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ATourofEthereumEcosystem
2016.11.15
1
⽐特幣起源• 2008 年 10 ⽉
– Satoshi Nakamoto (中本聰) 提出⽐特幣設計⽩⽪書• 2009 年
– 公開程式碼– 開源⽐特幣客⼾端程式– 以 10,000 ⽐特幣兌換⼀個披薩
• 2010 年– 開始流⾏– https://bitcoin.org/
2
數字貨幣• ⽣成貨幣• 錢幣無法被冒⽤• 錢幣無法重複消費• 不需要銀⾏ (第三⽅管理)
3
設計難點• 想像要以數字貨幣進⾏交易
– 如何避免數字貨幣被複製？– 如何避免數字貨幣被偽造？
4
加密算法 ─ 對稱密鑰
5
明⽂ 密⽂
加密算法 ─ ⾮對稱公私鑰
6
明⽂ 密⽂
私鑰簽名公鑰加密
公鑰驗證私鑰解密
Secp256k1
我, Alice, 要給 Bob ⼀個硬幣
7
Alice Bob
數字貨幣可能會被複製如何證明發錢的是 Alice
我, Alice, 要給 Bob ⼀個硬幣
8
Alice Bob
Alice 以私鑰對數位貨幣進⾏簽名Bob 以公鑰解開密⽂
數字貨幣可能會被複製如何證明發錢的是 Alice
密文
我, Alice, 要給 Bob ⼀個硬幣
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Alice Bob
Alice 無法否認要給 Bob ⼀個硬幣的事實數字貨幣還是會被複製
密文
需要硬幣流⽔號
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Alice Bob
1. Bob 無法辨識拿到的硬幣有何不同2. 如何管理 Alice 帳⼾餘額？3. 如何確認這個硬幣沒有被重複消費？
硬幣流⽔號
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Alice Bob
#12344
#12345
誰來管理硬幣流⽔號？需要⼀個可信任的機構
驗證交易是否合法
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Alice Bob
#12345
1. 這筆錢是不是 Alice 的？2. Alice 有沒花過這筆錢？
#12345
Alice:100->99
Bob:100->101
Recap• 公私鑰
– 錢幣無法偽造– 交易的不可否認性 (⾝分性)
• 可信任第三⽅– 管理資產，追蹤錢幣流向，避免雙花
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去中⼼化• 公私鑰
– 錢幣無法偽造– 交易的不可否認性 (⾝分性)
• 可信任第三⽅ 每個⼈都是銀⾏– 管理資產，追蹤錢幣流向，避免雙花
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銀⾏帳本 公開共享的帳本區塊鏈 (Blochchain)
我, Alice, 要給 Bob ⼀個硬幣
15
Alice Bob
#12345
Alice:100->99Bob:100->101
廣播
雙花攻擊 (Double-spending)
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Alice Bob
#12345廣播
#12345
Charlie 其他⼈如何更新帳本？
更新帳本的時間間隔
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Alice Bob
#12345廣播
#12345
Charlie
決定能否發動雙花攻擊
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Alice Bob
#12345廣播
#12345
Charlie
所有⼈都收到交易並作驗證，如果 Alice 送出同樣的貨幣給 Bob 和 Charlie，問題就會產⽣
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Alice Bob
#12345廣播
#12345
Charlie
Alice 確實擁有貨幣 #12345，現在屬於 Bob 了
Recap• 如何避免雙花攻擊？• 帳本更新的時間間隔？• 多少⼈驗證交易才更新帳本？
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Alice
Alice 控制網路
SybilaGack
需要共識算法• 共識算法是為讓⼤家取得共識• 共識算法不是讓⼤家互相溝通形成共識
• 共識算法是選出⼀個代表⼈來描述現狀– 寫帳– 選出代表⼈的⽅式要公平
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ProofofWork• 網路⽤⼾驗證交易計算成本⾼• 交易驗證無法被網路單元數⺫控制 (Sybil attack)• 提供獎勵(誘因)讓他們願意幫忙驗證交易
