⑴ 011：Ethash算法|《ETH原理与智能合约开发》笔记
待字闺中开发了一门区块链方面的课程：《深入浅出ETH原理与智能合约开发》，马良老师讲授。此文集记录我的学习笔记。
课程共8节课。其中，前四课讲ETH原理，后四课讲智能合约。
第四课分为三部分：
这篇文章是第四课第一部分的学习笔记：Ethash算法。
在介绍Ethash算法之前，先讲一些背景知识。其实区块链技术主要是解决一个共识的问题，而共识是一个层次很丰富的概念，这里把范畴缩小，只讨论区块链中的共识。
什么是共识？
在区块链中，共识是指哪个节点有记账权。网络中有多个节点，理论上都有记账权，首先面临的问题就是，到底谁来记帐。另一个问题，交易一定是有顺序的，即谁在前，前在后。这样可以解决双花问题。区块链中的共识机制就是解决这两个问题，谁记帐和交易的顺序。
什么是工作量证明算法
为了决定众多节点中谁来记帐，可以有多种方案。其中，工作量证明就让节点去算一个哈希值，满足难度目标值的胜出。这个过程只能通过枚举计算，谁算的快，谁获胜的概率大。收益跟节点的工作量有关，这就是工作量证明算法。
为什么要引入工作量证明算法？
Hash Cash 由Adam Back 在1997年发表，中本聪首次在比特币中应用来解决共识问题。
它最初用来解决垃圾邮件问题。
其主要设计思想是通过暴力搜索，找到一种Block头部组合（通过调整nonce）使得嵌套的SHA256单向散列值输出小于一个特定的值（Target）。
这个算法是计算密集型算法，一开始从CPU挖矿，转而为GPU，转而为FPGA，转而为ASIC，从而使得算力变得非常集中。
算力集中就会带来一个问题，若有一个矿池的算力达到51%，则它就会有作恶的风险。这是比特币等使用工作量证明算法的系统的弊端。而以太坊则吸取了这个教训，进行了一些改进，诞生了Ethash算法。
Ethash算法吸取了比特币的教训，专门设计了非常不利用计算的模型，它采用了I/O密集的模型，I/O慢，计算再快也没用。这样，对专用集成电路则不是那么有效。
该算法对GPU友好。一是考虑如果只支持CPU，担心易被木马攻击；二是现在的显存都很大。
轻型客户端的算法不适于挖矿，易于验证；快速启动
算法中，主要依赖于Keccake256 。
数据源除了传统的Block头部，还引入了随机数阵列DAG（有向非循环图）（Vitalik提出）
种子值很小。根据种子值生成缓存值，缓存层的初始值为16M，每个世代增加128K。
在缓存层之下是矿工使用的数据值，数据层的初始值是1G，每个世代增加8M。整个数据层的大小是128Bytes的素数倍。
框架主要分为两个部分，一是DAG的生成，二是用Hashimoto来计算最终的结果。
DAG分为三个层次，种子层，缓存层，数据层。三个层次是逐渐增大的。
种子层很小，依赖上个世代的种子层。
缓存层的第一个数据是根据种子层生成的，后面的根据前面的一个来生成，它是一个串行化的过程。其初始大小是16M，每个世代增加128K。每个元素64字节。
数据层就是要用到的数据，其初始大小1G，现在约2个G，每个元素128字节。数据层的元素依赖缓存层的256个元素。
整个流程是内存密集型。
首先是头部信息和随机数结合在一起，做一个Keccak运算，获得初始的单向散列值Mix[0]，128字节。然后，通过另外一个函数，映射到DAG上，获取一个值，再与Mix[0]混合得到Mix[1]，如此循环64次，得到Mix[64]，128字节。
接下来经过后处理过程，得到 mix final 值，32字节。（这个值在前面两个小节《 009：GHOST协议 》、《 010：搭建测试网络 》都出现过）
再经过计算，得出结果。把它和目标值相比较，小于则挖矿成功。
难度值大，目标值小，就越难（前面需要的 0 越多）。
这个过程也是挖矿难，验证容易。
为防止矿机，mix function函数也有更新过。
难度公式见课件截图。
根据上一个区块的难度，来推算下一个。
从公式看出，难度由三部分组成，首先是上一区块的难度，然后是线性部分，最后是非线性部分。
