1.2.1　以太坊的通俗介紹

1. 以太坊和比特幣的關系

比特幣開創(chuàng)了去中心化密碼貨幣的先河，十多年的時間已經(jīng)充分檢驗了區(qū)塊鏈技術的可行性和安全性。比特幣的區(qū)塊鏈事實上是一套分布式的數(shù)據(jù)庫，如果再在其中加入一個符號——比特幣，并規(guī)定一套協(xié)議使得這個符號可以在數(shù)據(jù)庫上安全地轉(zhuǎn)移，以及無須信任的第三方，這些特征的組合完美地構造了一個貨幣傳輸體系——比特幣網(wǎng)絡。

然而，比特幣系統(tǒng)并不完美，其中協(xié)議的擴展性存在不足，例如比特幣網(wǎng)絡里只有一種符號——比特幣，用戶無法自定義另外的符號，這些符號可以是代表公司的股票或者債務憑證等，這就損失了一些功能。另外，比特幣協(xié)議定義了一套基于堆棧的腳本語言（可用于實現(xiàn)多重簽名、外帶數(shù)據(jù)等），然而該腳本語言由于過分強調(diào)安全而不具備圖靈完備，因此并不足以構建更高級的應用，如去中心化交易所等。而以太坊從設計上就是為了解決這種擴展性不足的問題。

2. 圖靈機和以太坊的圖靈完備語言

圖靈機（turing machine）是圖靈在1936年發(fā)表的On Computable Numbers，with an Application to the Entscheidungsproblem（《論可計算數(shù)及其在判定性問題上的應用》）中提出的數(shù)學模型。圖靈在文章中證明了只要圖靈機可以被實現(xiàn)，那么就可以用來解決任何可計算問題。

圖靈機模型的結構如圖1-7所示。

●　一條無限長的紙帶被分成一個個相鄰的格子，每個格子都可以寫至多一個字符。

●　一個字符表，即字符的集合，它包含紙帶上可能出現(xiàn)的所有字符。其中包含一個特殊的空白字符，意思是此格子沒有任何字符。

●　一個讀寫頭，可理解為指向其中一個格子的指針。它可以讀取、擦除、寫入當前格子的內(nèi)容，此外也可以每次向左或右移動一個格子。

●　一個狀態(tài)寄存器，它追蹤運算過程中整個機器的每一個狀態(tài)（運行或終止）。當這個狀態(tài)從運行變?yōu)榻K止，則運算結束，機器停機并交回控制權。簡單來說，它對應著有限狀態(tài)機里的“狀態(tài)”。

●　一個有限的指令集，它記錄著讀寫頭在特定情況下應該執(zhí)行的行為。可以想象讀寫頭隨身有一本操作指南，里面記錄著很多條類似于“當你身處編號53的格子并看到其內(nèi)容為0時，擦除，改寫為1，并向右移一格；此外，令下一狀態(tài)為運行”這樣的命令。其實在某種意義上，這個指令集就對應著程序員所寫的程序。

在計算開始前，紙帶可以是完全空白的，也可以在某些格子里預先寫上部分字符作為輸入。運算開始時，讀寫頭從某一位置開始，嚴格按照此刻的配置，即當前所處位置和當前格子內(nèi)容來一步步地對照指令集進行操作，直到狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ梗\算結束。而后紙帶上留下的信息，即字符的序列（比如…011001…）便作為輸出，由人來解碼為自然語言。

圖靈機是一種抽象的計算模型，將人們使用紙筆進行數(shù)學運算的過程進行抽象，由虛擬的機器代替人類進行數(shù)學運算。圖靈機的本質(zhì)是人類思維在異度空間的映射，數(shù)據(jù)則是這種映射和其自運行的結果。

注意，以上只是圖靈機模型的內(nèi)容，而非具體的實現(xiàn)。所謂的紙帶和讀寫頭都只是圖靈提出的抽象概念。例如，算盤雖然不是圖靈機（因為它沒有無限長的紙帶，即無限的存儲空間），但它的行為與圖靈機一致：每一串算珠都是紙帶上的一格，一串算珠上展示的數(shù)字記錄著當前格中的字符（可以是空白，可以是1、2、3、4、5）；人類的手即讀寫頭，可以更改每串算珠的狀態(tài)；算盤的運行遵循人腦中的算法（選擇、循環(huán)、因果、條件等），當算法結束，算盤停機。

在計算機領域或者自動機領域，我們研究的一切問題都是計算問題，可泛指一切與計算相關的問題。

圖靈完備性是針對一套數(shù)據(jù)操作規(guī)則而言的概念，該數(shù)據(jù)操作規(guī)則可以是計算機里具體實現(xiàn)了的指令集，也可以是一種編程語言，當這套規(guī)則可以實現(xiàn)圖靈機模型里的全部功能時，就稱它具有圖靈完備性。編程語言圖靈不完備的常見原因有循環(huán)或遞歸受限（無法寫不終止的程序，如while(true){}; ），因為這會導致無法實現(xiàn)類似數(shù)組或列表這樣的數(shù)據(jù)結構（不能模擬紙帶），采用這樣的編程語言實現(xiàn)的程序在功能上就有局限性。因此，判定圖靈完備的簡單方法就是看該語言是否具備if…else控制流、while循環(huán)等功能。如今主流的編程語言（C++、Java、Python等）都是圖靈完備的語言。