• 解題困難 (解題時間⻑)• 避免帳本遭受竄改 (解題時間短)
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區塊產⽣時間 T
PoW 設計原則• 每個⼈都能參與解題 (Puzzle)
– ⼀般主機都能參與• 不會有⼈掌控寫帳權 (寫區塊的權⼒)
– 概率相同
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擲到數字 n <= 3 的⼈可以寫帳本
SHA-2562(“abc”+“1”)=158c09e82d88955d8a051934d12f74a53ea205743778165d1140a8903686e1acSHA-2562(“abc”+“2”)=c72b0720d3302d76cd7b6b3f3dcb554d05f14fee8567cdda3ee8b7ff51e02015...SHA-2562(“abc”+“19”)=005eQ2ff3e871185b95bf7c8628e212d15a7d08c42235a381e06caa55856a0c
PoW 設計原則• 解題困難，驗證容易，調整難度
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Hash(TXs+nonce)<number
00000000000000005b95bf7c8628e212d15a7d08c42235a381e06caa55856a0c
SHA-2562(“abc”+“1”)=158c09e82d88955d8a051934d12f74a53ea205743778165d1140a8903686e1acSHA-2562(“abc”+“2”)=c72b0720d3302d76cd7b6b3f3dcb554d05f14fee8567cdda3ee8b7ff51e02015...SHA-2562(“abc”+“19”)=005eQ2ff3e871185b95bf7c8628e212d15a7d08c42235a381e06caa55856a0c
PoW 設計原則• 解題困難，驗證容易，調整難度
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算力越強的人越有機會擁有寫帳權 但不代表掌握 70% 算力別人就沒機會，只是概率低
解題成功廣播區塊
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Alice
#12345
#21397
#81345
#22345
區塊
挖礦
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Block1...
Block2...
Block3...
Block4...
找到區塊
礦⼯礦⼯
礦⼯
礦⼯礦⼯
礦⼯
Hash(Block3|TXs|nonce)挖礦獎勵 + 區塊所有交易⼿續費
區塊
區塊鏈 (Blockchain)
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Block4...
Block5...
Block6...
Block7...
Block8...
Block9...
mean: ~10分鐘 (Poisson distribution)
BlockN...⋯⋯⋯
困難度 (Difficulty)
區塊高度 (Block height) 區塊深度 (Block depth)
區塊越深表⽰重新打造⼀條區塊鏈難度越⾼
Recap• 如何避免雙花攻擊？
– PoW 降低雙花攻擊概率– 交易驗證分散到各個節點– 控制算⼒或網絡仍存在，但成本⾼
• 帳本更新的時間間隔？• 多少⼈驗證交易才更新帳本？
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Alice
Alice 控制網路
WhatisEthereum?• VitalikButerinwrote
“BitcoinwasdesignedtobeaSMTP.It’saprotocolthatis very good at one par`cular task. It is good fortransferring money, but it was not designed as afounda`onallayerforanykindofprotocolstobebuiltontop.”
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WhatisEthereum?• VitalikButerinwroteThe need for a technology that was more expansive,and that replicated the func`onality of Turing-completeprogramminglanguagesinawaythatwouldbe so powerful as to describe any blockchainapplica`on.