非线性部分也叫难度炸弹，在过了一个特定的时间节点后，难度是指数上升。如此设计，其背后的目的是，在以太坊的项目周期中，在大都会版本后的下一个版本中，要转换共识，由POW变为POW、POS混合型的协议。基金会的意思可能是使得挖矿变得没意思。
难度曲线图显示，2017年10月，难度有一个大的下降，奖励也由5个变为3个。
本节主要介绍了Ethash算法，不足之处，请批评指正。
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⑶ GHOST，DAG，SPECTRE，PHANTOM和CONFLUX技术原理
DAG概念，当做继比特币，以太坊后新的一代区块链技术(区块链3.0)，那么DAG区块链是什么？DAG的由来是什么？它的技术理念是怎么样的？运行在DAG区块链上的协议有哪些？
要想解释DAG，离不开Yonatan Sompolinsky 和 Aviv Zohar两位以色列人，他们是DAG区块链这一概念的提出者。在DAG之前，Aviv Zohar提出了一个GHOST协议(以太坊初期就采用了GHOST协议)，该协议解决的是链分叉带来的安全性问题，而分叉的区块链 在GHOST协议下数据结构就从一条链变成了一个树(Tree)，而之后Aviv Zohar进一步提出了一个inclusive协议，在inclusive协议规则下，区块的结构就变成了有向无环图(DAG)。
接下来本文将：
1.介绍 GHOST协议，DAG由来 背后的 设计原理
2.介绍三种针对DAG型区块链设计的协议，SPECTRE、PHANTOM和CONFLUX。
GHOST协议是为了解决 分叉 导致 链安全性降低 的一个协议。
下边将通过解释什么是 分叉 ，为什么 分叉会降低链的安全性 ， 链上扩容 为什么会导致更多分叉来详细介绍GHOST协议。
一笔比特币交易为什么要等6个区块的交易时长呢？
等待不是为了 防范51%攻击 的。落后6个区块，如果拥有超过51%的算力，只要足够长的时间，一定能够产生更长的链完成攻击。它是为了防止 分叉 带来的风险。
比特币在 理想情况 下，不同节点之间有相同的一条区块链，全部节点都是基于 同一个区块 进行挖矿，但当两个挖矿节点 几乎同时 挖到一个新的区块，当它们接收到对方产生的区块时，不同的节点将选择基于 其中一个 区块挖矿， 分叉 产生了。之后节点会根据哪条 分叉更长 ，选择哪条是主链进行挖矿，而不是主链的分叉区块全部被 抛弃 。
比特币每天都会发生 二分叉 ，但出现连续的 六次分叉 几乎不可能，于是要等待6个区块的确认时间。(这种分叉不是来自恶意攻击，是 偶然性以及网络延迟 导致的。
分叉将‘攻击不超过51%算力，比特币就是安全的’这一理论推翻。
在比特币中，当链有 分叉 时，将选择分叉 最长 的链作为主链，恶意攻击就是产生一条比主链更长的链 代替主链。
下图中蓝色区块代表诚实区块，红色代表攻击区块。2号、3号蓝色区块产生 分叉 ，此时攻击节点产生5个攻击区块(红色)就能产生一条 更长 的链完成攻击。虽然蓝色区块总数更多(有6个)， 但分叉的区块没有增加链的长度 ，这种情况下，红色攻击方在算力(假设每个区块代表算力相同)没有超过51%的情况下攻击成功。
比特币当前安全的原因在于10分钟的区块时间降低了分叉可能性，但其实际安全算力仍低于51%，也就是说，不需要51%的算力也能攻击成功。
采用 大区块 以及 小的产出时间 将导致链有 很多分叉。
比特币当前处理交易量很低，改进这个缺陷一个可行方法就是 增大区块的大小和减小区块的产出时间 。大区块需要更多的网络传输时间、单位时间更多的区块数都会导致 更多的分叉 。
链上扩容的方案对比特币处理交易能力提升是巨大的 ，假如每个区块大小变为原来的八倍(8M)，出块时间缩短为原来的五分之一(2分钟)，理想情况下，比特币的处理交易量将变为原来的 40倍 ，实际情况会产生分叉，交易量不会有这么高。
主链选择中，采用计算最大子树来代替比特币中的最长链规则。
