eth共識演算法
『壹』 011：Ethash演算法|《ETH原理與智能合約開發》筆記
待字閨中開發了一門區塊鏈方面的課程：《深入淺出ETH原理與智能合約開發》，馬良老師講授。此文集記錄我的學習筆記。
課程共8節課。其中，前四課講ETH原理，後四課講智能合約。
第四課分為三部分：
這篇文章是第四課第一部分的學習筆記：Ethash演算法。
在介紹Ethash演算法之前，先講一些背景知識。其實區塊鏈技術主要是解決一個共識的問題，而共識是一個層次很豐富的概念，這里把范疇縮小，只討論區塊鏈中的共識。
什麼是共識？
在區塊鏈中，共識是指哪個節點有記賬權。網路中有多個節點，理論上都有記賬權，首先面臨的問題就是，到底誰來記帳。另一個問題，交易一定是有順序的，即誰在前，前在後。這樣可以解決雙花問題。區塊鏈中的共識機制就是解決這兩個問題，誰記帳和交易的順序。
什麼是工作量證明演算法
為了決定眾多節點中誰來記帳，可以有多種方案。其中，工作量證明就讓節點去算一個哈希值，滿足難度目標值的勝出。這個過程只能通過枚舉計算，誰算的快，誰獲勝的概率大。收益跟節點的工作量有關，這就是工作量證明演算法。
為什麼要引入工作量證明演算法？
Hash Cash 由Adam Back 在1997年發表，中本聰首次在比特幣中應用來解決共識問題。
它最初用來解決垃圾郵件問題。
其主要設計思想是通過暴力搜索，找到一種Block頭部組合（通過調整nonce）使得嵌套的SHA256單向散列值輸出小於一個特定的值（Target）。
這個演算法是計算密集型演算法，一開始從CPU挖礦，轉而為GPU，轉而為FPGA，轉而為ASIC，從而使得算力變得非常集中。
算力集中就會帶來一個問題，若有一個礦池的算力達到51%，則它就會有作惡的風險。這是比特幣等使用工作量證明演算法的系統的弊端。而以太坊則吸取了這個教訓，進行了一些改進，誕生了Ethash演算法。
Ethash演算法吸取了比特幣的教訓，專門設計了非常不利用計算的模型，它採用了I/O密集的模型，I/O慢，計算再快也沒用。這樣，對專用集成電路則不是那麼有效。
該演算法對GPU友好。一是考慮如果只支持CPU，擔心易被木馬攻擊；二是現在的顯存都很大。
輕型客戶端的演算法不適於挖礦，易於驗證；快速啟動
演算法中，主要依賴於Keccake256 。
數據源除了傳統的Block頭部，還引入了隨機數陣列DAG（有向非循環圖）（Vitalik提出）
種子值很小。根據種子值生成緩存值，緩存層的初始值為16M，每個世代增加128K。
在緩存層之下是礦工使用的數據值，數據層的初始值是1G，每個世代增加8M。整個數據層的大小是128Bytes的素數倍。
框架主要分為兩個部分，一是DAG的生成，二是用Hashimoto來計算最終的結果。
DAG分為三個層次，種子層，緩存層，數據層。三個層次是逐漸增大的。
種子層很小，依賴上個世代的種子層。
緩存層的第一個數據是根據種子層生成的，後面的根據前面的一個來生成，它是一個串列化的過程。其初始大小是16M，每個世代增加128K。每個元素64位元組。
數據層就是要用到的數據，其初始大小1G，現在約2個G，每個元素128位元組。數據層的元素依賴緩存層的256個元素。
整個流程是內存密集型。
首先是頭部信息和隨機數結合在一起，做一個Keccak運算，獲得初始的單向散列值Mix[0]，128位元組。然後，通過另外一個函數，映射到DAG上，獲取一個值，再與Mix[0]混合得到Mix[1]，如此循環64次，得到Mix[64]，128位元組。
