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以太坊

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以太坊（以太币）
以太坊
原作者加文·伍德（英语：Gavin Wood）[1]
開發者以太坊基金会、超级账本、Nethermind、OpenEthereum、EthereumJS
当前版本
  • 1.12.2（2023年8月13日；穩定版本）[2]
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源代码库
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编程语言C++、Go、JavaScript、Python、Java、node.js
操作系统Linux, Windows, macOS, POSIX（客户端）
平台x86-64, ARM
文件大小694.37 GB [GETH客戶端] (2022-05-09), 636.82 GB [OpenEthereum客戶端] (2022-05-09)
类型去中心化计算
许可协议开源许可证
网站ethereum.org

以太坊（Ethereum）是一个去中心化、开源并且具备智能合约功能的公共区块链平台，[3][4]以太币（ETH）是以太坊的原生加密货币。截至2024年3月，以太币是加密市场市值第二高的加密货币，仅次于比特币，市值为3.2兆人民币，同时以太坊也是目前用户使用最多的区块链之一。

2013至2014年间程序员維塔利克·布特林受比特币启发，首次提出以太坊概念，大意为“下一代加密货币与去中心化应用平台”[5]，并在2014年通过ICO众筹得以開始發展[6]。该网络于2015年6月30日上线，以该网络为基础的去中心化金融（DeFi）应用程序让用户可以不直接依赖经纪人、交易所或银行等金融中介机构，通过自身持有的加密货币就可以抵押借款或将其借出以获取利息。[7]

以太坊还允许用户创建和交换不可替代的代币（NFT），这些代币可以与独特的数字资产（例如图像）相关联。此外，许多其他加密货币在以太坊区块链之上利用 ERC-20 代币标准，进行首次代币发行。在众多用户眼中，以太坊亦被称为“第二代的区块链平台”，仅次于比特币[8]。

2022年9月15日，以太坊在称为“合并”的升级过程中将其共识机制从工作量证明（PoW）过渡到权益证明（PoS），此举使以太坊的能源使用量减少了99%。[9]

特點

相較於較大多數其他加密貨幣或區塊鏈技術，以太坊的特點包括以下幾點：

  • 智能合约：儲存在區塊鏈上的程式，由各節點執行，需要執行程式的人支付手續費給節點的礦工或權益人。[10]
  • 分散式應用程式：以太坊上的分散式應用程式不會停機，也不能被關掉。
  • 代幣（tokens）：智能合約可以創造代幣供分散式應用程式使用。分散式應用程式的代幣化讓使用者、投資者以及管理者的利益一致。代幣也可以用來進行首次代幣發行。
  • 权益證明：相較於工作量證明更有效率，可節省大量在挖礦時浪費的電腦資源，並避免特殊應用積體電路造成網路中心化。2022年9月15日與主鏈合併[11]。
  • 燃料（gas）：由交易手續費的概念擴充，在執行各種運算時需計算燃料消耗量，並繳交燃料費，包括傳送以太幣或者其他代幣也被視為一種運算動作。
  • 原丹克分片（Proto-Danksharding）：在部份節點上暫存資料，以提升效率（尚未實作）。
  • 叔塊：此功能在轉為權益證明後已停用。原本功能是使用有向無環圖的相關技術，將因速度較慢而未及時被收入母鏈的較短區塊鏈併入，用以提升交易量。[10]

第二層功能

支鏈比較
主鏈驗證機制 交易資料寫入主鏈 交易資料不寫入主鏈
雙向通道 平行鏈
Optimistic 詐騙證明 Optimistic Rollup Plasma
零知識有效證明 zk Rollup Validium

除了在主鏈上執行的各種功能，為了支援智能合約所需的高運算量以及資料容量，以太坊也積極開發第二層功能來減輕主鏈的負擔、提升交易速度、擴展其實用規模。第二層功能大多在2019~2021年發展成形，目前的主要方案包括以下：

