陈利人：深入以太坊精髓

以太坊是比特币的全面改进, 以太坊从2014年初次开始众筹,其主要卖点就是”智能合约”。所以”智能合约” 是主导以太坊设计架构的核心理念，沿着这个核心理念出发, 我们就很容易厘清整个以太坊的设计脉络。

首先”智能合约”的最终目标是实现去中心化应用(DAPP)，就决定了底层是构建在传统区块链的基础设施之上。

乌镇智库CTO

卡内基梅隆大学计算机科学硕士

前奇虎360移动搜索技术负责人

盘古搜索CTO

人民搜索CTO

前Google搜索CJK（中日韩）技术负责人和软件工程师

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陈利人

智能合约与账户类型/账户状态转换

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Merkle Tree

首先 Merkle Tree 的天然属性就使得在新旧区块之间的只用存储变化了状态子树,而不是重新存储整个结构。

为了防止构造恶意的数据结构，使用Keccake256散列值做为树的键值, 这一就导致了使用Patricia Tree做为优化的必要性。

于是Secure MPT这个拧巴的数据结构就诞生了。

i. 比特币以及其变种, 使用了一种特殊的账户状态转换模型 UTXO unspent transaction outputs。整个系统的收支状态信息都保存在所有这些UTXO中。在每一个交易中都会消耗一部分UTXO,然后再产生一些新的UTXO, UTXO 是和用户地址绑定的。

ii. UTXO 带来一个问题，智能合约需要一个执行的主体.在UTXO模型中，同一个主体可以拥有多个地址，对于智能合约而言, 最简单直接的方案还是使用单一账户模型而不是UTXO,尤其是在引入Gas来限制计算工作量之后，如果智能合约还需要去实时计算(和解锁)多地址的UTXO可用token数量来判断合约是否可以继续执行,就太繁琐低效了。最终以太坊采用的是合约账户这一单一的执行主体，同时为了配合合约账户, 外部账户也使用单一的账户记账模式，简化了设计。因为执行合约时，同样外部账户需要转账支付Gas以执行合约。

iii. 同时还要考虑到节省空间，UTXO本身就非常占用空间，因为同一个用户可能需要引用多个UTXO，以太坊加入了智能合约，那么增加了很多其它的metadata要存储(例如输入数据，log)必须要找到一个节省空间的方案。

iv. 单一账户模式需要引入nonce来防止重放攻击，所以这里也做了防御性的设计。

v. 引入了单一账户模式后, 整个存储状态的数据结构得设计也就自然而然的引入了基于Secure Merkle Patricia Tree的设计。

智能合约要求图灵完备的解决方案

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图片|来源网络

i. 灵活的智能合约编程语言当然最好是图灵完备的。但是图灵完备就需要计算每一个指令消耗的计算资源(防止滥用,例如deadloop)，于是Gas的设计就应运而生。

ii. 考虑到合约间调用等各种复杂场景，引入了非常多的规则来规范Gas的消耗量计算。(整套规则非常复杂，例如合约suicide 这个场景)

iii. 合约执行会在中途失败，也需要引入各种log以备回滚。

iv. 同时这个Gas必须要和token链接起来，所以Gas还有一个价格，当然是以ether来计算的。

v. 同时也导致整个块的大小不是固定的，而是由这个块整体所能包含的Gas数量来决定的。

智能合约执行的虚拟机

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图片|来自网络

    因为智能合约一个最终的主要作用就是根据特定的编写的逻辑，来更改对应的全局存储，例如余额。但是同时还是需要许多临时的状态来辅助。(临时状态访问比较快捷)

i. 为了执行智能合约就需要区分全局存储和临时存储。临时存储的生命周期只限于虚拟机实例开始执行到执行结束。永久存储以每个账户为划分单位存在于区块链上(storage trie)。

ii. 要负责进行所有的Gas规则的检查。

iii. 要向智能合约编程语言提供所有的全局状态量查询结构。

iv. 需要提供特定的密码学计算接口，比如keccak。

智能合约的编程语言除了基本的功能以外

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i. 理所当然的，这个编程语言需要是面向合约的。

ii. 合约也理所当然的应该有一个创建人和所有人。

iii. 合约应该可以接收转账,也可以向其它合约和外部账户转账。

iv. 该编程语言需要区分全局存储和临时存储。

v. 该编程语言需要一个便捷的对外接口ABI。

vi. 该编程语言的设计必须是安全的, 合约是可以形式化验证的。

综上所述，智能合约的概念影响到以太坊所有关键组件的设计，渗透到了每一个具体的设计之中，只要抓住这一个核心理念，提纲携领，顺藤摸瓜，就会大大加速你对以太坊设计框架的理解。

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