以太坊简介
在区块链领域，以太坊项目是十分出名的开源项目。作为公有区块链平台，以太坊将比特币针对数字货币交易的功能进一步进行拓展，面向更为复杂和灵活的应用场景，支持了智能合约（Smart Contract）这一重要特性。
从此，区块链技术的应用场景，从单一的数字货币交易，延伸到通用计算领域。用户不再受限于仅能使用比特币脚本所支持的简单逻辑，而是可以自行设计任意复杂的合约逻辑。这就为构建各种多样化的上层应用开启了大门，可谓意义重大。
以太坊项目简介
以太坊（Ethereum）项目的最初目标，是打造一个运行智能合约的平台（Platform for Smart Contract）。该平台支持图灵完备的应用，按照智能合约的约定逻辑自动执行，理想情况下将不存在故障停机、审查、欺诈，以及第三方干预等问题。
以太坊平台目前支持 Golang、C++、Python 等多种语言实现的客户端。由于核心实现上基于比特币网络的核心思想进行了拓展，因此在很多设计特性上都与比特币网络十分类似。
基于以太坊项目，以太坊团队目前运营了一条公开的区块链平台——以太坊网络。智能合约开发者使用官方提供的工具和以太坊专用应用开发语言 Solidity，可以很容易开发出运行在以太坊网络上的“去中心化”应用（Decentralized Application，DApp）。这些应用将运行在以太坊的虚拟机（Ethereum Virtual Machine，EVM）里。用户通过以太币（Ether）来购买燃料（Gas），维持所部署应用的运行。
主要特点
以太坊区块链底层也是一个类似比特币网络的 P2P 网络平台，智能合约运行在网络中的以太坊虚拟机里。网络自身是公开可接入的，任何人都可以接入并参与网络中数据的维护，提供运行以太坊虚拟机的资源。
跟比特币项目相比，以太坊区块链的技术特点主要包括：
- 支持图灵完备的智能合约，设计了编程语言 Solidity 和虚拟机 EVM；
- 选用了内存需求较高的哈希函数，避免出现强算力矿机、矿池攻击；
- 叔块（Uncle Block）激励机制，降低矿池的优势，并减少区块产生间隔（10 分钟降低到 15 秒左右）；
- 采用账户系统和世界状态，而不是 UTXO，容易支持更复杂的逻辑；
- 通过 Gas 限制代码执行指令数，避免循环执行攻击；
- 支持 PoW 共识算法，并计划支持效率更高的 PoS 算法（即Proof of Stake，即股权权益证明）。
此外，开发团队还计划通过分片（Sharding）方式来解决网络可扩展性问题。
这些技术特点，解决了比特币网络在运行中被人诟病的一些问题，让以太坊网络具备了更大的应用潜力。
核心概念
基于比特币网络的核心思想，以太坊项目提出了许多创新的技术概念，包括智能合约、基于账户的交易、以太币和燃料等。
智能合约
智能合约（Smart Contract）是以太坊中最为重要的一个概念，即以计算机程序的方式来缔结和运行各种合约。最早在上世纪 90 年代，Nick Szabo 等人就提出过类似的概念，但一直依赖因为缺乏可靠执行智能合约的环境，而被作为一种理论设计。区块链技术的出现，恰好补充了这一缺陷。
以太坊支持通过图灵完备的高级语言（包括 Solidity、Serpent、Viper）等来开发智能合约。智能合约作为运行在以太坊虚拟机（Ethereum Virual Machine，EVM）中的应用，可以接受来自外部的交易请求和事件，通过触发运行提前编写好的代码逻辑，进一步生成新的交易和事件，可以进一步调用其它智能合约。
智能合约的执行结果可能对以太坊网络上的账本状态进行更新。这些修改由于经过了以太坊网络中的共识，一旦确认后无法被伪造和篡改。
账户
比特币在设计中并没有账户（Account）的概念，而是采用了 UTXO 模型记录整个系统的状态。任何人都可以通过交易历史来推算出用户的余额信息。而以太坊则采用了不同的做法，直接用账户来记录系统状态。每个账户存储余额信息、智能合约代码和内部数据存储等。以太坊支持在不同的账户之间转移数据，以实现更为复杂的逻辑。
具体来看，以太坊账户分为两种类型：合约账户（Contracts Accounts）和外部账户（Externally Owned Accounts，或 EOA）。
- 合约账户：存储执行的智能合约代码，只能被外部账户来调用激活；
- 外部账户：以太币拥有者账户，对应到某公钥。账户包括 nonce、balance、storageRoot、codeHash 等字段，由个人来控制。
当合约账户被调用时，存储其中的智能合约会在矿工处的虚拟机中自动执行，并消耗一定的燃料。燃料通过外部账户中的以太币进行购买。
交易
交易（Transaction），在以太坊中是指从一个账户到另一个账户的消息数据。消息数据可以是以太币或者合约执行参数。