  • 狀態通道（state channels）：原理同比特幣的閃雷網路，將時常交易的一些結點之間的交易給果打包後再把最終結果寫入主鏈。實作的例子包括雷電網路（Raiden）[10]、Connext、Kchannels等。
  • 支鏈：用較小的分支或平行的區塊鏈執行一部份的運算，只將一部份的資料寫入主鏈，以減輕主鏈的負擔
    • 平行鏈：可能使用完全不同的區塊鏈結構和驗證機制，只在開頭和結尾用雙向橋接和主鏈相連。實作的例子有Skale、xDai、POA等。
    • Plasma 和 Validium支鏈：將大部份的合約執行和運算都移到支鏈上進行，只將最後交易結果寫入主鏈。此方案由於交易資料未寫入主鏈，安全性較差，但擴容效果較佳。實作的例子包括OMG、Polygon、Starkware、Loopring等。
    • Rollup支鏈：將鏈上資料複製一份，在鏈外用以太坊虛擬機（EVM）執行合約並確認後，將交易數據壓縮再寫入主鏈。主鏈上另有一系列合約可以驗證結果正確，可再分為 Optimistic 和零知識證明兩種驗證方式。[12]

開發歷史

以太坊程序升級歷史
名稱 啟用日期 啟用區塊 概要
邊境 2015-07-30 0
冰期 2015-09-08 200,000 加入挖礦難度炸彈
家園 2016-03-15 1,150,000 智能合約擴增功能
DAO 分叉 2016-07-20 1,920,000 復原DAO攻擊
橙哨 2016-10-18 2,463,000 提高交易成本反制DoS攻擊
假龍 2016-11-23 2,675,000 修正DAO分叉造成的重放攻擊
拜占庭 2017-10-16 4,370,000 加密演算法擴增、難度炸彈延後、挖礦獎勵減少
君士坦汀堡/聖彼德堡 2019-02-28 7,280,000 智能合約功能擴增和優化、難度炸彈延後、挖礦獎勵減少
伊斯坦堡 2019-12-08 9,069,000 各種優化和新功能
繆爾冰川 2020-01-01 9,200,000 難度炸彈延後
ETH 2.0第0期 2020-12-01 （信標鏈）0 信標鏈啟用，允許權益證明的抵押（staking）
柏林 2021-04-15 12,244,000 新增交易方式、調整交易成本
倫敦 2021-08-05 12,965,000 交易手續費改由系統計算並且會銷毀而非交給礦工
牛郎星 2021-10-28 （信標鏈）74240 信標鏈升級，獎懲機制微調
艾羅冰河 2021-12-08 13,773,000 難度炸彈延後
格雷冰河 2022-06-30 15,050,000 難度炸彈延後
參宿五 2022-09-06 （信標鏈）144,896 信標鏈預備和區塊鏈結合
巴黎 2022-09-15 15,537,394 區塊鏈停止挖礦，完全轉為權益證明
五車二 2023-04-13 （信標鏈）194048 可提領權益證明中抵押的以太幣
上海市 2023-04-13 17,034,871 可提領權益證明中抵押的以太幣
坎昆 2024-03-13 269,568 提升 Layer 2 网络的可扩展性和模块化，增强以太坊网络的安全功能，并改进整体可用性
禍害 未定 未定 將驗證過程拆分成提議和建造區塊鏈
邊界 未定 未定 利用零知識證明進一步簡化驗證過程
清除 未定 未定 利用零知識證明減少區塊鏈的資料量
揮霍 未定 未定 各種優化

起源

以太坊最初由維塔利克·布特林在2013年提出[13]。維塔利克本是一名參與比特幣社群的程式設計師，曾向比特幣核心開發人員主張比特幣平臺應該要有個更完善的程式語言讓人開發程式，但未得到他們的同意，因此決定開發一個新的平臺作此用途[14]:88。維塔利克認為很多程式都可以用類似比特幣的原理來達成進一步的發展[15]，在2013年寫下了《以太坊白皮書》，說明了建造去中心化程式的目標[15][16]。然後2014年透過網路公開募資得到開發的資金，投資人用比特幣向基金會購買以太幣[6]。

最初以太坊程式是由一間位在瑞士的公司 Ethereum Switzerland GmbH 開發[17][18]，之後轉移至一個非營利機構「以太坊基金會」（Ethereum Foundation）[6]。在平臺開始發展的最初，有人稱讚以太坊的科技創新，但也有人質疑其安全和可擴展性。[15]

以太坊的開發計畫，主要分為四個階段：邊境（Frontier，也有「前鋒」的意思）、家園（Homestead）、都會（Metropolis）、寧靜（Serenity）。