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Bitcoin Ethereum Creator Satoshi Nakamoto Ethereum
Player type cryptocurrency Smart contract platform with own cryptocurrency
Liquidity decent decent currency code Bitcoin/฿/BTC Ether/Ξ/ETH
Public/Private blockchain public public User identity pseudonymous pseudonymous
Consensus algorithm PoW PoW/PoS/Casper
Scripting language Bitcoin Script
Language Solidity
Smart contracts yes (limited) yes Turing completeness no yes
Governance (development decisions, etc) Core team Ethereum Foundation
Transaction speed >10.0m 14s
Rapid payments Lightning Network Raiden Network
Processing cost (CPU,GPU,ASIC) high high Other features UTXO GHOST
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Components• Acryptographictoken• Anaddresssystem• Anetworkofvalidators(miners)• Aconsensusalgorithm• Ablockchainledger• TheEthereumVirtualMachine• Asetofprograminglanguages• Complexeconomicstructures
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TechnologyStack
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EthereumClients• 底層 (fullnode)
– go-ethereum(Golang)– cpp-ethereum(C++)– EthereumJ(Java)– pyethereum(Python)– Parity(Rust)– ruby-ethereum(Ruby)
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HighLevelLanguage(HLL)• 撰寫合約的語⾔
– Solidity(JavaScript-like)– Serpent(Python-like)– LLL(Lisp-like)– Viper– Bamboo
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與⽐特幣相似處• Ethereumhasablockchain• Ethereumispublicandpermissionless• EthereumhasProof-of-Work(PoW)mining
– Ethash• Ethereumhasaninbuiltcryptocurrency
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與⽐特幣相異處• Ethereum’sblock`meisshorter• Ethereumhassmallerblocks
– 2,000,000Gasperblock– Limitedbythegasà(2,000,000/x)transac`ons
• TheEthereumVirtualMachinecanrunsmartcontracts• ETHtokenissuance
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ETHtokenissuanceTotal ETH = Pre-mine + Block rewards + Uncle rewards + Uncle referencing rewards
• Pre-mine: 以太坊正式運營之間，預先產出7200萬個以太幣，之後限制每年的⽣成以不超過四分之⼀的預先發⾏量，即1800萬個以太幣
• Block reward: ⺫前每⼀個區塊獎勵是5個以太幣，⼀個區塊的⽣成速度約14秒，換⾔之，⼀年相當於有225萬個區塊 (365x24x60x60/14)，1125萬個以太幣⽣成
• Uncle reward: 在以太坊中，有些區塊在同⼀時間被其他礦⼯所發現，但卻不是接在主鏈上，稱之為Uncle區塊，相當於⽐特幣中的孤兒區塊(Orphan block)。這類區塊可能被之後的區塊所參照，此外這類區塊的獎勵為正常獎勵的⼋分之七，即5x(7/8)=4.375個以太幣。依據Uncle區塊的產⽣速率，⼀年約有接近700萬個以太幣⽣成
• Uncle referencing reward: 接在Uncle區塊之後的區塊，可得0.15以太幣(三⼗⼆分之⼀)。
• 這種獎勵⽅式，為以太坊的Ghost protocol (Greedy Heaviest-Observed Sub-Tree)39
圖片來自 https://bitsonblocks.net 40
ETH 地址1. 產⽣私鑰 (64 字元 / 32 bytes)2. 私鑰推導公鑰, 使⽤ ECDSA 算法 (128 字元 / 64 bytes)3. 公鑰推導地址 (40 字元/20 bytes)
– 公鑰 64 bytes– 對公鑰進⾏ hash, hash 的演算法為 Keccak-256 hash, hash 後變為 32 bytes– 將 32 bytes 前⾯的 12 bytes 移除, 剩下的 20 bytes 就是地址 (40 字元)
• 帳⼾地址• 合約地址
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Timeline
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什麼是智能合約• 由程式碼直接控制數字資產或業務流程
– 程式碼對合約具有相同理解 – 不因合約多次更迭而有所混淆 – 對外部資料看法一致 (油價或股價等)
• 智能不是指人工智能
• 智能合約(目前)不是法律合約
• 程式碼僅執行復雜的規則和條件，不具有學習能力 – 電梯 – 販賣機
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圖片來自 https://bitsonblocks.net
與⾃動⽀付銀⾏有何不同• 去中心化
– 銀行沒有絕對控制權 • 程式碼
– 都有程式碼，但只有傳統銀行有控制和對帳的能力，用戶無法從外部檢驗 • 透明度
