是半數以上）的算力去修改歷史數據。
第二個信息點是：以太坊最初的設定中，希望通過階段性升級來最終實現由 PoW 向
PoS過渡的。
時間追溯到 2014 年，在以太坊發布之初，團隊宣布將項目的發布分為四個階段，即 Froniter（前沿）、Homestead（家園）、Metropolis（大都會）和 Serenity（寧靜）。前三個階段共識機制採用 PoW（工作量證明機制），第四個階段切換到 PoS（權益證明機制）。
2015年7月30號，以太坊第一個階段「前沿」正式發布，這個階段只適用於開發者使用，開發人員可於在以太坊網路上編寫智能合約和去中心化應用程序 DAPP，礦工開始進入以太坊網路維護網路安全並挖礦得到以太幣。前沿版本類似於測試版，證明以太坊網路到底是不是可靠的。
2016年3月14日，以太坊進入到第二個階段「家園」，這一階段，以太坊提供了錢包功能，讓普通用戶也可以方便體驗和使用以太坊。其他方面沒有什麼明顯的技術提升，只是表明以太坊網路已經可以平穩運行。
2017 年 9 月，以太坊已經進行到第三個階段「大都會」。「大都會」由拜占庭和君士坦丁堡兩次升級組成，這個階段的的目標是希望能夠引入 PoW 和 PoS 的混合鏈模式，為 PoW向PoS的順滑過渡做准備。最近比較熱門的「以太坊君士坦丁堡升級」升級的就是這個，在君士坦丁堡升級中呢，以太坊將對底層協議和演算法做一些改變，來為實現 PoW 和
PoS奠定良好的基礎。
以太坊挖礦會得到對多少獎勵呢？贏得區塊創建競爭成功的礦工會得到這么幾項收入：
1、 靜態獎勵，5個以太坊；
2、 區塊內所花費的燃料成本，也就是Gas，這部分我們上一期內容講過;
3、 作為區塊組成部分，包含「叔區塊」的額外獎勵，叔就是叔叔的叔，每個叔區塊可以得到挖礦報酬的1/32作為獎勵，也就是5乘以1/32，等於0.15625 個以太坊。這里我們簡單解釋一下「叔區塊」，「叔區塊」這個概念是以太坊提出來的，為什麼要引進叔塊的概念？這還要從比特幣說起。在比特幣協議中，最長的鏈被認為是絕對的正確。如果一個塊不是最長鏈的一部分，那麼它被稱為是「孤塊」。一個孤立的塊是一個塊，它也是合法的，但是可能發現的稍晚，或者是網路傳輸稍慢，而沒有能成為最長的鏈的一部分。在比特幣中，孤塊沒有意義，隨後將被拋棄掉，發現這個孤塊的礦工也拿不到采礦相關的獎勵。
但是，以太坊不認為孤塊是沒有價值的，以太坊系統也會給與發現孤塊的礦工回報。在以太坊中，孤塊被稱為「叔塊」(uncle block)，它們可以為主鏈的安全作出貢獻。 以太坊十幾秒的出塊間隔太快了，會降低安全性，通過鼓勵引用叔塊，使引用主鏈獲得更多的安全保證(因為孤塊本身也是合法的) ，而且，支付報酬給叔塊，還能激發礦工積極挖礦，積極引用叔塊，所以，以太坊認為，它是有價值的。
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F. 002：以太坊簡介|《ETH原理與智能合約開發》筆記
待字閨中開發了一門區塊鏈方面的課程：《深入淺出ETH原理與智能合約開發》，馬良老師講授。此文集記錄我的學習筆記。
課程共8節課。其中，前四課講ETH原理，後四課講智能合約。
第一課分為四部分：
這篇文章是第一部分的學習筆記：以太坊簡介。
以太坊是目前公認的區塊鏈2.0，相比於區塊鏈1.0（比特幣），其最大的特點是引入了智能合約，從而從單一的數字加密 Token 技術轉化為一個區塊鏈分布式應用的平台。以太坊本身不包含任何具體的應用，它主要是提供基礎平台和工具，使得開發者可以在其基礎之上開發出各種各樣的應用。可以說，以太坊有著巨大的潛力，它最終可能會發展出分布式、自動化、自組織的最高形態。
第一，我們可以通過學習以太坊的技術，領會區塊鏈技術發展的脈絡，改進的思路/路徑，從而緊跟區塊鏈技術發展的前沿，預測下一步的趨勢。
第二，DAPP（分布式應用）生態系統目前的發展也是蒸蒸日上，蓬勃發展，據不完全統計，現在有數百種應用之多，顯而易見的，對於開發人員的需求也是水漲船高，需要大量的開發人員。目前非常有名的應用有加密貓、各類側鏈應用、ERC20 Token如幣安幣火幣等等。
2013年，創始人 Vitalik Buterin 針對比特幣存在的一些問題以及局限性，提出把「智能合約」構想應用於區塊鏈領域，希望打造一個基於區塊鏈的多方計算的智能化通用平台，並通過比特幣融資進行開發。
2014年，以太坊基金會在瑞士成立，管理並運營整個項目。
前5大礦池佔83%的算力，很集中。
目前大約有16000個全節點，其中，美國5461（34%），中國1839（11.5%），俄羅斯963（6%），德國920（5.7%），加拿大875（5.45%）。全節點每天都有動態變化。分布情況也反映出各個國家的參與熱度。
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H. 以太坊stratum協議原理
參照比特幣的 stratum協議 和 NiceHash的stratum協議規范 編寫了一版以太坊版本的stratum協議說明.
