数字货币概论 课件 第9章 Ethereum以太坊

6/21/20241第九章

Ethereum/以太坊第一节以太坊的产生与发展第二节技术框架与运行机制第三节以太币的现状与前景第四节本章小结第五节思考与练习9.1以太坊产生与发展9.1.1区块链早期应用与缺陷比特币的贡献比特币解决了“双花问题”，被视为货币领域的重大突破。其底层区块链技术作为分布式共识工具，具有去中心化、不可篡改、易验证等特征。早期应用Namecoin：创建于2010年的去中心化名称注册数据库，旨在对抗互联网审查，增强网络安全性和隐私性。其核心应用是分布式域名系统（DNS），允许在区块链中注册和存储域名。ColoredCoins：基于比特币的开源协议，允许用户在比特币交易上标识和操纵不可变的数字资产。它用于建立资产所有权，如股票、商品、房地产等。9.1以太坊产生与发展9.1.1区块链早期应用与缺陷早期应用的局限Namecoin：需要构建独立的区块链网络，成本和困难较高，用户规模较小。ColoredCoins：依赖比特币脚本，功能受限于比特币协议。比特币脚本的局限比特币脚本语言实现复杂应用有局限性，如多重签名、第三方支付等。以太坊创始人维塔利克·布特林指出比特币脚本的几个重要限制，旨在通过以太坊克服这些缺陷。以太坊的目标以太坊希望构建一个更高开发便捷性和更强大的轻客户端属性的替代框架。通过内置图灵完备编程语言的区块链，允许编写智能合约和去中心化应用程序，实现更多的所有权规则、交易格式和状态转换功能。9.1

以太坊产生与发展9.1.2以太坊的诞生与演进起源2013年11月，维塔利克·布特林发布以太坊白皮书，吸引了大量关注。12月，以太坊项目正式成立，创始团队包括布特林、米海·艾利斯、安东尼·迪奥里奥、查尔斯·霍斯金森和阿米尔·切特里特。发展2014年1月，布特林在比特币会议上展示以太坊概念，获得广泛关注。约瑟夫·鲁宾、杰弗里·威尔克和加文·伍德加入团队。2014年，瑞士公司EthereumSwitzerlandGmbH开始开发工作，加文·伍德完成以太坊黄皮书，阐述以太坊虚拟机执行智能合约的技术细节。2014年7月，以太坊基金会在瑞士成立，通过首次代币发行（ICO）筹集了超过31,000BTC，价值约1800万美元。上线2015年7月30日，以太坊平台正式启动，创建“创世区块”，包含8,893笔交易。9.1以太坊产生与发展9.1.2以太坊的诞生与演进共识机制以太坊设计之初采用PoW共识，并计划逐步转向PoS，包括Frontier（前沿）、Homestead（家园）、Metropolis（大都会）、Serenity（宁静）四个阶段。阶段Frontier前沿（2015年7月30日）：以太坊创世区块生成，提供PoW挖矿和限制性交易。Homestead家园（2016年3月14日）：优化协议，加快交易速度，引入Mist钱包。TheDAO项目众筹成功但遭攻击，导致以太坊分叉为ETH和ETC。Metropolis大都会：通过拜占庭和君士坦丁堡两次硬分叉，优化以太坊网络，推迟难度炸弹，为从PoW向PoS过渡做准备。Serenity宁静：以太坊2.0时代，完全采用PoS共识机制，提升交易速度和可扩展性。2019年12月8日的伊斯坦布尔升级是迈向Serenity的重要节点。以太坊2.0Phase0于2020年12月1日启动，创建基于PoS的“信标链”，用户可参与Staking挖矿获取收益。后续Phase1到Phase3逐步拓展和优化。9.1以太坊产生与发展9.1.2