比特币的最长链规则在有分叉情况下，将降低链的安全性，分叉越多，安全性越低。链上扩容将导致更多分叉，导致链不安全。
Yonatan Sompolinsky提出GHOST规则， 当有分叉时，通过计算最大子树，也就是每条分叉拥有的所有区块数来决定哪条链是主链 。图0中，链在区块0后分叉了，上边分叉总计有6个蓝色区块，下边分叉有5个红色区块，蓝色区块1是主链，所以 红色攻击失败 。
在有大量分叉的情况下，GHOST规则将链安全性直接提到了51%，分叉对采用GHOST协议的链安全性没有影响。
根据GHOST规则，上图中虽然诚实节点产生了12个区块，但加入主链的只有4个区块，大量区块 被丢弃 ，假定比特币每个区块大小变为原来的八倍(8M)，出块时间缩短为原来的十分之一(1分钟)，分叉率为0.33(产生的区块加入主链的概率)，比特币的处理交易能力将变为原来的 26.6倍 。
GHOST协议解决了链上扩容导致分叉带来的安全性问题。
区块的结构类型就从一条链变为树
在GHOST的提出后，Yonatan Sompolinsky提出一种新的设想，新产生的区块指向所有已知的分叉末端区块，即一个区块有多个父亲，此时 区块链就从一条链变为多条分叉链共同组成的的结构，这样的链结构就被叫做DAG(有向无环图) 。
Yonatan Sompolinsky进而提出了在DAG上运行的 inclusive协议 ，原理如下：
遗憾的是， Yonatan Sompolinsky之后并没有详细介绍补充该协议 ，而是提出了一种新思路的DAG协议——SPECTRE。
看完上边内容之后，你会发现， 最长链规则下，分叉的区块对比特币安全性和交易量没有任何贡献 ，白白的浪费了算力，而 GHOST通过计算分叉区块个数来提升链的安全性 ，但分叉区块除了纳入区块计数外，区块内包含的交易信息却全部 被丢弃 。
这种新的区块结构带来了新的特性，当然，比特币的 最长链规则 也可以在DAG上实施，只不过安全性和处理交易能力不佳，而GHOST协议可以提高安全性和处理交易能力，为了 最大化 利用DAG区块链特性，社区提出了不同的协议，接下来介绍Yonatan Sompolinsky 提出的 SPECTRE协议 ，以及 PHANTOM协议 ，以及国内某社区提出的 CONFLUX协议 。
丢弃主链概念，所有产生的区块共同构成账本，不丢弃任何一个区块
只要是产生的区块就不会被丢弃，所有的区块都是有效的，所有区块共同组成账本，这样进一步提高了区块链的处理交易能力， 该设计的关键在于设计算法来保证区块链不会被恶意攻击成功。
SPECTRE协议较为复杂，下边将从其如何产生区块、如何处理冲突交易以及产生可信交易集三个方面进行描述。
SPECTRE协议中，当产生区块时，要指向之前所有分叉的末端区块。
下图中，左边为比特币产生区块时，当有分叉出现，新区块将选择基于其中一个产生新的区块，而SPECTRE中，将基于所有分叉末端区块产生新的区块。同时，当有新区块产生时，节点要立刻将新区块(包含基于哪些区块产生这一信息)发送给与自己相连接的节点。
仔细观察，GHOST协议中虽然有分叉，但每个区块都只基于前边某一个区块产生，而SPECTRE协议中要基于当前节点知道的所有末端区块产生下一个区块。
SPECTRE协议将矿工维持交易不冲突的要求剥除
比特币就像一本 权威 的账本，只要是里边记录的，就一定是真的(不考虑分叉和恶意攻击)，而SPECTRE产生的DAG就像一本 不权威 账本，里边的交易信息可能冲突(上边图1中两个1区块中可能包含冲突交易信息)。
该协议下，挖矿节点只 负责迅速挖区块 (能够达到1秒一个区块)，而对分叉中可能包含的冲突交易在挖矿阶段并 不做任何处理 ，将记录交易速度最大化，让DAG这种区块链有着恐怖的处理交易能力。
是时候解决挖矿不解决的 冲突交易 问题了，SPECTRE的思路是设计一个计算投票的算法，让诚实区块会投票给诚实的区块，后边的诚实区块会给前边的 堆叠算力 ，从而让恶意攻击失败，其安全算力也是 51% 。
