以太坊的基本概念與功能
以太坊不僅僅是一種加密貨幣，而是一個完整的區塊鏈平台。2015年由Vitalik Buterin創立的以太坊，被設計為一個可程式化的區塊鏈，允許用戶持有虛擬貨幣、進行交易，並部署去中心化應用。
想像以太坊為一台「世界電腦」——一個全球性的平台，無需中心化管理機構就能運行應用程式。以太坊的原生貨幣稱為以太幣（ETH），在網絡中扮演著重要角色。類似於實體世界中的燃料，ETH用於支付交易費用（稱為「gas費」）以及在網絡參與者之間轉移價值。
以太坊引入了「智能合約」這一革命性創新，讓貨幣和應用程式變得可編程。這些自動執行的數位協議為以太坊打開了遠超單純加密貨幣的應用場景。
以太坊與比特幣的主要區別
雖然比特幣和以太坊都是基於區塊鏈技術的加密資產，但它們在目的、技術和功能上有顯著差異：
目標和用途差異
比特幣主要設計為一種安全、去中心化的數位貨幣，強調其作為「數位黃金」的角色；而以太坊則是一個構建去中心化應用的平台，透過智能合約提供更廣泛的功能。
技術層面的區別
共識機制：比特幣使用工作量證明（PoW）機制，需要礦工解決複雜的加密謎題來驗證交易；以太坊則已於2022年9月過渡到權益證明（PoS）機制，大幅提高了能源效率和安全性。
區塊時間：比特幣網絡設計為約每10分鐘產生一個區塊，而以太坊在PoS下的區塊時間顯著縮短，約為12秒，使交易確認更快速。
供應限制：比特幣有嚴格的2100萬枚上限，強調稀缺性以保存價值；以太坊則沒有固定的供應上限，這有助於支持其作為平台運行智能合約和DApps的更廣泛用途。
靈活性：比特幣的區塊鏈相對以太坊而言功能較為有限，主要支持BTC的轉移和存儲，而非高級可編程性或智能合約。
智能合約與DApps的簡單解釋
智能合約：自動執行的數位協議
智能合約是部署在區塊鏈上的數位協議，當預定條件達成時自動執行。想像一個自動售貨機：你投入硬幣，機器自動給你選擇的商品，無需第三方參與。
去中心化應用（DApps）
DApp是建立在去中心化網絡上的應用程式，結合了智能合約和前端用戶界面。在以太坊上，智能合約是可訪問且透明的——就像開放的API——所以你的DApp甚至可以包含別人編寫的智能合約。
與傳統應用不同，DApp運行在區塊鏈網絡上。用戶不是下載應用程式，而是支付一定量的加密貨幣來下載「智能合約」或源代碼。這在用戶設備上生成應用的全新副本，在鏈上創建一個新的「區塊」。
DApp的實例包括：
- MetaMask（加密貨幣錢包）
- Blur（NFT市場）
- BitTorrent（去中心化文件分享）
相比之下，中心化應用由單一公司操作和擁有，運行在單一伺服器或伺服器集群上。像開發者可以在蘋果iOS操作系統上構建應用一樣，開發者同樣可以在以太坊的區塊鏈基礎設施上構建應用。
深入探討以太坊的技術特點
以太坊虛擬機（EVM）
以太坊虛擬機（EVM）是以太坊中交易執行的運行環境。EVM是一個基於堆棧的虛擬機，具有專門為以太坊設計的指令集。其指令集包括堆棧操作、記憶體操作以及檢查當前執行環境（如剩餘gas、當前區塊和交易的信息）等操作。
EVM設計為在各種硬件和操作系統上具有確定性，這意味著給定交易前狀態和交易，每個節點都會產生相同的交易後狀態，從而實現網絡共識。EVM的正式定義在以太坊黃皮書中指定，並已用多種程式語言實現，包括C++、Go、Java等。
交易處理流程
以太坊交易執行過程包含以下關鍵步驟：
- 交易發起：外部賬戶或其他合約發起交易，指定合約地址、輸入數據和gas限制。
- 交易驗證：EVM首先驗證交易的有效性，如果有效，則建立包含網絡當前狀態的執行環境。
- 操作碼執行：EVM從智能合約的字節碼中讀取並執行操作碼（低級指令）。這些操作碼指導如何更新世界狀態、消耗gas或在發生錯誤時回滾狀態。
- Gas管理：EVM中的每個操作都有相關的gas成本，反映執行所需的計算資源。如果用戶指定的gas用完，交易失敗，狀態回滾。
- 狀態變更：成功執行後，智能合約執行的結果會引起區塊鏈上的狀態變更，如賬戶餘額更新。
- 最終確認：處理後，智能合約執行產生的新狀態在網絡中的所有節點間傳播，這些節點更新其區塊鏈副本以反映這些變更，確保整個網絡中的共識得以維持。
智能合約開發
以太坊的智能合約使用高級程式語言編寫，然後編譯為EVM字節碼，並部署到以太坊區塊鏈上。它們可以用Solidity（一種具有類似C和JavaScript特性的語言庫）以及其他語言編寫。
源代碼和編譯器信息通常在合約啟動後不久就發布在區塊鏈瀏覽器網站上，使用戶可以查看代碼並驗證它是否編譯為鏈上的字節碼。
以太坊共識機制的演變
從工作量證明到權益證明的轉變
以太坊在初期階段採用了工作量證明（PoW）共識機制，這需要一個龐大的礦工網絡競相解決複雜的謎題來驗證交易並保護網絡。然而，PoW存在一些限制：
- 高能源消耗：PoW需要大量計算能力，導致可觀的能源支出，引發環境擔憂，並限制了參與網絡安全的普及程度。
- 中心化傾向：高效PoW挖礦所需的專業硬件往往使權力集中在大型礦池中，這與去中心化網絡的理念相悖。
