以太坊技术#

1.1.1 交易生命周期#

1. 创建交易：用户创建并签名交易
2. 广播交易：交易被广播到网络
3. 进入交易池：交易进入待处理池
4. 矿工选择：矿工选择交易进行打包
5. 区块确认：交易被包含在区块中
6. 网络确认：其他节点验证并接受区块

1.1.2 交易池管理#

• 交易排序：按gas价格和nonce排序
• 交易验证：验证签名和余额
• 交易替换：支持RBF（Replace By Fee）
• 交易清理：清理过期和无效交易

1.1.3 矿工策略#

• 优先选择：选择gas价格高的交易
• 批量处理：一次处理多个交易
• 动态调整：根据网络状况调整策略

1.2.1 Legacy交易#

• 格式：[nonce, gasPrice, gasLimit, to, value, data, v, r, s]
• 特点：历史遗留格式，兼容性好
• 签名：使用ECDSA签名

1.2.2 EIP-1559交易#

• 格式：[nonce, maxPriorityFeePerGas, maxFeePerGas, gasLimit, to, value, data, accessList, v, r, s]
• 特点：动态gas费用，更好的用户体验
• 优势：费用可预测，减少网络拥堵

1.2.3 EIP-2930交易（Access List）#

• 格式：包含访问列表
• 特点：预定义访问的存储槽
• 优势：优化gas费用计算

1.2.4 EIP-4844交易（Blob）#

• 格式：包含blob数据
• 特点：支持大量数据存储
• 应用：Layer2扩容方案

1.3.1 Gas概念#

• Gas Limit：交易最大消耗的gas数量
• Gas Price：每单位gas的价格
• Gas Used：实际消耗的gas数量
• Gas Fee：总交易费用

1.3.2 Gas计算#

1
// 基础gas费用
2
const baseGas = 21000; // 基础转账
3

4
// 合约调用gas费用
5
const contractGas = 21000 + (data.length * 16);
6

7
// 存储操作gas费用
8
const storageGas = 20000; // 存储新值
9
const storageUpdateGas = 5000; // 更新现有值

1.3.3 Gas优化#

• 批量操作：减少交易数量
• 存储优化：合理使用存储
• 算法优化：选择高效算法
• 预编译合约：使用预编译合约

2.1.1 基本概念#

MPT是以太坊的核心数据结构，结合了Merkle树和Patricia树的特点，用于存储和验证状态数据。

2.1.2 节点类型#

• 叶节点：存储键值对
• 扩展节点：压缩共享前缀
• 分支节点：处理路径分叉
• 空节点：表示空值

2.1.3 应用场景#

• 状态树：存储账户状态
• 交易树：存储区块交易
• 收据树：存储交易收据
• 存储树：存储合约数据

2.2.1 账户状态#

1
// 外部账户状态
2
{
3
    nonce: 0,           // 交易计数器
4
    balance: 1000000,   // 余额（wei）
5
    storageRoot: null,  // 存储根（外部账户为null）
6
    codeHash: null      // 代码哈希（外部账户为null）
7
}
8

9
// 合约账户状态
10
{
11
    nonce: 0,           // 交易计数器
12
    balance: 0,         // 余额
13
    storageRoot: "0x...", // 存储根
14
    codeHash: "0x..."   // 代码哈希
15
}

2.2.2 状态转换#

1. 交易执行：执行交易改变状态
2. 状态更新：更新账户状态
3. 状态根计算：计算新的状态根
4. 状态验证：验证状态转换的有效性

2.3.1 基本概念#

布隆过滤器是一种概率数据结构，用于快速判断元素是否存在于集合中。

2.3.2 工作原理#

1. 位数组：使用位数组存储信息
2. 哈希函数：使用多个哈希函数映射元素
3. 查询判断：通过位数组判断元素存在性

2.3.3 在以太坊中的应用#

• 交易过滤：快速过滤相关交易
• 状态查询：优化状态查询性能
• 轻客户端：支持轻客户端同步

2.3.4 误判处理#

• 增加哈希函数：减少冲突概率
• 增大位数组：提高准确性
• 组合使用：结合其他数据结构

3.1.1 栈结构#

• 栈深度：最大1024层
• 栈操作：PUSH、POP、DUP、SWAP等
• 栈限制：防止栈溢出攻击

3.1.2 存储结构#

• 永久存储：合约状态变量
• 内存存储：临时数据
• 调用栈：函数调用栈

3.1.3 指令集#

• 算术指令：ADD、SUB、MUL、DIV等
• 逻辑指令：AND、OR、XOR、NOT等
• 比较指令：LT、GT、EQ等
• 位操作：SHL、SHR、BYTE等

3.2.1 交易执行流程#

1. 交易验证：验证签名和nonce
2. 状态加载：加载相关状态
3. 代码执行：执行合约代码
4. 状态更新：更新状态
5. Gas计算：计算消耗的gas
6. 结果返回：返回执行结果

3.2.2 异常处理#

• 回滚机制：执行失败时回滚状态
• Gas耗尽：gas不足时停止执行
• 栈溢出：栈深度超限时停止执行

3.3.1 存储类型#

• 永久存储：合约状态变量
• 内存存储：函数局部变量
• 调用数据：函数参数

3.3.2 存储优化#

• 存储布局：合理设计存储结构
• 存储访问：减少存储访问次数
• 存储压缩：使用位操作压缩数据

4.1.1 挖矿过程#

1. 交易收集：收集待确认交易
2. 区块构建：构建候选区块
3. 哈希计算：寻找满足难度的nonce
4. 区块广播：广播新区块
5. 网络确认：其他节点验证区块