拿双花举例，下图中，X和Y区块中包含着两条冲突交易会导致双花，此时DAG中的区块会对X和Y进行投票， 决定哪一个交易有效。
投票规则如下，投X的标蓝，投Y的标红，X<Y代表X先于Y：
根据投票结果，X中的那条交易信息 有效 ，Y中对应的那条交易信息 无效 。 Yonatan Sompolinsky也对 不指向前边区块 以及 产生区块不发给邻居节点的恶意攻击 有进行分析，在投票规则中，低于50%算力的攻击者会失败。
投票听起来像是一个主动地中心化行为，实际上不是，程序根据当前DAG区块所处的状态自发完成这一区块投票计算过程，就相当于，给定一个DAG数据，输入为两条冲突信息，运行该规则算法，将得出一对冲突交易的哪一个为有效。
SPECTRE可信交易集就相当于超过当前6个区块的比特币链里组成的交易集合。 区块链从数字加密货币的角度来说，就是一个 账本 ，从账本上的交易信息中得出每个 账户 所拥有的货币，所以，得出 确定的、不可能更改 的交易信息就至关重要，SPECTRE可信交易集产生过程如下：
SPECTRE并不会对所有区块进行排序，所有区块没有一个完整的线形顺序，有的只是决定冲突信息先后的区块顺序对。
比特币中的高度代表的就是 线形顺序 ，高度低的区块中交易信息先于高度高的区块里的信息，高度高的区块就不能 包含和高度低的区块冲突的交易 ，而SPECTRE有大量的分叉，区块高度不能代表线形顺序，前边的区块交易信息不一定先于后边的分叉区块交易信息，交易信息的有效性要由投票算法来决定，区块投票算法很快，再加上它将 所有分叉区块 都包含进来，也就没有了比特币所面临的 分叉风险 (等待6个区块)，交易确认时间可以达到10秒。
至此，和比特币相比，SPECTRE对应的DAG区块链有三个特点：
SPECTRE协议非常 适合DAG型数字加密货币 ，但当它用于智能合约时，它的缺陷就出来了，智能合约需要一个 严格的线性顺序 ，对此Yonatan Sompolinsky新设计了 PHANTOM 协议来对DAG区块形成一个 线性顺序 ，下边将详细介绍PHANTOM协议。
SPECTRE和PHANTOM是两个完整的独立的协议，不是一个对另一个的补充。
PHANTOM的挖矿机制和SPECTRE一样，会产生同样类型的DAG，不同的是PHANTOM通过对 区块连通度分析 ，判定区块诚实还是恶意，按照分类对区块排序，对DAG区块产生一个严格的 线性顺序 ，通过线性顺序来判断 冲突交易有效性 。
DAG中，攻击者有两种攻击手段， 一产生的区块不基于已知的末端区块，二不立即发布自己产生的区块 ，前者会让自己区块指向的区块变少，后者让其他节点产生的区块不会指向自己的区块，这两种情况都会导致这些恶意区块的与其它区块的 连接度低 。
诚实区块在考虑网络最大延迟下，经过一定时间一定会传遍整个网络，一定会被后边的区块所指向，诚实节点在产生新区块时也一定会指向自己所知道的末端区块。
通过对 区块指出去的边和指向该区块的边 进行分析，也就是区块的 连通度 ，当考虑最大的网络延迟，连通度会有一个 极限值K ，低于该值的区块可以被认定为恶意区块，在排序中要处于 劣势 。
接下来，进行区块 诚实和恶意 判定，判定分两步，第一步最重要， 实现复杂也耗费时间 ，主要为通过对区块连通度的判定，将强连通度的区块标为蓝色视为诚实区块，弱的标为红色视为恶意区块。
第二步 先对蓝色区块集排序 ，拓扑排序，然后对 红色区块集排序 。红色区块的顺序要处于弱势，例如上图中C，它处于A和I之间，那么它的顺序会排在I的前一个区块，而D、H都会排在C前。 注意通过考虑最大延迟时间设定连通度的值，几乎所有正常诚实节点产生的区块都会被标记为蓝色
至此，PHANTOM协议实现了对DAG的 线性排序 ，通过线性顺序就可以提取 无冲突交易集 ，进而提取 可信交易集 ，虽然耗时较长，满足智能合约的要求。
Yonatan Sompolinsky在PHANTOM协议论文结尾，提出一种将PHANTOM + SPECTRE结合起来的可能协议，没有详细展开介绍。下图是几种协议的对比：