stratum協議是目前最常用的礦機和礦池之間的TCP通訊協議。
以太坊是一個去中心化的網路架構，通過安裝Mist客戶端的節點來轉發新交易和新區塊。而礦機、礦池也同時形成了另一個網路，我們稱之為礦工網路。
礦工網路分成礦機、礦池、錢包等幾個主要部分，有時礦池軟體與錢包安裝在一起，可合稱為礦池。
礦機與礦池軟體之間的通訊協議是 stratum ，而礦池軟體與錢包之間的通訊是 bitcoinrpc 介面。
stratum是 JSON 為數據格式.
礦機啟動，首先以 mining.subscribe 方法向礦池連接，用來訂閱工作。
礦池以 mining.notify 返回訂閱號、ExtraNonce1和ExtraNonce2_size。
Client:
Server:
其中：
是 訂閱號 ；
080c是 extranonce ，Extranonce可能最大3位元組；
礦機以 mining.authorize 方法，用某個帳號和密碼登錄到礦池，密碼可空，礦池返回 true 登錄成功。該方法必須是在初始化連接之後馬上進行，否則礦機得不到礦池任務。
Client:
Server:
難度調整由礦池下發給礦機，以 mining.set_difficulty 方法調整難度， params 中是難度值。
Server:
礦機會在下一個任務時採用新難度，礦池有時會馬上下發一個新任務並且把清理任務設為true，以便礦機馬上以新難度工作。
該命令由礦池定期發給礦機，當礦機以 mining.subscribe 方法登記後，礦池應該馬上以 mining.notify 返回該任務。
Server:
任務ID ： bf0488aa ；
seedhash ： 。每一個任務都發送一個seedhash來支持盡可能多的礦池，這可能會很快地在貨幣之間交換。
headerhash : 。
boolean cleanjobs : true 。如果設為true，那麼礦工需要清理任務隊列，並立即開始從事新提供的任務，因為所有舊的任務分享都將導致陳舊的分享錯誤。如果是 false 則等當前任務結束才開始新任務。
礦工使用seedhash識別DAG，然後帶著headerhash,extranonce和自己的minernonce尋找低於目標的share(這是由提供的難度而產生的)。
礦機找到合法share時，就以」 mining.submit 「方法向礦池提交任務。礦池返回true即提交成功，如果失敗則error中有具體原因。
Client:
任務ID : bf0488aa
minernonce : 6a909d9bbc0f 。注意minernonce是6個位元組，因為提供的extranonce是2個位元組。如果礦池提供3位元組的extranonce，那麼minernonce必須是5位元組
Server:
一般的礦機與礦池通訊過程就如下所示：
I. 一文了解以太坊礦機及挖礦原理
在以前的文章中，我們分別了解了比特幣挖礦和以太坊挖礦的區別。本文重點介紹以太坊挖礦及礦機部分。
以太坊是一個開源的有智能合約功能的公共區塊鏈平台，通過其專用加密貨幣ETH提供去中心化的以太虛擬機來處理點對點合約。目前ETH的挖礦主要是通過顯卡礦機，所謂顯卡礦機，其實就是類似家用台式機，只不過每台機器裡面有6-10張顯卡，並且沒有顯示器（如圖）。
圖：顯卡礦機
之所以以太坊沒有發展出類似於BTC一樣的ASIC礦機，主要是由於ETH的特殊挖礦機制決定的。
在ETH挖礦過程中，會產生一個DAG文件，該文件需要一直被調用，因此必須有專門的存儲空間放置。這個對於存儲空間的硬性需求會導致即使生產出來了ASIC晶元，也並不能大幅度降低單位算力的成本。簡單來說，就是性價比很差。
以太坊的DAG大小自2016年6月份引入Dagger-Hashimoto 演算法時的1GB開始，以每年約520MB的速度增大到了現在的 3.7G，預計2020年底以太坊的DAG大小將增加至4G。屆時，顯存小於4G的顯卡都將被陸續淘汰。
還需要介紹一點的是，由於顯卡礦機的體積通常是比特幣礦機的2-4倍，而消耗的電力卻只有比特幣礦機的1/2甚至更低，這就導致一般人不願意修建專門的顯卡礦機礦場（因為礦場主要賺取的是電費差價，同樣面積的場地，可以放置的顯卡數量少，消耗的電量更少）。即使有少量的顯卡礦場，收取的電費成本通常也比比特幣礦機礦場的高。