為解決這些問題，以太坊開始重大轉變——從PoW過渡到權益證明（PoS）。這一歷史性轉變稱為「合併」（The Merge），於2022年9月15日完成。在PoS下，驗證者取代了礦工，負責驗證交易。這些驗證者會鎖定一定量的以太幣（ETH）作為質押，這激勵誠實行為，因為如果嘗試操縱網絡，驗證者有可能失去他們的質押。
PoS消除了對昂貴挖礦硬件的需求，使任何持有ETH的人都更容易參與網絡安全，培養更加分散和民主的系統，符合以太坊去中心化的核心原則。
「合併」的影響與意義
從工作量證明轉向權益證明的轉變已使以太坊的能源使用量減少了99%以上。這代表了以太坊共識協議的重大進步，同時保持了網絡的去中心化特性。
「合併」是一系列三次更新（Bellatrix、Paris和Shapella）的統稱，這些更新將以太坊的共識協議從PoW轉變為PoS。Bellatrix更新了PoS信標鏈並引入了經濟削減機制；Paris是2022年9月15日在區塊15537393發生的事件，將以太坊合併到信標鏈；Shapella（Shanghai-Capella）是允許質押提款的更新。
這種共識機制的演變不僅提高了能源效率，還增強了網絡安全性並使參與網絡驗證更加民主化。
探討以太坊的應用場景
以太坊的設計使其成為各種應用場景的理想平台，從金融服務到數位藝術和遊戲。讓我們探討一些最受歡迎的應用領域：
去中心化金融（DeFi）
去中心化金融（DeFi）提供了在去中心化架構中的金融工具，超越了公司和政府的控制範圍，例如允許用戶賺取利息的貨幣市場基金。
DeFi應用通常通過支持Web3的瀏覽器擴展或應用程式（如MetaMask）訪問，使用戶能夠通過網站直接與以太坊區塊鏈互動。許多DApps可以連接並協同工作，創建複雜的金融服務。
DeFi平台的例子包括MakerDAO和Uniswap（一個以太坊上的去中心化交易所）。Uniswap的流動性從2020年的2000萬美元增長到29億美元。截至2020年10月，各種DeFi協議已投資超過110億美元。通過「包裝」過程，某些DeFi協議允許各種資產（如比特幣、黃金和石油）的合成版本在以太坊上交易，並與以太坊的所有主要錢包和應用程式兼容。
非同質化代幣（NFT）
以太坊也允許創建獨特且不可分割的代幣，稱為非同質化代幣（NFT）。由於此類代幣具有獨特性，它們被用於代表收藏品、數位藝術、體育紀念品、虛擬房地產和遊戲內物品等。
ERC-721是以太坊的第一個官方NFT標準，後來的ERC-1155引入了半同質性，兩者都被廣泛使用，儘管某些完全同質的代幣如CryptoPunks使用ERC-20也被用於NFT。
2021年，佳士得拍賣行以6930萬美元的價格售出了Beeple的一幅帶有NFT的數位圖像，使他當時成為拍賣價格方面第三位最有價值的在世藝術家。
NFT和DeFi是當今區塊鏈技術中兩個最大的應用。2023年初，NFT市值約為105億美元，而DeFi的總鎖定價值超過500億美元。兩者的用例正在迅速多樣化，它們都是在區塊鏈市場上交換數位資產的透明、安全和去中心化的方式。
NFT和DeFi的融合(NFTFi)
NFT DeFi世界正在演變，開發者尋找新方式將它們各自的優勢結合起來。DeFi能力提高了NFT的互操作性並增加了流動性。通過DeFi借貸，NFT可在流動性池中使用。分數所有權也從根本上改變了NFT銷售的模式。
以太坊的挑戰與未來
以太坊的去中心化進程
以太坊一直在朝著更去中心化的未來邁進。「合併」是其去中心化進程中的重要里程碑，解決了PoW機制的局限性，包括高能耗和中心化傾向。
然而，這並不代表旅程的終點。以太坊社區內的一個關鍵討論領域是驗證者間質押的ETH分配。在理想情況下，驗證者參與應該在網絡中均勻分布，最大化去中心化。但現實中，成為驗證者需要質押大量ETH，這可能在一定程度上使驗證者權力集中於持有較大ETH的人。
擴展性解決方案與未來路線圖
2020年，以太坊轉向了以rollup為中心的路線圖。這一變化是以太坊路線圖有史以來最大、最根本的改變。
以太坊L1的角色已經有了很大發展，現在旨在成為rollup的結算層。以太坊不再專注於成為智能合約平台，而是成為一個平台，可以在其上構建智能合約平台。這從「合併」開始，將執行層（原先的eth1）和共識層（原先的eth2）合併，並繼續進行數據分片的發布。
整個路線圖現在完全圍繞著rollup是以太坊將被數十億人使用的方式這一理念。Rollup通過將數千筆交易批量處理後才提交到主鏈上，大幅提高交易吞吐量並降低費用。
結語
以太坊的創新不僅限於技術領域，也體現在其推動數位經濟和社會結構變革的潛力上。加密貨幣引入了一個非常革命性的概念，即應用程式的去中心化，而這種去中心化可以應用於許多事物，導致重大的技術結構修改，甚至是社會結構的變化。
由於其匿名和民主性質，加密貨幣總是會有需求。隨著技術的發展，以太坊可能會重塑我們對價值、交易和信任的理解，為更加開放和包容的數位未來鋪平道路。
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多媒體：
北京大学计算机系肖臻老师的区块链公开课《区块链技术与应用》
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