011：Ethash算法|《ETH原理与智能合约开发》笔记

1. 011：Ethash算法|《ETH原理与智能合约开发》笔记

 待字闺中开发了一门区块链方面的课程：《深入浅出ETH原理与智能合约开发》，马良老师讲授。此文集记录我的学习笔记。
   课程共8节课。其中，前四课讲ETH原理，后四课讲智能合约。   第四课分为三部分：
   这篇文章是第四课第一部分的学习笔记：Ethash算法。
   这节课介绍的是以太坊非常核心的挖矿算法。
   在介绍Ethash算法之前，先讲一些背景知识。其实区块链技术主要是解决一个共识的问题，而共识是一个层次很丰富的概念，这里把范畴缩小，只讨论区块链中的共识。
    什么是共识？ 
   在区块链中，共识是指哪个节点有记账权。网络中有多个节点，理论上都有记账权，首先面临的问题就是，到底谁来记帐。另一个问题，交易一定是有顺序的，即谁在前，前在后。这样可以解决双花问题。区块链中的共识机制就是解决这两个问题，谁记帐和交易的顺序。
    什么是工作量证明算法 
   为了决定众多节点中谁来记帐，可以有多种方案。其中，工作量证明就让节点去算一个哈希值，满足难度目标值的胜出。这个过程只能通过枚举计算，谁算的快，谁获胜的概率大。收益跟节点的工作量有关，这就是工作量证明算法。
    为什么要引入工作量证明算法？ 
   Hash Cash 由Adam Back 在1997年发表，中本聪首次在比特币中应用来解决共识问题。
   它最初用来解决垃圾邮件问题。
   其主要设计思想是通过暴力搜索，找到一种Block头部组合（通过调整nonce）使得嵌套的SHA256单向散列值输出小于一个特定的值（Target）。
   这个算法是计算密集型算法，一开始从CPU挖矿，转而为GPU，转而为FPGA，转而为ASIC，从而使得算力变得非常集中。
   算力集中就会带来一个问题，若有一个矿池的算力达到51%，则它就会有作恶的风险。这是比特币等使用工作量证明算法的系统的弊端。而以太坊则吸取了这个教训，进行了一些改进，诞生了Ethash算法。
   Ethash算法吸取了比特币的教训，专门设计了非常不利用计算的模型，它采用了I/O密集的模型，I/O慢，计算再快也没用。这样，对专用集成电路则不是那么有效。
   该算法对GPU友好。一是考虑如果只支持CPU，担心易被木马攻击；二是现在的显存都很大。
   轻型客户端的算法不适于挖矿，易于验证；快速启动
   算法中，主要依赖于Keccake256 。
   数据源除了传统的Block头部，还引入了随机数阵列DAG（有向非循环图）（Vitalik提出）
                                           种子值很小。根据种子值生成缓存值，缓存层的初始值为16M，每个世代增加128K。
   在缓存层之下是矿工使用的数据值，数据层的初始值是1G，每个世代增加8M。整个数据层的大小是128Bytes的素数倍。
                                           框架主要分为两个部分，一是DAG的生成，二是用Hashimoto来计算最终的结果。
   DAG分为三个层次，种子层，缓存层，数据层。三个层次是逐渐增大的。
   种子层很小，依赖上个世代的种子层。
   缓存层的第一个数据是根据种子层生成的，后面的根据前面的一个来生成，它是一个串行化的过程。其初始大小是16M，每个世代增加128K。每个元素64字节。
   数据层就是要用到的数据，其初始大小1G，现在约2个G，每个元素128字节。数据层的元素依赖缓存层的256个元素。
   整个流程是内存密集型。
   首先是头部信息和随机数结合在一起，做一个Keccak运算，获得初始的单向散列值Mix[0]，128字节。然后，通过另外一个函数，映射到DAG上，获取一个值，再与Mix[0]混合得到Mix[1]，如此循环64次，得到Mix[64]，128字节。
   接下来经过后处理过程，得到 mix final 值，32字节。（这个值在前面两个小节《 009：GHOST协议 》、《 010：搭建测试网络 》都出现过）
   再经过计算，得出结果。把它和目标值相比较，小于则挖矿成功。
   难度值大，目标值小，就越难（前面需要的 0 越多）。
   这个过程也是挖矿难，验证容易。
   为防止矿机，mix function函数也有更新过。
                                           难度公式见课件截图。
   根据上一个区块的难度，来推算下一个。
   从公式看出，难度由三部分组成，首先是上一区块的难度，然后是线性部分，最后是非线性部分。
   非线性部分也叫难度炸弹，在过了一个特定的时间节点后，难度是指数上升。如此设计，其背后的目的是，在以太坊的项目周期中，在大都会版本后的下一个版本中，要转换共识，由POW变为POW、POS混合型的协议。基金会的意思可能是使得挖矿变得没意思。
   难度曲线图显示，2017年10月，难度有一个大的下降，奖励也由5个变为3个。
   本节主要介绍了Ethash算法，不足之处，请批评指正。

