Vitalik：以太坊的设计构思（一）_以太坊

Vitalik：以太坊的设计构思（一）

编者注：本译文翻译的第一个版本号常见于这里，此次再版早已过审校。在这里对原译员 kim 表示感激。

全文的创作時间不确定性，但可将其视作一个起点，思考以太坊的设计构思及其以太坊在这里两年间的演变。既是思考其自主创新，也是思考其有考虑不周的地区。

虽然以太坊的很多核心理念在以前的密码算法贷币（如比特币）上早已应用并检测了5年之久，但从一些协议作用的解决方式 上而言，以太坊与普遍方法仍有很多不一样。并且，以太坊可用以开发设计全新升级的经济发展专用工具，因为它具备别的系统软件不具有的很多作用。文中会详细说明以太坊全部的潜在性优势，及其在搭建以太坊协议全过程中一些有异议的地区。此外，也会强调大家的计划方案及取代计划方案的潜在性风险性。

以太坊协议的设计方案遵照以下几个方面标准：

三明治繁杂实体模型（也可以译为 “复杂性分层次实体模型” ）：大家觉得以太坊的最底层协议应尽量的简易，接口设计应便于了解（无论是朝向开发人员的高級计算机语言插口，或是以用户为中心的应用插口）。这些难以避免的繁杂一部分应放进内层。内层不写作关键的共识的一部分，且对终端用户不由此可见，它包括：程序设计语言c语言编译器、主要参数实例化和反序列化脚本制作、储存算法设计实体模型、leveldb 储存插口及其连接网络协议等。自然，区别的界限并不是肯定确立的，有时必须酌情考虑调节。

随意：不可限定客户应用以太坊协议，都不应尝试优先选择适用或不兼容一些以太坊合同或交易。这一点与 “网络中立” 定义身后的具体指导标准类似。比特币交易协议就 沒有 遵照这一标准：比特币交易协议并不激励区块链技术的 “非传统主要用途（off-labal purpose）” （如，数据储存，元协议）（审校注：off-labal 的本意为将药品用在其历经准许的适用范围以外的病症上，比如应用咳嗽药来医治头疼。这里直译为 “非传统主要用途” ）；并且，有时也有人买 准-协议层 的变动（比如将 OP_RETURN 字段名的长短限定在 40 字节数）来进攻以 “没经受权” 的方法应用区块链技术的运用（审校注：这里是在讥讽比特币的小区有核查比特币区块链技术使用方法的趋向）。因而，在以太坊，大家坚定不移适用仅应用交易服务费来达到大致激励相容的方法 —— 客户耗费全部互联网越多資源，必须投入的成本就越高，也即便其自身担负成本费（即庇古税）。

广泛：以太坊协议的特点和操作码应最大限度地反映基层的定义（如同微观粒子一样），便于他们能够随便组成，包含组成出今日来看没有什么用、但将来很有可能有效的物品。并且，根据脱离这些不用的作用，基层的定义能够更为高效率。遵照这一标准的事例是，大家挑选 LOG 操作码做为向 dapp 给予信息内容的方法，而不是像以前那般纪录下全部交易和信息。在以前，“信息（message）” 的定义完全是多种多样定义的结合，它包括 “调用函数（function call）” 和 “外在观测者有兴趣的事情信息内容（event）” ，而二者是彻底能够分离出来起来的。

沒有特性便是较大 的特性：为了更好地遵照广泛标准，大家回绝将这些高級测试用例嵌入为协议的一部分，就算是常常应用的测试用例，也决不那么做。假如大家确实想完成这种测试用例，能够在合同内建立子协议（如，根据以太坊的子贷币，比特币/以太币/狗币的主链等）。例如，在以太坊中就缺乏相近比特币中的 “時间锁” 作用。可是，根据下列协议能够模拟这一作用：客户推送签字数据文件到特殊的合同中解决，假如数据文件在特殊合同中合理，则实行相对应的涵数。

不厌烦风险性：假如风险性的提升产生了丰厚的益处，大家想要担负高些的风险性（比如，通用性的状态变换，出块时间降低 50 倍，的共识高效率，这些）。

这种标准具体指导着以太坊的开发设计，但他们并并不是肯定的；一些状况下，为了更好地降低开发设计時间或是不期待一次做出太多更改，也会使大家延迟做出一些改动，把它留在未来的版本号中去改动。