接下來經過後處理過程，得到 mix final 值，32位元組。（這個值在前面兩個小節《 009：GHOST協議 》、《 010：搭建測試網路 》都出現過）
再經過計算，得出結果。把它和目標值相比較，小於則挖礦成功。
難度值大，目標值小，就越難（前面需要的 0 越多）。
這個過程也是挖礦難，驗證容易。
為防止礦機，mix function函數也有更新過。
難度公式見課件截圖。
根據上一個區塊的難度，來推算下一個。
從公式看出，難度由三部分組成，首先是上一區塊的難度，然後是線性部分，最後是非線性部分。
非線性部分也叫難度炸彈，在過了一個特定的時間節點後，難度是指數上升。如此設計，其背後的目的是，在以太坊的項目周期中，在大都會版本後的下一個版本中，要轉換共識，由POW變為POW、POS混合型的協議。基金會的意思可能是使得挖礦變得沒意思。
難度曲線圖顯示，2017年10月，難度有一個大的下降，獎勵也由5個變為3個。
本節主要介紹了Ethash演算法，不足之處，請批評指正。
『貳』 【Discover ETH】什麼是權益證明PoS
本篇作為Discover系列文章的開篇，結合ETH2.0的目標，來談談權益證明PoS是什麼。
在談PoS之前，我們先來了解一下共識。共識，即達成了普遍協議。區塊鏈實質上是一個全球性的狀態機，達成共識意味著網路上至少有超過一半（51%）的節點同意網路的下一個全球狀態。
共識機制 （也稱為共識協議或共識演算法）允許分布式系統（計算機網路）協同工作並保持安全。當前主流的共識機制有兩種，分別是 工作量證明 (Proof of Work，PoW)和 權益證明 (Proof of Stake，PoS)。以太坊在設計之初就希望最終以太坊的共識機制能轉變為PoS，而PoW只作為一個過渡階段。但無論是PoW還是PoS，最終的目的都是相同的，即實現分布式計算機的共識機制。下面先簡單了解工作量證明（PoW）的工作機制。
工作量證明通過礦工們完成，礦工們需要競爭創建最新區塊以處理和完成交易。 獲勝者將與網路中的其他節點分享最新區塊，並且獲得最新的特定代幣區塊獎勵（如以太坊的以太幣）。由於用戶需要擁有超過網路中 51% 的算力才能夠欺騙整條鏈，因此網路安全得以保證。 這將需要巨大的設備和能源投入，所需的開支甚至可能超過收益。
工作量證明是08年在中本聰所創造的比特幣中提出的，至今已經經過了充分的考驗和測試，但隨著越來越多的礦工和礦池的加入，挖掘新的區塊的難度指數爆發式上升，也面臨的如下的問題：
PoS作為ETH2.0關鍵的建設目標，其作用不僅僅只是因為PoW帶來的環境不友好的能源消耗，還有PoS的建設能更有力支持 分片鏈 （以太坊網路擴展的關鍵升級），更強的去中心化特性等等。下面從幾個方面來簡單談談權益證明PoS的工作過程。
在以太坊中，工作量證明的過程參與的角色是礦工/礦池。其目的是通過算力試錯來反復計算，以此生成一個低於目標隨機數的混合哈希。這個計算難度依賴於區塊所聲明的 難度 ，難度越小，有效的哈希值的集合就越小。而在權益證明中，則沒有礦工這一角色，與之對應的是稱之為 驗證者 的角色。
在ETH2.0中，用戶需要質押 32ETH 來獲得作為驗證者的資格。驗證者被 信標鏈 隨機選擇去創建區塊，並且負責檢查和確認那些不是由他們創造的區塊。他們不需要開采區塊，他們只需要在被選中的時候創建區塊並且在沒有被選中的時候驗證他人提交的區塊。此驗證被稱為證明。
驗證者因提出新區塊和證明他們已經看到的區塊而獲得獎勵，對於一些惡意驗證者節點，也會有相應的懲罰機制使之失去質押。驗證者質押的ETH越多，獲得的獎勵也越多。可以這樣說，權益證明是一種用於激勵驗證者接受更多質押的機制。