以太坊的诞生与演进以太坊的工作原理以太坊通过区块链技术运行，以下是其工作原理的主要方面：1.区块链：以太坊的区块链存储了所有的交易和智能合约，每个区块都包含了前一个区块的哈希值，确保了数据的完整性和不可篡改性。2.智能合约：开发者可以在以太坊上编写智能合约，使用以太坊虚拟机（EVM）执行这些合约。EVM是一个图灵完备的虚拟机，能够执行任意复杂的计算。3.账户：以太坊有两种账户类型：外部拥有账户（EOA）和合约账户。EOA由用户控制，用于发送和接收以太币；合约账户由智能合约代码控制，自动执行特定操作。4.交易：用户可以发起交易，将以太币从一个账户转移到另一个账户，或者调用智能合约执行特定功能。5.共识机制：以太坊最初使用工作量证明（PoW）共识机制，后来逐步转向权益证明（PoS），提高了网络的效率和可扩展性。9.2技术框架与运行机制9.2.1以太坊的技术框架

以太坊是一个通过在P2P网络上运行智能合约，从而实现去中心化应用的区块链平台。

它涉及包括密码学、数据处理、P2P网络、虚拟机、共识与挖矿、账户交易模型等专业内容。总体来看，以太坊的技术框架分为应用交互层、核心层和基础层三层；细分的话可分为数据层、网络层、共识层、激励层、智能合约层和应用层六层。9.2技术框架与运行机制9.2.1以太坊的技术框架（1）数据层数据层主要有两方面功能：一是实现相关数据的储存；二是保证相关账户及交易的安全。以太坊的数据储存功能依赖于MPT树（MerklePatriciaTrie）。（2）网络层网络层通过P2P技术实现节点的连接与通信，各个节点之间平等自治，不存在中心化的权威节点。（3）共识层共识层通过POW（工作量证明）和POS（权益证明）机制实现全网节点对交易和数据的一致。（4）激励层激励层解决以太币的发行和分配问题，EVM的每一条指令都需消耗一定量的Gas。（5）智能合约层智能合约层实现去中心化的数字合约，可以自动执行合同条款。（6）应用层应用层支持去中心化应用（Dapp），如金融衍生品、去中心化储存和云计算等。9.2技术框架与运行机制9.2.2以太坊的运行机制（1）产生机制以太坊通过挖矿产生新的区块，矿工通过运算挖出新的区块获得以太币奖励。9.2技术框架与运行机制9.2.2以太坊的运行机制（2）交易支付机制交易需经过所有节点的验证和广播，保证交易的有效性和安全性。9.2技术框架与运行机制9.2.2以太坊的运行机制（3）发行机制以太币作为以太坊区块网络的加密数字资产，扮演着双重角色：为数字资产交易提供流动性和支付交易费用（燃料费用）。以太币设计了一套面额度量体系，最小单位为“Wei”，最大单位为“Ether”。单位Wei价值Wei值Wei1wei1Kwei(babbage)103wei1,000Mwei(lovelace)106wei1,000,000Gwei(shannon)109wei1,000,000,000Microether(szabo)1012wei1,000,000,000,000Milliether(finney)1015wei1,000,000,000,000,000ether1018wei1,000,000,000,000,000,0009.2技术框架与运行机制9.2.2以太坊的运行机制（3）发行机制——发行模式预售活动：以BTC购买以太币，价格为每BTC约1337-2000枚以太币，早期购买者享受折扣。筹集的资金用于支付开发者工资和生态系统项目。分配：0.099X分配给早期贡献者，0.099X分配给长期研究项目。9.2技术框架与运行机制9.2.2以太坊的运行机制（3）发行机制——发行模式3.矿工奖励：每年挖出0.26X的以太币，即每年挖出数量为发行总量的0.26倍。