邊境（2015年）

以太坊的公共區塊鏈在2015年7月30日啟動[19][20]，最初的版本稱為「邊境」，用的是工作量證明（proof-of-work）的演算法，但未來預期會轉換成权益證明（proof-of-stake）[14]:32。啟用後不久進行了第一次分叉，調整未來挖礦的難度，確保未來的使用者會有轉換至权益證明的動機[21]。邊境最初只能挖礦，主要功能是讓使用者有時間加入以太鏈，過了幾天後才能交易和使用智能合約。

家園（2016年）

2016年春季進行了第二次分叉，釋出了第一個穩定版本，稱作「家園」（Homestead）。

2016年六月，以太坊上的一個去中心化自治組織 The DAO 被駭，造成市值五千萬美元的以太幣被移動到只有該駭客可以控制的「分身DAO」[22][23]。因為程式不允許駭客立即提取這些以太幣，以太坊使用者有時間討論如何處理此事[24]，考慮的方案包括取回以太幣和關閉DAO，而DAO去中心化的本質也表示沒有中央權力可以立即反應，而需要使用者的共識[24][23]。最後在2016年7月20日，以太坊進行硬分叉，作出一個向後不兼容的改變，[25]讓所有的以太幣（包括被移動的）回歸原處，而不接受此改變的區塊鏈則成為以太坊經典[26]。這是第一次有主流區塊鏈為了補償投資人，而透過分叉來更動交易记录[25]。

在分叉以前就持有以太幣的人會同時持有以太幣和以太幣經典（Classic Ether, ETC），存在交易所或線上錢包中的以太幣也不例外。這些線上服務大多選擇只支持其中一種以太幣，並讓使用者領回另一種以太幣[27]。在這次分叉之後，造成了在兩個區塊鏈之間進行重放攻击的可能，加上其他網路攻擊，讓以太坊和以太坊經典又各自進行了數次分叉來避免攻擊[28][29]。其中2016年11月底的分叉因為溝通疏失，短暫造成以太坊的兩個主要用戶端程序 Parity 和 Geth 失去共識而產生意外的分叉，但問題在數小時內即被找出並修正[30]。

都會（2017~2019年）

「都會」的開發遇到許多延遲，升級分成了三次分叉，2017年10月的「拜占庭」、2019年2月的「君士坦丁堡」和「聖彼德堡」、以及2019年12月的「伊斯坦堡」。這些升級主要改善智能合約的編寫、提高安全性、加入難度炸彈以及一些核心架構的修改，以協助未來從工作量證明轉至權益證明。安全性升級包括讓以太坊可以使用零知識證明的zk-SNARKs和zk-STARKs，也能和Zcash鏈互通。[31][32][33]

在使用方面，2017年以太坊和比特幣首次進行了原子交換（atomic swap），用智能合約讓不同鏈上的加密貨幣互相交易[34]。ERC-20也在2017年成為標準，成千上萬個專案透過以此進行集資，稱作「首次代幣發行」（Initial Coin Offering, ICO）。2019年DeFi和MakerDAO等金融商品成為以太鏈上最大的產業。三星手機、Opera瀏覽器以及微軟都開發了以太坊的相關程式。[33]

在以太幣的價格方面，2017年從年初的10美金開始暴漲，至2018年初漲到1400美元。然而在2018年，人們對區塊鏈的熱潮慢慢退卻，至年底價格又跌至85美元。[33]

寧靜（2020~至今）

「寧靜」又稱為「以太坊2.0」，主要目標是轉換至權益證明，並開發第二層擴容方案。分成三階段升級：柏林、倫敦、以及雙鏈合併[35]。在完成雙鏈合併後（Merge），則有五個階段：涌升（Surge）、禍害（Scourge）、邊界（Verge）、清除（Purge）、揮霍（Splurge）。

權益證明所需的信標鏈在2020年12月1日上線，並允許權益證明的抵押，但尚不能提領。至2021年11月，已有8百萬以太幣加入權益證明的抵押，約佔總發行量的7%。2021年進行了柏林和倫敦分叉，並升級了信標鏈，為未來轉換至權益證明作準備，並透過銷毀手續費和降低區塊獎勵的方式控制總發行量。

2022年9月15日，以太坊合并完成，主网与PoS共识层信标链（Beacon链）结合、将此前PoW工作量证明机制转变为PoS权益证明机制，宣布以太坊正式进入2.0时代[36]。此举意味着，以太坊将告别大规模矿机挖矿时代，持有者通过质押以太坊代币（ETH）即可挖矿，质押门槛为32个ETH[36]。