这节对以太坊中区块链技术层协议的更改开展了叙述，包含区块链和交易是怎样工作中的、数据信息怎样实例化及储存、账户身后的体制。

比特币以及很多变异，都将客户的账户余额信息内容储存在 UTXO 构造中，系统软件的全部状态由一系列的 “未耗费的輸出” 构成（能够将这种 “未耗费的輸出” 想像成古钱币）（审校注：更强的一个形容可能是 “银行汇票”。）。每一个 UTXO 都是有拥有人和本身的使用价值特性。一笔交易在消費多个 UTXO 与此同时也会转化成多个新的 UTXO；而交易遭受以下实效性规定的管束：

1.每一个被引入的键入务必合理，且未被应用过；2.交易的签字务必与每单键入的使用者签字配对；3.键入的总价值务必相当于或超过輸出的总价值。

因而，比特币系统软件中，客户的 “账户余额” 是该客户的公钥可以合理签字的全部 UTXO 的总数。下面的图展现了比特币系统软件中交易I/O全过程：

比特币常用的三式记账法 

可是，以太坊抛下了 UTXO 的计划方案，继而应用更简易的方式 ：选用状态（state）的定义储存一系列账户，每一个账户都是有自身的账户余额，及其以太坊独有的数据信息（编码和內部储存器）。假如交易发起者的账户账户余额充足付款交易花费，则交易合理，那麼发起者账户会扣减相对应额度，而接受账户则记入该额度。一些状况下，接受账户内有必须实行的编码，则交易会开启该编码的实行，那麼账户的內部储存器很有可能会产生变化，乃至很有可能会建立附加的信息发给别的账户，进而造成新的交易产生。

虽然以太坊沒有选用 UTXO 的定义，但 UTXO 也不缺有一些优势：

较高水平的个人隐私保护：假如客户每一次交易都应用一个新的详细地址，那麼账户中间的互相关系就很艰难。那样做适用对安全系数规定高的贷币系统软件，但并不是对一切 dapp 都适合。由于 dapp 一般必须追踪客户繁杂的关联状态，而 dapp 的状态并不可以像贷币系统软件中的状态那样简单地区划。

潜在性的扩展性：理论上而言，UTXO 与一些种类的扩展性计划方案（scalability paradigm）更切合，由于只应持币者有着可以证实自身贷币使用权的内塔尼亚胡证实就可以，即便全部的人（包含 TA 自己）都忘却了这一数据信息，真真正正损伤也这个人，别人不受影响。在以太坊账户系统软件中，假如任何人都遗失了某一账户相匹配的默克尔树一部分，那麼该账户将没法解决一切可以危害它的信息，包含发给它的信息，它也没法解决。但是，并不是仅有 UTXO 可以可拓展，也存有不依靠 UTXO 就能拓展的方法（这里沒有拓展开而言，译员注）。

账户的益处有以下几个方面：

节约很多室内空间：假如一个账户有 5 个 UTXO，则从 UTXO 方式转成账户方式，所需室内空间会从 300 字节数降至 30 字节数。实际测算以下：300 = (20 32 8）* 5 （20 是详细地址字节，32 是 TX 的 id 字节，8 是面值占有的字节）; 30 = 20 8 2 （20 是详细地址字节，8 是账户账户余额值字节，2 是 nonce 2 字节）；但具体节省并沒有这么大，由于账户必须被储存在帕特里夏树中。此外以太坊中交易也比比特币中的更小（以太坊中 100 字节数，比特币中 200-250 字节数），由于每一次交易只必须转化成一次引入，一次签字，及其一个輸出。

可公差配合更强：UTXO 构造并沒有区块链技术层的定义，因此 无论是在技术性或是法律法规上，根据创建一个红名单/信用黑名单，并根据的这种 “合理輸出” 的来源于区别他们并并不是很具体。

简易：以太坊编号更简易、更便于了解，尤其是在牵涉到繁杂脚本制作时。虽然一切区块链技术运用都能够用 UTXO 方法来（凑合）完成，但这类方法本质上是授予脚本制作限定给出的 UTXO 能够輸出的 UTXO 的类型以及应用标准（例如必须包括默克尔树证实来协助脚本制作所相匹配的运用变更状态根）的工作能力。因而，UTXO 完成方法比以太坊应用账户的方法要繁杂的多。