當然圖靈不完備也不總是沒有意義的，有些場景需要限制語言本身，如限制循環(huán)和遞歸，可以保證該語言編寫的程序一定是終止的。例如，比特幣腳本語言就被特意設計為非圖靈完備的，具有一定的局限性，它基于堆棧，遵循從左向右處理的簡單原則（類似FORTH語言），沒有循環(huán)語句和復雜的條件控制語句。恰恰由于存在這種局限性，也就沒辦法執(zhí)行一些死循環(huán)或者一些能夠?qū)е翫OS攻擊的惡意代碼，從而也就避免了比特幣網(wǎng)絡受到DOS攻擊。

以太坊上運行的程序又稱為智能合約，可以理解為在區(qū)塊鏈上（以太坊基于區(qū)塊鏈技術架構）可以自動執(zhí)行的（由事件驅(qū)動的）、以代碼形式編寫的合同（特殊的交易）。其默認采用的編程語言是Solidity，它和JavaScript相似，是一種圖靈完備的編程語言（可以實現(xiàn)一切計算功能），用來開發(fā)合約并編譯成以太坊虛擬機字節(jié)代碼（源文件擴展名以.sol結尾）。這就使得以太坊比特幣系統(tǒng)更加具備擴展性，可以用來開發(fā)基于區(qū)塊鏈技術的各種去中心化應用（decentralized application，DApp）。

3. 區(qū)塊鏈、去中心化應用、比特幣、以太坊之間的關系

以太坊是一個建立在區(qū)塊鏈技術之上的去中心化應用平臺，它允許任何人在平臺中建立和運行基于區(qū)塊鏈技術的DApp。簡單來說，如果去中心化應用是App，那么以太坊是Android平臺。基于Android Framework可以開發(fā)Android App，那么基于以太坊可以開發(fā)出基于區(qū)塊鏈技術的DApp。

（1）區(qū)塊鏈是一種綜合技術，因比特幣的實現(xiàn)架構（數(shù)據(jù)區(qū)塊、鏈式迭代、共識算法）而得名。

（2）去中心化應用程序是一種新的數(shù)據(jù)記錄與傳播的方案，可以在大規(guī)模分布式網(wǎng)絡中實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的實時性、一致性、合法性和可信性（深圳大學，張勝利）。

（3）在以太坊出現(xiàn)之前，實現(xiàn)區(qū)塊鏈去中心化應用的唯一方式是修改比特幣的源代碼，例如加密算法、共識機制、網(wǎng)絡協(xié)議等，這樣修改出來的應用通常應用于數(shù)字貨幣領域，如果需要應用于其他領域，則其工作量將是非常浩大的。

（4）以太坊平臺對底層區(qū)塊鏈技術進行了封裝，區(qū)塊鏈應用開發(fā)者可以直接基于以太坊平臺進行開發(fā)，開發(fā)者只需要專注于應用本身的開發(fā)，從而大大降低了難度。

目前已經(jīng)圍繞以太坊形成了一個較為完善的開發(fā)生態(tài)圈，有開源社區(qū)的支持，可以選擇多種開發(fā)框架和工具。借助以太坊，可以創(chuàng)建更加豐富的去中心化應用程序（不再局限于數(shù)字貨幣領域），可以實現(xiàn)去中心化自治組織、跨組織協(xié)同應用，是一種提高數(shù)據(jù)主權、改善生產(chǎn)關系、高效率建立信任的“社會編程”框架。

4. 區(qū)塊鏈應用的三大架構類型

隨著區(qū)塊鏈技術的不斷發(fā)展，區(qū)塊鏈應用程序（即基于區(qū)塊鏈技術的DApp）在宏觀上演化出了三種架構：公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。這三種架構并沒有絕對的優(yōu)勢與劣勢，需要根據(jù)不同的應用場景來選擇合適的區(qū)塊鏈架構類型。

（1）公有鏈：公有的區(qū)塊鏈，讀寫權限對所有人開放。任何人都可以隨時進入公有鏈系統(tǒng)中讀取數(shù)據(jù)、發(fā)送可確認交易、競爭記錄存儲，因為沒有任何人或機構可以控制或者篡改其中數(shù)據(jù)的讀寫，公有鏈通常被認為是完全去中心化的。公有鏈一般會通過某種獎勵機制（通常是代幣）鼓勵參與者競爭記賬，來確保數(shù)據(jù)的安全性。比特幣、以太坊都是典型的公有鏈。主要特點：所有數(shù)據(jù)公開透明；是高度去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)幾乎無法篡改；吞吐量低，運作速度慢。

（2）私有鏈：私有的區(qū)塊鏈，讀寫權限由某個組織和機構控制，參與節(jié)點的資格會被嚴格限制。由于參與的節(jié)點是有限和可控的，因此私有鏈往往具有極快的交易速度、更好的隱私保護、更低的交易成本，不容易被惡意攻擊，并且能夠做到身份認證等特殊安全要求。主要特點：屬于中心化數(shù)據(jù)庫，能防止機構內(nèi)單節(jié)點篡改數(shù)據(jù)；運作成本低（無須獎勵機制）、交易速度非常快。螞蟻金服的區(qū)塊鏈應用是典型的私有鏈應用。

（3）聯(lián)盟鏈：聯(lián)盟區(qū)塊鏈本質(zhì)上是私有鏈的一種，只是私有程度低（讀寫權限對通過授權并加入聯(lián)盟的所有節(jié)點開放，由聯(lián)盟內(nèi)成員節(jié)點共同維護），因此比純粹的私有鏈更具可信度，但其權限設計要求比私有鏈更復雜。主要特點：由若干個機構共同參與管理，具備一定的去中心化屬性，是公有鏈和私有鏈的結合版。1.3.3節(jié)介紹的Fabric超級賬本就是典型的聯(lián)盟鏈應用框架。