以太幣

以太币
使用地区
使用地全球
发行历史
始发时间2015年7月30日
货币单位
 1以太（Ether）
 10−3芬尼（finney）
 10−6萨博（szabo）
 10−18維（wei）
货币符号Ξ[37], ETH
货币估值
货币供给不明[38]

以太坊區塊鏈上的代幣稱為以太幣（Ether），代碼為ETH[39]，可在許多加密貨幣的外匯市場上交易[40]，它也是以太坊上用來支付交易手續費和運算服務的媒介[41][42] 。以太幣的總發行量不明，因為權益證明的具體運作方式仍在研究中，而雖然難度炸彈限制了工作量證明的挖礦的區塊數量上限，但因為叔塊也有獎勵，而且叔塊的數量並不一定，造成確切數量難以估算[38]。

以太幣對其他實體貨幣的匯率可能在短時間內大幅變化，例如2016年The DAO被駭時，對美元的匯率從 $21.50 跌至 $15[23]，而2017年初到2018年初的的一年間從大約10美金漲到1400美元[33]。

維塔利克在2016年4月售出手上持有的四分之一以太幣，造成一些人質疑，而他本人則說這是理財上很合理的分散風險，並引用前比特幣開發員 Gavin Andresen 說這一切都還只是一場實驗，仍有失敗的可能。[43][44]

智慧合約

主条目：智慧合約

以太坊最重要的技術貢獻就是智慧合約。智慧合約是儲存在區塊鏈上的程式，可以協助和驗證合約的談判和執行。以太坊的智慧合約可以數種用圖靈完備的程式語言寫成[45]。紐約時報稱以太坊平臺是一台由眾多使用者構成的網路來運轉的公用電腦，並用以太幣來分配和支付這台電腦的使用權[41]。經濟學人則說明智慧合約可以讓眾多組織的資料庫得以用低廉的成本互動，並且讓使用者寫下精密的合約，功能之一是產生去中心化自治組織，也就是一間只是由以太坊合約構成的虛擬公司。[46]

因為合約內容公開，合約可以證明其宣稱的功能是真實的，例如虛擬賭場可以證明它是公平的[47]。另一方面，合約的公開性也表示如果合約中有漏洞，任何人都可以立刻看到，而修正程式可能會需要一些時間[48]。The DAO 就是一個例子，無法即時阻止[22]。

智慧合約的許多細節仍在研究中，包括如何驗證合約的功能。微軟研究院的報告指出要寫出完善的合約可能非常困難，討論了微軟開發的一些可以用來驗證合約的工具，並提到如果大規模分析各個已發佈的合約，可能發現找出大量的漏洞。報告也說可以證明Solidity程式和以太虛擬機編碼的等同性。[49]

程式語言

主条目：Solidity

Gavin Wood寫的《以太坊黃皮書》中定義了以太虛擬機的運作流程[50]。智慧合約可以專門為此開發的Solidity程式語言寫成，或是Python的一個變體Serpent[51]，或是LLL[52]。以太虛擬機也可以在Mutan上運行[53]。智慧合約之後會編譯成位元組碼，然後發佈在以太坊區塊鏈上[52][54]。

運行效率

將所有合約存在區塊鏈上每個結點的作法有好有壞[55]。主要的缺點是所有的結點都同時要運算所有的合約，因此速度較慢[55]。開發人員正研究將資料切分（Sharding）的技術套用至以太坊[55]。2016年9月維塔利克發表了改善可擴展性的企畫[56]。截至2016年1月，以太坊每秒可以處理25個交易[55]。

實作

智慧合約的潛在應用很多。彭博社商業週刊稱它是「所有人共享但無法篡改的軟體」[57]。更高階的軟體有可能用以太坊建立網路商店[6]。

區塊鏈程式

以太坊可以用來建立去中心化的程式、自治組織和智慧合約，據紐約時報的報導，在2016年5月已經有數十個可用的程式[41][42]。預期的應用目標涵蓋金融、物聯網、農田到餐桌（farm-to-table）、智慧電網、體育賭博等[41]。去中心化自治組織有潛力讓許多原本無法執行或成本過高的營運模型成為可能[58]。目前較知名的應用有：