前面提到了 分片鏈 這個名詞， 分片 就是將區塊鏈分成多條鏈。驗證者將會在不同的分片上處理它們的分片數據，以此來提高區塊鏈的工作效率。ETH2.0預計會有64個分片鏈。
驗證者會被隨機洗牌到不同的分片中，以防止驗證者惡意操縱節點並提高鏈的安全性。處理不同分片之間的數據的關鍵角色就是 信標鏈 （Beacon Chain）。
信標鏈 是協調分片信息、管理驗證者的連接不同分片的橋梁。
當用戶在分片上提交交易時， 驗證者 將負責將用戶的交易添加到分片區塊中。 信標鏈 通過演算法選擇驗證器以提出新的塊。如果一個驗證者沒有被選中提出一個新的分塊，它們將會證明另一個驗證者的提議，並確認一切都正常。
至少需要 128 個被稱為 委員會 （ committee ）的驗證者來證明每個分片塊。委員會有一個提出和驗證分片區塊的時限，這個時限被稱為 插槽 （ Slot ），大約為12秒。 每個插槽只能創建一個有效區塊，一個 周期 （ Epoch ，大約6.4分鍾）有 32 個插槽。
每個周期過後，委員會都由不同的、隨機的參與者解散與重組，重組過程由一個半隨機演算法 RANDAO 來選擇，以此避免惡意節點的操縱。
ETH2.0使用 Cassper 終局協議來確認一個新的區塊是否得到足夠的證明，即只要2/3的插槽同意（即當前參與計算的2/3的驗證者節點），該區塊就會被最終確定。而推薦此區塊的驗證者將獲得獎勵。因此，在權益證明的機制下，每過6.4分鍾就會創建一個新的區塊。關於Cassper協議的詳細說明後續再進行探索。
權益證明的建設以太坊在15年就已經提出，截止至今也才完成了Phase 0信標鏈的建設。而下一階段的與主網合並，再下一階段的分片鏈建設也一再推遲。雖然PoS的建設非常緩慢，但無論如何，權益證明作為主流的共識機制演算法之一，也是值得我們探討其設計原理。
後續將會針對信標鏈的詳細設計、分片等ETH2.0內容進行探索。
『叄』 關於區塊鏈行業的相關術語有哪些
1、實用令牌實用程序令牌是一種實用令牌，可充當使用特定服務的權利。
術語用法示例
實用程序令牌以使用服務為前提。
詳細說明
您可以結算商品和餐食的價格，而不是現金，也可以通過擁有雲存儲來訪問它。對於實用程序令牌，不需要審核報告的分類。
公共鏈是具有高度「公共性」的區塊鏈，任何人都可以自由地參與網路。
術語用法示例
作為調解區塊鏈之間數據交換的基礎設施項目，將建立一種在公共區塊鏈上交換數據的機制。
詳細說明
在用於記錄加密資產（虛擬貨幣）交易信息的區塊鏈中，這是一種機制，用於由未指定數量的參與者在沒有特定管理實體的情況下共識建立交易信息。防止偽造交易信息是非常安全的，但是它需要大量的計算，因此它的缺點是，在有很多參與者的情況下，完成交易需要花費很長時間。
7、可伸縮性問題可伸縮性問題是指延遲事務處理的「可擴展性」問題。
術語用法示例
飆升的汽油價格突出了以太坊的可擴展性問題。
詳細說明
由於區塊鏈的性質，由於可在一個塊中寫入的交易數據量有限，因此處理延遲。匯款可能需要很長時間，這會導致更高的交易費用。比特幣是誕生的第一個加密貨幣，已經被認為是一個特殊的問題，但是解決該問題的努力已得到實施，例如利用閃電網路等其他技術並開發新的區塊鏈。
8、GAS費用GAS費用是以太坊區塊鏈上的（網路）交易費用。
術語用法示例
本周，在以太坊區塊鏈上，盡管有少量匯款，但仍有多起高額天然氣賬單被支付的案例。
詳細說明
用戶指定金額的GAS費用是次要獎勵。虛擬貨幣以太坊（ETH）用於付款。由於首先要處理費用較高的交易，因此GAS費用可能會隨著交易數量的增加而增加。