至此，介绍了Yonatan Sompolinsky一开始从分叉导致不安全提出的GHOST，到后来将DAG引入区块链，设计了SPECTRE协议，以及为智能合约考虑的PHANTOM协议。接下来，介绍国内某社区提出的CONFLUX协议。
GHOST有 主链但丢弃分叉区块 ；SPECTRE 没有主链，包含所有分叉，但没有线性顺序 ；PHANTOM 没有主链，包含分叉且有线性顺序 ，而CONFLUX 即有主链，又是DAG，利用主链让DAG产生线性排序 ，下面将从挖矿机制和区块排序两方面来说明CONFLUX协议。
CONFLUX协议定义了根源边和参考边。 新区块是基于前一个主链区块产生的，新区块用根源边(实线)指向前一区块，用参考边(虚线)指向分叉的其他区块末端 ，如下图最后一个新区块实线指向H，虚线指向分叉末端区块K。 根源边用于代表区块基于哪个区块产生，给哪个区块堆叠算力，参考边用于表示分叉的其它区块产生在该区块之前。
挖矿过程如下：
根源边只能有一条，参考边可多条(视情况而定)
以主链区块为分割点，将DAG分段，段间段内设计简单排序算法
CONFLUX协议下产生的区块链如上(图2)，接下来对其进行线性排序，排序算法如下：
通过上述排序，DAG有了一个 线性顺序 ，上图DAG区块顺序为 Genesis, A, B, C, D, F, E, G, J, I, H, and K 。接下来对该线性顺序的区块里的交易信息进行交易排序， 单一区块 里可能包含的冲突交易将直接按照该区块内交易信息排列 先后顺序 决定。
至此，CONFLUX对DAG所有区块产生一个 线性顺序 ，进而可以对区块内交易信息排序，产生 无冲突交易集 ，超过一定时间的无冲突交易组成 可信交易集 。 主链只是排序的标尺，作为分割时段的标准，CONFLUX包含所有分叉区块。
GHOST论文
Inclusive论文
SPECTRE论文
PHANTOM论文
CONFLUX论文
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⑻ 以太坊和比特币的区别
1.比特币是一种货币，是一种使用某种算法和数据结构产生的一堆数据，而且还会不停并且不能停地产生。只要这堆数据停止了增加，那我们就认为比特币死了。这堆数据可以用来干很多事，现在我们就拿它来做为货币，还可以拿它来搞智能合约之类的东西。这堆数据可以用来干很多事，现在我们就拿它来做为货币，还可以拿它来搞智能合约之类的东西。
2.以太坊是一种智能合约和去中心化应用平台。讲它是“平台”也是一种在我们使用者当中的投影。平台这个概念很有意思，比如我们说Windows是一个平台，微信也是一个平台，比如我们说一个大学也是一个平台，社会也是一个平台。所谓的平台，就是在这上面我们能做事。而深挖以太坊，其实和比特币是一样的，也是使用某种算法和数据结构产生的一堆数据，这一堆数据也一样还在继续增加而且不能停止增加。
3.比特币的优势：整体看来，参赛团队对于比特币的投资支持率为 55%，以太坊则为 45%。根据部分团队给出的研究报告，比特币的价值仍然会高于以太坊，预计到 2020 年，比特币的价格将会再度上涨 600%。
拓展资料：
1.比特币和以太币的产生过程：比特币和以太币都是通过挖矿程序产生的。通过竞争计算一种题目，谁先算得谁获得系统奖励的币。两者的区别是计算的题目不一样。比特币是十分钟算一个解，以太币是12秒一个解。使用以太坊，阻挡时间设置为14-15秒，而不是比特币10分钟。很明显，以太坊比起比特币允许更快的交易时间；以太坊逐年释放相同数量的以太网，而比特币区块每四年会减半；比特币交易的成本是标准化的，而与以太坊相比，成本可能会根据计算复杂性，带宽使用和存储需求而变化；以太坊自己的图灵完整的内部代码允许计算任何东西，只要有计算能力和时间。比特币中没有这种灵活性；以太坊成群结队，而比特币被释放 - 现有2100万比特币中的大部分都由早期的矿工拥有；与比特币不同，以太坊通过其Ghost协议阻止集中式池池挖掘；以太坊使用Ethash，这是一种内存硬哈希算法。比特币使用集中式专用集成电路。