  • 遊戲：CryptoKitties讓玩家繁殖及交易虛擬貓[59]。
  • 類龐氏騙局的賭局遊戲：Fomo 3D，不同於傳統的龐氏騙局，最後一位加入賭局中的人可獲得總資金盤中的48%[60]
  • 虛擬寶物交易平臺：FreeMyVunk[61]。
  • 去中心化創業投資：The DAO用以太幣資金創立，目標是為商企業和非營利機構建立新的去中心化營業模式[62][63][64][41][63]、The Rudimental讓獨立藝術家在區塊鏈上進行群眾募資[65]。
  • 社會經濟平臺：Backfeed[66]。
  • 去中心化預測市場：Augur[67]。
  • 物聯網：Ethcore（一間以太坊公司）研發的客戶端[68]、Chronicled（一間區塊鏈公司）發表了以太坊區塊鏈的實物資產驗證平臺；晶片公司、物理IP創建者和生產者可以用植入的藍牙或近場通訊進行驗證[69]。Slock.It開發的智慧鎖可以在付費後自動開啟，讓使用者在付費後可以幫電動車充電、或是打開租屋的房門[70]。
  • 版權授權：Ujo Music平臺讓創作人用智慧合約發佈音樂，消費者可以直接付費給創作人。伊莫珍·希普用此平臺發布了一首單曲[71]。
  • 智慧電網：TransActive Grid讓使用者可以和鄰居買賣能源[72]。
  • 去中心化期權市場：Etheropt[73]。
  • 釘住匯率的代幣：DigixDAO提供與黃金掛鈎的代幣，在2016年四月正式營運[6][74][75]。Decentralized Capital提供和各種貨幣掛鈎的代幣[76]。
  • 行動支付：Everex讓移工匯款回家鄉[77]。

客戶端軟體

以太坊的2個主要的客戶端軟體是Geth和Parity。

企業軟體

企業軟體公司也正測試用以太坊作為各種用途。已知有興趣的公司包括微軟、IBM、摩根大通[41]。

  • 德勤和ConsenSys在2016年宣佈成立數位銀行Project ConsenSys[78]。
  • R3公司在Microsoft Azure上執行私人以太坊區塊鏈，將11間銀行連接至一本分散式帳薄（distributed ledger）[42]。
  • Microsoft Visual Studio提供程式開發者使用Solidity程式語言[79]。
  • 英國政府中負責推動創新的機構Innovate UK提供了近25萬英鎊給Tramonex用以太坊發展跨國支付系統[80][81]。

認許制記帳

目前有許多方案正在研究使用以太坊建立認許制的區塊鏈。

  • 摩根大通打算用以太坊上建立一個私人區塊鏈「Quorum」。其功能是洗亂衍生性金融產品及其交易紀錄來保護交易者的隱私，但同時符合金融管制單位在資訊公開上的要求，以期在保障隱私和資訊公開之間找到平衡。[82]
  • 蘇格蘭皇家銀行用以太坊的分散式記帳和智慧合約平臺建立了一個結算交割機制（Clearing and Settlement Mechanism, CSM），可以達成每秒100筆交易、模擬六間銀行，平均每個trip在3到8秒間完成，這些數值用在於全國的支付系統是可接受的[83]。

採用

2016年五月，紐約時報指出以太坊的採用仍在初期階段，並可能遇到讓成長率減緩的技術或法律問題。許多比特幣支持者認為以太坊比比特幣複雜，所以可能需要面對更多的安全問題。報導也指出這個系統複雜到熟知這個系統的人也很難用普通人的語言來描述它。[41]

微軟和ConsenSys合作，在 Microsoft Azure上提供第三方開發的區塊鏈工具，包括交易股票和跨境支付等用途。[4]

盧森堡交易所在2016年10月開始提供用以太坊產生的數位簽章來證明文件的真實性[84]。

新加坡金融管理局使用以太坊將新加坡元數位化。[85]

交易以外的用途

因區塊鏈技術難以刪改資料的特質，部分人會運用加密貨幣上傳資料以免被他人刪改。 2018年4月，在北大岳昕事件中，有用戶把岳昕的公開信上載到以太坊的交易記錄，以免被校方刪除[86]。

2019年6月，部分香港警察的個人資料被示威者上載到以太坊的交易記錄，令有關當局難以追查上載者身分及刪除資料。[87][88] [89][90]。

参考资料

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参见

外部链接

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