以太坊采用交易作为执行操作的最小单位。每个交易包括如下字段：
- to：目标账户地址。
- value：可以指定转移的以太币数量。
- nonce：交易相关的字串，用于防止交易被重放。
- gasPrice：执行交易需要消耗的 Gas 价格。
- gasLimit：交易消耗的最大 Gas 值。
- data: 交易附带字节码信息，可用于创建/调用智能合约。
- signature：签名信息。
类似比特币网络，在发送交易时，用户需要缴纳一定的交易费用，通过以太币方式进行支付和消耗。目前，以太坊网络可以支持超过比特币网络的交易速率（可以达到每秒几十笔）。
以太币
以太币（Ether）是以太坊网络中的货币。
以太币主要用于购买燃料，支付给矿工，以维护以太坊网络运行智能合约的费用。以太币最小单位是 wei，一个以太币等于 10^18 个 wei。
以太币同样可以通过挖矿来生成，成功生成新区块的以太坊矿工可以获得 3 个以太币的奖励，以及包含在区块内交易的燃料费用。用户也可以通过交易市场来直接购买以太币。
燃料
燃料（Gas），控制某次交易执行指令的上限。每执行一条合约指令会消耗固定的燃料。当某个交易还未执行结束，而燃料消耗完时，合约执行终止并回滚状态。
Gas 可以跟以太币进行兑换。需要注意的是，以太币的价格是波动的，但运行某段智能合约的燃料费用可以是固定的，通过设定 Gas 价格等进行调节。
主要设计
以太坊项目的基本设计与比特币网络类似。为了支持更复杂的智能合约，以太坊在不少地方进行了改进，包括交易模型、共识、对攻击的防护和可扩展性等。
智能合约相关设计
运行环境
以太坊采用以太坊虚拟机作为智能合约的运行环境。以太坊虚拟机是一个隔离的轻量级虚拟机环境，运行在其中的智能合约代码无法访问本地网络、文件系统或其它进程。
对同一个智能合约来说，往往需要在多个以太坊虚拟机中同时运行多份，以确保整个区块链数据的一致性和高度的容错性。另一方面，这也限制了整个网络的容量。
开发语言
以太坊为编写智能合约设计了图灵完备的高级编程语言，降低了智能合约开发的难度。
目前 Solidity 是最常用的以太坊合约编写语言之一。
智能合约编写完毕后，用编译器编译为以太坊虚拟机专用的二进制格式（EVM bytecode），由客户端上传到区块链当中，之后在矿工的以太坊虚拟机中执行。
交易模型
出于智能合约的便利考虑，以太坊采用了账户的模型，状态可以实时的保存到账户里，而无需像比特币的 UXTO 模型那样去回溯整个历史。
UXTO 模型和账户模型的对比如下。
| 特性 | UXTO 模型 | 账户模型 |
|---|---|---|
| 状态查询和变更 | 需要回溯历史 | 直接访问 |
| 存储空间 | 较大 | 较小 |
| 易用性 | 较难处理 | 易于理解和编程 |
| 安全性 | 较好 | 需要处理好重放攻击等情况 |
| 可追溯性 | 支持历史 | 不支持追溯历史 |
共识
以太坊目前采用了基于成熟的 PoW 共识的变种算法 Ethash 协议作为共识机制。
为了防止 ASIC 矿机矿池的算力攻击，跟原始 PoW 的计算密集型 Hash 运算不同，Ethash 在执行时候需要消耗大量内存，反而跟计算效率关系不大。这意味着很难制造出专门针对 Ethash 的芯片，反而是通用机器可能更加有效。
虽然，Ethash 相对原始的 PoW 进行了改进，但仍然需要进行大量无效的运算，这也为人们所诟病。
社区已经有计划在未来采用更高效的 Proof-of-Stake（PoS）作为共识机制。相对 PoW 机制来讲，PoS 机制无需消耗大量无用的 Hash 计算，但其共识过程的复杂度要更高一些，还有待进一步的检验。
降低攻击
以太坊网络中的交易更加多样化，也就更容易受到攻击。
以太坊网络在降低攻击方面的核心设计思想，仍然是通过经济激励机制防止少数人作恶：
- 所有交易都要提供交易费用，避免 DDoS 攻击；
- 程序运行指令数通过 Gas 来限制，所消耗的费用超过设定上限时就会被取消，避免出现恶意合约。
这就确保了攻击者试图消耗网络中虚拟机的计算资源时，需要付出经济代价（支付大量的以太币）；同时难以通过构造恶意的循环或不稳定合约代码来对网络造成破坏。
提高扩展性
可扩展性是以太坊网络承接更多业务量的最大制约。
以太坊项目未来希望通过分片（sharding）机制来提高整个网络的扩展性。
分片是一组维护和执行同一批智能合约的节点组成的子网络，是整个网络的子集。
支持分片功能之前，以太坊整个网络中的每个节点都需要处理所有的智能合约，这就造成了网络的最大处理能力会受限于单个节点的处理能力。
分片后，同一片内的合约处理是同步的，彼此达成共识，不同分片之间则可以是异步的，可以提高网络整体的可扩展性。