– 優點：利益關系者(參與方)彼此透明可見 – 缺點：合約需要有隱私保護
• 彈性 – 可客制各式合約
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合約執⾏與狀態
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• 合約的執行會依據不同時間的事件或設定的規則，而更新狀態或價值
Gas• ⽤來衡量交易 (transaction) 或合約 (contract) 在 Ethereum 上被執
⾏的⼯作量，即多少個指令或多少個動作所需要耗費的單位；由於每⼀個操作都會消耗某些數量的 gas，越複雜的操作需要消耗較多的計算資源，從⽽所需的 gas 也越⾼
• 之所以設計 gas 這個機制，是因為要確保合約能夠被停⽌，不會永無⽌盡的消耗資源
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Gas• 在 Bitcoin 中，每⼀筆交易需要⼿續費，衡量標准是看交易的⼤⼩
(transaction size)；但站在 Ethereum 的⾓度則認為，⼿續費的計算應該取決於在區塊鏈平台上所需要的⼯作量
• 舉例來說，在 Ethereum 當中，兩個合約，程式碼⼤⼩不同，有可能短的程式碼，耗費的 gas ⾼，因為裡⾯執⾏的動作很多牽涉到 sha3；但在 Bitcoin 世界，交易包含的資料越多，占的⼤⼩越⼤，⼿續費較⾼
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Totalcost=gasUsed*gasPrice
Gasprice• gas price 決定 1 個 gas 價值多少 ether，⽽ gas price 會隨市場需求波動• gas price 的單位是 wei ，1 wei = 10^(-18) ether• gas price 的歷史資料
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合約開發⼯具介紹• ⼀般開發
– 安裝 Ethereum-client– ⽤ solidity 撰寫合約– 透過 solidity compiler 進⾏編譯– 以 web3.js 將合約送出佈署
• 需要有測試鏈或以太鏈(測試昂貴)• 步驟繁雜
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Truffle+Testrpc• Truffle
– hGps://github.com/ConsenSys/truffle• Testrpc
– hGps://github.com/ethereumjs/testrpc• hGps://cl.ly/i7Sd/truffle.html
• 不需要佈建完整節點• 可直接在本機測試與執⾏合約• 無法理解完整運作
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INFURA• INFURA Ethereum
token JSON-RPChGp MainNet
TestNet – hGps://infura.io– hGps://infura.io/register.html– hGps://cl.ly/i7PG/INFURA.html
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DatacarrierforDApps
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• Oraclize:hGp://www.oraclize.it/– hGps://github.com/oraclize/ethereum-examples/tree/master/solidity
• 與外部資料互動
EthereumAlarmClock• Scheduletransac`onstobeexecutedatalater`me.• En`reserviceoperatesassmartcontractsontheEthereum
blockchain,withnopriviledgedaccessgiventoanyparty.– hGp://www.ethereum-alarm-clock.com
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EthereumComputaKonMarket• Thecomputa`onmarketisaserviceforEthereumthatallows
forverifiableoff-chainexecu`onofcomputa`onsthatwouldbeotherwiseprohibi`velyexpensivetoexecutewithintheEVM.– hGp://www.ethereum-computa`on-market.com
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zeppelin-solidity• AFrameworktoBuildSecureSmartContracts
– CommoncontractsecuritypaGerns– IntheSoliditylanguage– hGps://openzeppelin.org
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EthereumDev1. 搭建 Ethereum 私有鏈2. 運⾏兩個 node 讓彼此互連3. 熟悉 geth JavaScript Console4. 建⽴其他帳號, 建⽴交易, 觀察 block5. 運⾏私有鏈的 miner6. RPC protocol 使⽤與串接7. Ethereum Block explorer8. Smart Contract on Ethereum9. Mist10. Solidity11. DApp programming
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參考資料• ⿈⽪書
– hGp://gavwood.com/Paper.pdf
• 學習資源– hGps://github.com/EtherTW/Taipei-Ethereum-Wiki/wiki/Learning-Resources
• 演講影⽚– hGps://www.youtube.com/channel/UC8CB0ZkvogP7tnCTDR-zV7g/videos
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TaipeiEthereumMeetup• 2016 區塊鏈愛好者⼤會
– http://lovechain.tw– 智能合約⼯作坊
• ⾹港商翱鶚股份有限公司• http://cepave.com/blockchain-job-description/
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