轻手机客户端：轻手机客户端能够随时随地根据沿特定方位扫描仪状态树来浏览与账户有关的全部数据信息。在 UTXO 方式中，每单交易必须采用的引入都不一样，这针对长期运作并应用了上文提及的 UTXO 根状态散播体制的 dapp 运用而言，毫无疑问是繁杂的。

大家觉得，账户的益处大大的超出了别的方法，尤其是针对大家要想适用的、可包括随意状态和编码的 dapp 运用来讲。此外，秉着 “沒有特性便是较大 的特性” 的具体指导标准，大家觉得假如客户确实关注私密，则能够根据合同中的签字数据文件协议来创建一个数据加密 “混币器（mixer and coinjoin）” 搞混付款途径。

账户方法的一个缺点是：为了更好地阻拦中间人攻击（replay attack，指让同一笔交易反复实行），每单交易务必有一个 “nonce”（单号）。因而，每一个账户都需要有一个自动更新的 nonce 值，每一笔新交易都是在账户 nonce 值上增长 1 做为自身的 nonce（并在交易解决以后按此值升级账户的 nonce 值）（审校注：在账户方式下，假如交易不附加这类低值易耗的标志符，交易就可被反复解决，那样接受账户能够一遍又一遍地收款且无需投入一切成本，而发账的账户会被吸走；以太坊账户的 nonce 随所进行的交易获得解决而增长，就解决了这个问题）。这就代表着，即便不会再应用的账户，也不可以从账户状态中清除。处理这个问题的一个简易方式 是让交易包括一个区块链号，使他们在一段时间后就没法再被播放，而且每过一段时间范围重设 nonce。

若想在状态中删掉某一账户（例如长期性不应用的账户），就务必先 “ping” 出他们来，而详细扫描仪区块链技术协议的花销是十分大的。在1.0上大家沒有完成这一体制，1.1及之上版本号很有可能会应用这一体制。

审校注：这就是以太坊日后遭遇的 “状态发生爆炸” 难题的技术性缘故：全部状态数据信息务必详细储存，没法有效地删掉账户。做为一种区块链技术协议，以太坊的连接点不但要对事务管理（交易）的次序达成一致，还需要对全局性状态达成一致（表达形式便是区块链头上必须包含状态根。因而，若要删掉状态，也必须各大网站的的共识，不然会深陷瓦解。

审校注：这类以 nonce 来标识账户交易次序的作法，也促使客户的交易务必次序实行，假如一笔交易没法获得解决，应用事后 nonce 的交易也没法获得解决。有关 “加快” 已传出的交易的上弦进展，见本文。

内塔尼亚胡帕特里夏树（Merkle Patricia tree/trie），由 Alan Reiner 明确提出构想，并在瑞波协议中获得完成，是以太坊的关键算法设计，用以储存全部账户状态，及其每一个区块链中的交易和收条数据信息。MPT 是默克尔树和帕特里夏树的融合，融合这二种树建立的构造具备下列特性：

任一组 键-值对 所相匹配的根哈希值全是唯一的，要想假称某一 键值对 存有于某棵树枝是一定会被揭穿的（除非是网络攻击有着约 2^128 的算率）。

增、删、改 一个键值对的算法复杂度是多数等级。

MPT为大家给予了一个高效率、易升级、且意味着全部状态树的 “指纹识别” 。有关MPT更详细说明：https://github.com/ethereum/wiki/wiki/Patricia-Tree。

MPT的实际设计方案管理决策以下：

有两大类连接点：KV 连接点和离散变量连接点。KV连接点的存有提升 了高效率，由于假如在特殊地区树是稀少的，KV连接点可做为一个 “近道” 来缩小树的高宽比（阅读文章 MPT 的详细描述可掌握大量关键点）。

离散变量连接点是十六进制，并不是二进制：那样让搜索更高效率，大家如今了解到这类挑选并不理想化，由于十六进制树的搜索高效率在二进制中能够根据批号储存连接点来仿真模拟。可是，MPT 树形结构的完成是很容易错误的，最后最少会导致状态根不配对，因此 我们决定闲置变动，直到 1.1 版本号再聊。

空值（empty value）和非组员（non-membership）中间沒有差别：那样做是为了更好地简单化逻辑性，以太坊中未开启的账户的值（账户余额）默认设置为 0，空字符串也用 0 表明。殊不知，必须注重的是，那样做放弃了一些实用性，因此也不是最佳的。