9、流動性采礦（流動性采礦）考慮到提供流動性（貨幣對），流動性挖掘是指除利息外還授予治理令牌，以吸引那些執行收益率制衡的人。
術語用法示例
流動性開采正在加速收益豐厚。
詳細說明
在流動性挖掘中，通過將特定資產存儲在流動性池中並提供交易者可以買賣的流動性，可以將當時的掉期費作為收入獲得。這些流動性挖掘源於最大的去中心化交易所「 Uniswap」，並且誕生了許多流動性挖掘合同，例如Curve Finance和Balancer。
10、DeFi（分布式金融）DeFi（去中心化金融）是指利用區塊鏈並且在沒有中央管理員的情況下提供的金融服務或系統。
術語用法示例
自2020年6月以來，DeFi市場發展迅猛。
詳細說明
「分散式金融」的縮寫。DeFi提供的金融服務包括發行穩定的硬幣，借出貨幣和加密貨幣交易所。許多平台使用以太坊區塊鏈。
11、PoS（權益證明）PoS是一種共識演算法，可讓您根據自己擁有的虛擬貨幣的百分比（權益）批准和生成新區塊的權利。
術語用法示例
以太坊聯合創始人Vitalik Buterin表示，將ETH的共識演算法從PoW遷移到PoS將改善安全性和擴展性。
詳細說明
權益證明的縮寫。還可以考慮虛擬貨幣的持有期。它誕生於「工作量證明（PoW）」共識演算法的替代方案，該演算法需要高性能的計算機來批准交易並消耗大量能量。如果批准，您可以收到新發行的虛擬貨幣作為獎勵。
12、dAppsdApp是使用開源區塊鏈開發的應用。
術語用法示例
韓國最大的三星電子應用商店「 Galaxy Store」已開始使用Tron的區塊鏈處理dApp。
詳細說明
「分散的應用程序」的縮寫，在日語中稱為「分散的應用程序」。一個主要功能是沒有集中式管理員。最受歡迎的是以太坊區塊鏈，正在開發諸如游戲和去中心化交易所（DEX）之類的應用程序。
『肆』 浠ュお鍧婂竵鏄濡備綍浜х敓鐨
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『伍』 『UniQorn』三分鍾看懂以太坊
以太坊，一個引領區塊鏈2.0革命的創新平台，它將「區塊鏈」與「智能合約」概念相結合，解決了比特幣在可擴展性上的局限性，成為當下最受歡迎的公有鏈之一。據不完全統計，超過80%的去中心化應用（DApp）都是基於以太坊開發，它被譽為「區塊鏈2.0」，並受到大眾和粉絲的熱烈追捧，有望超越比特幣。
以太坊的核心概念包括以太幣（ETH）、以太坊虛擬機（EVM）和智能合約（Smart Contract）。以太幣是該系統中的代幣，啟動智能合約需支付以太幣。Gas機制確保資源分配合理，維護系統的穩定與安全。以太幣的單位為「Wei」，最小單位為「1wei」，是ETH的細分數之一。智能合約利用共識演算法自動執行合約動作，保障執行信用，應用於Dapp開發、自定義Token發行以及實現其他合約功能。
以太坊虛擬機是運行環境，支持在區塊鏈上執行項目和應用。智能合約是核心組件，具備自動執行合約動作的能力，無需中間機構參與，確保運行的獨立性和不可阻擋性。這使得以太坊在區塊鏈領域扮演著類似於傳統金融體系中「美元」的角色，成為加密貨幣間的主流兌付媒介。
以太坊在加密貨幣信用體系中，如同1944年至1973年間黃金與美元的掛鉤，實現了區塊鏈與現實貨幣信用體系的融合。比特幣作為區塊鏈創始，以太坊因其高信用背書，吸引了眾多新興加密貨幣項目使用以太坊進行募資，進一步鞏固了其在加密貨幣經濟中的核心地位。