2. 以太坊的智能合约

智能合约是运行在计算机里面的，用于保证让参与方执行承诺的代码，般情况下，普通合约上记录了甲方与乙方各方面的关系条款，并通常是通过法律强制执行或保护的，而“智能合约”则是用密码或密钥来执行关系。以更加直接的角度来理解的话，即“智能合约”的程序内容将同-开始大家一起设定好的那样百分百执行，并且零差错。
  
 举个例子，以太坊用户可以使用智能合约在特定日期向朋友发送10个以太币。在这种情况下，用户可以操作创建一个合约，然后将程序推人该合约中进行特殊计算，以便它能够执行所需的命令。而以太坊就是专门把精力集中在这件事上的这么一个平台。
  
 比特币是第一个支持“智能契约”的资源币种，因为网络的价值在于把价值或数据从一个点或人转移到另一个点或人身上。节点网络只在满足某些条件时才会进行验证，但是，比特币仅限于货币用例。相反，以大坊取代了比特币那种带有不小限制性的编程语言，取而代之的是一种允许开发人员编写自己程序的语言。以太坊允许开发人员编写他们自己的“智能契约”，即“自主代理”或“自治代理”，正如ETH白皮书所称的那样。该编程语言是“图灵完备”语言，这意味着它支持一组更广泛的计算指令。智能合约能做些什么呢？
  
 1.“多签名”账户功能，只有在一定比例的人同意时才能使用资金。这个功能经常用在与众筹或募捐类似的活动中。
  
 2.管理用户之间所签订的协议。例如，一方从另一方购买保险服务3.为其他合同提供实用程序。
  
 4.存储有关应用程序的信息，如“域注册信息”或“会员信息记录”。概念有时候比较晦涩，我们举一个募捐的智能合约的例子来帮助理解：假设我们想向全网用户发起募捐，那就可以先定义一个智能账户，它有三个状态：当前募捐总量，捐款目标和被捐赠人的地址，然后给它定义两个函数：接收募捐函数和捐款函数。
  
 接收募捐函数每次收到发过来的转账请求，先核对下发送者是否有足够多的钱(EVM会提供发送请求者的地址，程序可以通过地址获取到该人当前的区块链财务状况)，然后每次募捐丽数调用时，都会比较下当前募捐总量跟捐款目标的比较，如果超过目标，就把当前收到的捐款全部发送到指定的被捐款人地址，否则的话，就只更新当前募捐总量状态值。
  
 捐款函数将所有捐款发送到保存的被捐赠人地址，并且将当前捐款总量清零。每一个想要募捐的人，用自己的ETH地址向该智能账户发起一笔转账，并且指明了要调用接受其募捐函数。于是我们就有一个募捐智能合约了，人们可以往里面捐款，达到限额后钱会自动发送到指定账户，全世界的矿工都在为这个合约进行计算和担保，不再需要人去盯着看有没有被挪用，这就是智能合约的魅力所在。

3. 以太坊智能合约是什么

以太坊是一个分布式的计算平台。它会生成一个名为Ether的加密货币。程序员可以在以太坊区块链上写下“智能合约”，这些以太坊智能合约会根据代码自动执行。

以太坊是什么？
以太坊经常与比特币相提并论，但情况却有所不同。比特币是一种加密货币和分布式支付网络，允许比特币在用户之间转移。

相关：什么是比特币？它是如何工作的？

以太坊项目有更大的目标。正如Ethereum网站所说，“以太坊是一个运行智能合约的分布式平台”。这些智能合约运行在“以太坊虚拟机”上，这是一个由所有运行以太网节点的设备组成的分布式计算网络。

“分布式平台”部分意味着任何人都可以建立并运行以太坊节点，就像任何人都可以运行比特币节点一样。任何想要在节点上运行“智能合约”的人都必须向Ether中的这些节点的运营商付款，这是一个与以太坊相关的加密货币。因此，运行以太网节点的人提供计算能力，并在以太网中获得支付，这与运行比特币节点的人提供哈希能力并以比特币支付的方式类似。

换句话说，虽然比特币仅仅是一个区块链和支付网络，但以太坊是一个分布式计算网络，其区块链可以用于许多其他事情。以太坊白皮书中提供了详细信息。

以太是什么？
以太网是与以太坊区块链相关的数字标记（或者说就是加密货币）。换句话说，以太是代币，以太坊是平台。但是，现在人们经常交替使用这些术语。例如，Coinbase允许你购买以太坊代币（Ethereum），即代表以太币代币。

这在技术上就是“altcoin”，这实际上意味着一个非比特币加密货币。和比特币一样，Ether也受到分布式区块链支持 - 在这种情况下是以太坊区块链。

想要在以太坊区块链上创建应用程序或以太坊 智能合约的开发人员需要以太网代币来支付节点来托管它，而基于以太坊的应用程序的用户可能需要以太网来支付这些应用程序中的服务费用。人们也可以在以太坊网络之外销售服务，并接受以太网支付，或者可以在交易所以现金形式出售以太币代币 - 就像比特币一样