4.1.2 难度调整#

• 调整周期：每2016个区块
• 目标时间：平均出块时间15秒
• 调整算法：根据实际时间调整难度

4.2.1 信标链#

• 验证者：质押32 ETH成为验证者
• Epoch：32个slot组成一个epoch
• Slot：每个slot 12秒
• 最终性：2/3验证者确认后最终确定

4.2.2 验证者机制#

• 提案者：被选中提议区块
• 证明者：对区块进行投票
• 奖励机制：诚实验证者获得奖励
• 惩罚机制：恶意行为被惩罚

4.3.1 混合共识#

• POW：生产区块
• POS：最终确定区块
• 优势：结合两种共识的优势

4.3.2 最终性#

• 检查点：定期创建检查点
• 投票机制：验证者投票确认
• 最终确定：2/3验证者确认后最终确定

5.1.1 EIP-155（链ID）#

• 作用：区分不同以太坊网络
• 格式：在签名中包含链ID
• 防护：防止重放攻击

5.1.2 EIP-712（结构化数据签名）#

• 作用：标准化消息签名
• 格式：定义消息结构
• 应用：DApp用户授权

5.1.3 EIP-1155（多代币标准）#

• 作用：支持多种代币类型
• 特点：同质化和非同质化代币
• 优势：批量操作，节省gas

5.1.4 EIP-1559（Gas费用改革）#

• 作用：改进gas费用机制
• 特点：基础费用+优先费用
• 优势：费用可预测，减少拥堵

5.1.5 EIP-4337（账户抽象）#

• 作用：实现账户抽象
• 特点：智能合约钱包
• 优势：更好的用户体验

5.2.1 EIP-3651（COINBASE优化）#

• 作用：优化COINBASE访问
• 特点：降低gas费用
• 应用：ERC20代币支付

5.2.2 EIP-3855（PUSH0指令）#

• 作用：添加PUSH0指令
• 特点：优化0值压栈
• 优势：节省gas费用

5.2.3 EIP-3860（合约大小限制）#

• 作用：扩展合约大小限制
• 特点：从24KB扩展到48KB
• 应用：更复杂的合约功能

5.2.4 EIP-4895（信标链提款）#

• 作用：激活信标链提款功能
• 特点：支持质押提款
• 应用：以太坊2.0升级

6.1.1 全节点#

• 功能：存储完整区块链数据
• 特点：验证所有交易和区块
• 资源：需要大量存储和带宽

6.1.2 轻节点#

• 功能：只存储区块头
• 特点：依赖全节点验证
• 资源：资源需求较少

6.1.3 归档节点#

• 功能：存储所有历史状态
• 特点：支持历史查询
• 资源：需要大量存储空间

6.2.1 同步方式#

• 完全同步：从创世区块开始同步
• 快速同步：从检查点开始同步
• 轻量同步：只同步区块头

6.2.2 同步优化#

• 并行下载：并行下载区块数据
• 状态修剪：删除不需要的状态
• 压缩存储：使用压缩算法

7.1.1 开发框架#

• Hardhat：功能丰富的开发环境
• Foundry：基于Rust的开发工具
• Truffle：传统的开发框架
• Remix：在线IDE

7.1.2 测试工具#

• Mocha：JavaScript测试框架
• Chai：断言库
• Waffle：以太坊测试工具
• Echidna：模糊测试工具

7.2.1 合约部署#

• CREATE：使用CREATE操作码
• CREATE2：使用CREATE2操作码
• 代理模式：使用代理合约

7.2.2 升级策略#

• 新合约：部署新合约并迁移数据
• 代理升级：使用代理合约升级
• 库合约：使用库合约升级

8.1.1 Gas优化#

• 批量操作：减少交易数量
• 存储优化：合理使用存储
• 算法优化：选择高效算法

8.1.2 网络优化#

• 交易池管理：优化交易池
• 网络同步：优化同步机制
• 缓存机制：使用缓存减少重复计算

8.2.1 Layer2方案#

• Optimistic Rollup：乐观汇总
• ZK Rollup：零知识汇总
• Plasma：侧链方案

8.2.2 分片技术#

• 信标链：协调分片
• 分片链：处理交易
• 跨分片通信：分片间通信

9.1.1 重入攻击#

• 原理：利用外部调用重入函数
• 防护：使用重入锁或检查-效果-交互模式

9.1.2 整数溢出#

• 原理：整数运算溢出
• 防护：使用SafeMath库或Solidity 0.8+

9.1.3 前端运行#

• 原理：利用交易排序获利
• 防护：使用commit-reveal模式

9.2.1 代码审计#

• 静态分析：使用工具检查代码
• 人工审计：专业团队审计
• 形式化验证：数学方法验证

9.2.2 测试策略#

• 单元测试：测试单个函数
• 集成测试：测试系统集成
• 模糊测试：随机输入测试

10.1.1 主要特性#

• 权益证明：从POW转向POS
• 分片技术：提高吞吐量
• eWASM：新的虚拟机

10.1.2 升级路线#

• Phase 0：信标链
• Phase 1：分片数据
• Phase 2：分片执行

10.2.1 零知识证明#

• zk-SNARKs：简洁非交互式知识论证
• zk-STARKs：可扩展透明知识论证
• 应用：隐私保护和扩容

10.2.2 账户抽象#

• 智能合约钱包：可编程钱包
• 多签钱包：多重签名
• 社交恢复：社交恢复机制