终节点（terminating）和非终节点的差别：技术性上，标志一个节点 “是不是终节点” 是没必要的，由于以太坊中全部的树都被用以储存固定不动长短（即键的长短）的数据信息，但为了更好地提升实用性，大家依然会加上这一标志，以期待以太坊的 MPT 的完成方法可以被别的密码算法贷币原状采取。

在 “安全性树”（状态树和账户储存树）中选用 SHA3(k) 做为键：应用 SHA3(k)，要想根据转化成很多的账户（账户数最多可让状态树达到 64 层！）并反复启用 SLOAD 和 SSTORE 操作码来 DoS 进攻的难度系数会进一步提高。留意，这也让枚举类型树越来越更艰难；假如使得你的手机客户端具有枚举类型的作用，非常简单的方式 便是维护保养一个投射 sha3(k) -> k 的数据库查询。

审校注：这儿的意思是，假如应用 k 做为默克尔树储存数据信息的键，其遍布很有可能很稀少，而网络攻击能够非常容易地整体规划出必须很深的树途径来储存的账户，并对这种账户反复启用状态浏览实际操作，为此导致互联网中的节点过载运作，可是，哈希函数的結果是随机分布的，以 sha3(k) 做为键能够使键的遍布比较匀称，树高就会较矮）。

这类特点也是有得有失，这一方面代表着 DoS 进攻会越来越更艰难，另一方面，也促使一个区块链中的买卖的状态树浏览途径，非常少有重叠的，因而每一次检索全是复杂性最烂的情况。

除此之外，这也促使 MPT 不适合完成 “无状态性”（区块链本身带上认证需要的数据信息、认证者不用具备全局性状态），由于状态浏览的途径不重叠，直接证据的室内空间高效率也是最烂情况。自然，还可以说，默克尔树直接证据的室内空间高效率自身也不足高

RLP（recursive length prefix）：递归算法长短作为前缀。

RLP 编号是以太坊中关键的实例化格式，它的应用无所不在：区块链、买卖、账户状态及其网络层协议信息。详细 RLP 宣布叙述： https://github.com/ethereum/wiki/wiki/RLP

RLP 致力于变成高宽比简单化的实例化格式，它唯一的目地是储存嵌入的字节数二维数组 3。有别于 protobuf、BSON 等目前的解决方法，RLP并不界定一切特定的基本数据类型，如 Boolean（布尔值）、float（浮点型）、double 或是 integer（整数金额）。它只是是以嵌入二维数组的方式存储结构体，由协议书来明确二维数组的含意。RLP 都没有显式适用 map 结合，半官方的提议是选用 [[k1, v1], [k2, v2], ...] 的嵌入二维数组来表明键值对结合，k1,k2 ... 依照字符串数组的规范排列。

与 RLP 具备同样作用的计划方案是 protobuf 或 BSON，他们是一直被应用的优化算法。殊不知，以太坊中，大家更偏重于应用 RLP，由于：（1）它便于完成；（2）肯定确保字节数的一致性。

很多语言表达的键值对结合沒有确立的排列，而且浮点数格式有很多特殊情况，这很有可能导致同样数据信息却造成不一样编号和不一样哈希值。根据內部开发设计协议书，大家能保证 它是带上这种总体目标设计方案的（它是一般标准，也适用编码的别的一部分，如vm虚拟机）。BitTorrent 应用的编码方法 bencode 或许能够取代 RLP。但是它选用的是十进制的编码方法，与选用二进制的 RLP 对比，略微稍逊了点。

网络层协议和数据库查询都选用了一个自定的压缩算法来储存数据信息。该优化算法可叙述为：对 0 应用行程安排编号 4 并与此同时保存别的值（除开一些特殊情况如 sha3(' ') ），举例说明以下：

>>> compress('horse')'horse'>>> compress('donkey dragon 1231231243')'donkey dragon 1231231243'>>> compress('\\xf8\\xaf\\xf8\\xab\\xa0\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\x00\\xbe{b\\xd5\\xcd\\x8d\\x87\\x97')'\\xf8\\xaf\\xf8\\xab\\xa0\\xfe\\x9e\\xbe{b\\xd5\\xcd\\x8d\\x87\\x97'>>> compress("\\xc5\\xd2F\\x01\\x86\\xf

e":"200201","errmsg":"传进参数 澳大利亚墨尔本出现有关Vitalik的街头画作:据Redidit网友爆料，近日，一幅画有以太坊创始人Vitalik的街头艺术创作出现在了澳大利亚墨尔本街头。[2021/4/6 10:03:09]

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