发行总量公式发行总量Y=X+0.099X+0.099X+0.26X*n（n为以太坊上线年数）特点以太币没有总量上限，采取永久线性增长模式，规避财富集中问题。长期来看，以太币供给增长率趋近于零，保证了获取和持有以太币的激励。货币遗失率固定不变时，流通中的货币供应量会稳定在一个固定值上。每年货币发行量与遗失率平衡后，现存以太币数量基本维持不变。理论上以太币可无限细分，抗击通胀。长期预期比特币将在2140年前后停止发行，而以太币则会达到动态平衡状态，现存数量基本不变。如果需求持续上涨，价格会进入通缩机制，但以太币的无限细分特性使其不受影响。9.2技术框架与运行机制9.2.2以太坊的运行机制（4）挖矿去中心化比特币的挖矿中心化问题ASIC芯片：高效低能耗，普通矿工难以获利。中心化矿池：矿工依赖矿池提供区块头，导致中心化。以太坊的解决方案新挖矿算法：每1000个随机数生成唯一哈希值，削弱专业硬件优势。普通用户可用笔记本或台式机挖矿，超过100%CPU使用率后需支付成本。挖矿需访问整个区块链，矿工必须存储和验证区块和交易。鼓励使用轻客户端挖矿，抵御中心化风险。这种设计确保即使有ASIC存在，普通矿工仍能参与，实现去中心化目标。9.3以太币的现状与前景9.3.1比特币的现状（1）发行比特币总量被限制在2100万枚，每四年减半一次。比特币被广泛接受，并被认为是一种数字黄金。9.3以太币的现状与前景9.3.1比特币的现状（2）用户比特币钱包地址和活跃地址数量不断增加，反映了其用户群体的扩展。9.3以太币的现状与前景9.3.1比特币的现状（3）交易比特币交易规模和数量不断增加，各大交易平台均支持比特币交易。（4）市值截至2021年，比特币是市值最高的加密货币，总市值曾超过1万亿美元。9.3以太币的现状与前景9.3.1比特币的现状（5）网络以太坊的交易处理通过挖掘区块完成，挖矿难度衡量了挖掘区块的难易程度。挖矿难度取决于网络上活跃矿工的数量，如果矿工算力提升，挖矿难度也会增加，确保区块生成速度保持稳定。9.3以太币的现状与前景9.3.2前景（1）以太坊的应用前景令牌系统——代表美元、黄金等资产的子货币、公司股票、智能资产、优惠券、积分等。——去中心化、安全、不可造伪。金融衍生产品和价值稳定货币——智能合约应用广泛，需引入外部价格信息。——解决加密资产价格不稳定的问题，不需要储备资产发行者，通过去中心化市场实现。去中心化储存和云计算——使用以太坊区块链分布式存储文件，降低成本。——用户可出租未利用的硬盘空间或计算资源获取收益。9.3以太币的现状与前景9.3.2前景（1）以太坊的应用前景4、去中心化自治组织——通过区块链技术实现虚拟实体的资金分配和管理。——成员共同决策，拥有同等权利。5、储蓄钱包——通过智能合约保护资金安全，防止私钥被盗或忘记。——提供多重签名和每日提款限额等功能。9.3以太币的现状与前景9.3.2

前景（2）以太坊的潜在风险储存空间和算力浪费的风险——区块链扩展性问题，节点存储空间和计算资源需求大。——大区块链可能导致中心化风险，节点信息不全面可能导致欺诈。监管风险——数字货币法律地位不明确，可能与反洗钱、反恐融资等法律冲突。——以太坊的匿名性和灵活性带来监管挑战。9.3以太币的现状与前景9.3.2

前景（2）以太坊的潜在风险3、匿名性与透明性边界不清晰——交易匿名性相对，所有交易记录公开可追踪。——用户隐私可能受到技术手段的威胁。4、技术安全风险——区块链技术仍不成熟，存在安全漏洞和攻击风险。——51%攻击、加密算法破译等可能性。——DAO事件暴露出以太坊在安全和去中心化理念上的矛盾。9.3以太币的现状与前景9.3.2

前景以太坊未来前景广阔，可能会在多个领域实现突破性应用。（1）金融应用以太坊可以用于构建金融衍生品、对冲合约、储蓄钱包等多种金融应用。（2）半金融应用