未來，以太坊面臨的主要挑戰包括交易速度不足、重大Bug與外部黑客攻擊、以及來自其他公鏈的競爭。為解決這些問題，以太坊正在逐步實現擴容與共識機制的轉變，預計在19年實現重要迭代，提升數據吞吐量與安全性，增強穩定性。在不斷發展的區塊鏈領域中，以太坊將如何引領行業變革，值得我們持續關注。
『陸』 區塊鏈技術中的共識演算法
關於區塊鏈技術的一些講解和知識點分析我們已經給大家分享過很多次了。今天，霍營java課程就再來了解一下，區塊鏈技術中的共識演算法的一些基本定義與特點。
簡單過一下區塊鏈
我們一般意識形態中的鏈是鐵鏈，由鐵鑄成，一環扣一環。形象地，區塊鏈的也可以這么理解，只不過它不是由鐵鑄成，而是由擁有一定數據結構的塊連接而成，這是一個簡單的雛形
通俗講解共識
所謂共識，通俗來說，就是我們大家對某種事物的理解達成一致的意思。比如說日常的開會討論問題，又比如判斷一個動物是不是貓，我們肉眼看了後覺得像貓，其滿足貓的特徵，那麼我們認為它是貓。共識，是一種規則。
繼續我們的會議例子。參與會議的人，通過開會的方式來達到談論解決問題。
對比區塊鏈中，參與挖礦的礦工通過某種共識方式(演算法)來解決讓自己的賬本跟其他節點的賬本保持一致。讓賬本保持一致的深入一層意思就是，讓鏈中區塊信息保持一致。
為什麼需要共識，不需要可不可以?當然不可以，生活中沒了共識的規則，一切亂套。區塊鏈沒了共識的規則，各個節點各干各的，失去一致的意義。
這兩個例子的對應的關系如下：
會議的人=挖礦的礦工
開會=共識方式(演算法)
談論解決問題=讓自己的賬本跟其他節點的賬本保持一致
如果你對節點的概念意思不懂，請先理解為礦工，一個節點內部包含很多角色，礦工是其中之一。
共識演算法
目前常見的在區塊鏈中，節點們讓自己的賬本跟其他節點的賬本保持一致的共識方式(演算法)有如下幾種：
PoW，代表者是比特幣(BTC)
弊端：
礦池的出現，一定程度上違背了去中心化的初衷，同時也使得51%攻擊成為可能，影響其安全性。
存在巨大的算力浪費，看看礦池消耗大量的電力資源，隨著難度增加，挖出的不夠付電費
PoS，代表者是以太坊(ETH)，從PoW過度到PoS
弊端：
破壞者對網路的攻擊成本很低，擁有代幣就能競爭
另外擁有代幣數量大的節點獲得記賬權的概率會更大，會使得網路共識受少數富裕賬戶支配，從而失去公正性。
『柒』 以太坊經典是什麼
1.什麼是以太經典？
ETC(Ethereum Classic)是以太坊在1,920,000個塊後硬分叉出的分叉幣種，功能和以太坊極為類似。ETC秉承去中心化理念，支持區塊鏈保證的共識機制。ETC堅信，區塊鏈一旦開始運行，它的發展方向就不被任何中心團隊所左右，而是按照參與整個網路人員的共識和全網算力的共識所決定。
2016年7月份進行的以太坊區塊鏈硬分叉旨在將被黑客盜竊的The DAO資金轉移到一個由投資者掌控的賬戶，並讓舊的交易記錄被歷史遺忘。大多數以太坊開發者都參與了這次逆轉，交易所、創業公司和該生態系統中的其他成員也參與了。幾天之後，該項目恢復了常態。但是並非所有人都想將舊的交易記錄忘記。於是一小部分礦工繼續使用原來的區塊鏈，以此作為一種抗議，他們將硬分叉描述為是對The DAO這個廢棄項目的抽資行為。於是Ethereum Classic(ETC)就誕生了。
2.詳細參數
中文名：以太經典 英文名：Ethereum Classic 英文簡稱：ETC
研發者：以太經典團隊 核心演算法：Ethash 共識證明：POW
發布日期：2016/7/20 區塊時間：約15-17秒/塊
貨幣總量：固定為2.1億，最高不超過2.3億，每500萬個區塊減速20%，第一次減產時間預計為2017年12月
主要特色：獨立的加密貨幣