智能合约入门：搞懂以太坊账户类型、交易模式和运行机制

智能合约入门：搞懂以太坊账户类型、交易模式和运行机制

智能合约开发核心概念 (详细版)

一、账户类型

0. 外部账户 (EOA - Externally Owned Account)

   • 定义： 由私钥控制的账户，是用户与以太坊网络交互的主要方式。可以把它想象成你的银行账户，只有知道密码（私钥）的人才能控制它。

   • 特点：

     • 私钥控制： 拥有私钥（通常是 64 位的十六进制字符串）的人可以完全控制该账户的所有交易和操作。私钥必须妥善保管，丢失则无法找回，泄露则可能导致资产被盗。

     • 主动性： 可以发起交易，包括：

       • 转账 ETH 或代币给其他账户。
       • 部署新的智能合约到区块链上。
       • 与已经部署的智能合约进行交互，调用合约中的函数。

     • 无需代码： 外部账户本身不存储任何代码，它的行为完全由其拥有的私钥控制。

   • 作用：

     • 用户入口： 用户通过外部账户与区块链应用交互，例如：

       • 使用钱包应用（如 MetaMask、Trust Wallet）管理 ETH 和其他代币资产。
       • 参与 DeFi 活动，如借贷、交易、质押等。
       • 购买和交易 NFT。

     • 合约部署者： 开发者使用外部账户部署智能合约到区块链上。

     • 交易发起者： 用户使用外部账户发起各种类型的交易，实现不同的目的。

1. 合约账户 (Contract Account)

   • 定义： 由智能合约代码控制的账户，是区块链应用的核心组成部分。可以把它想象成一个自动执行的程序，它的行为完全由预先编写好的代码逻辑决定。

   • 特点：

     • 代码控制： 合约账户的行为由预先编写好的智能合约代码逻辑决定，不能直接通过私钥控制。
     • 存储代码： 合约账户会存储智能合约的代码，这些代码定义了合约的行为和逻辑。代码一旦部署到区块链上，就无法修改（除非合约设计了升级机制）。
     • 被动性： 合约账户不能主动发起交易，只能被动地响应外部账户或其他合约账户发起的交易或消息调用。
     • 自动执行： 一旦部署到区块链上，合约代码就会自动执行，无需人工干预。但执行需要 Gas，需要由发起调用的账户支付。

   • 作用：

     • 实现业务逻辑： 智能合约代码定义了区块链应用的业务逻辑，例如：

       • DeFi 应用中的借贷、交易、清算等逻辑。
       • NFT 应用中的铸造、转让、拍卖等逻辑。
       • 供应链管理应用中的货物追踪、状态更新等逻辑。

     • 自动化执行： 智能合约可以自动执行，无需人工干预，提高了效率和可靠性。

     • 去中心化： 智能合约的执行是去中心化的，不受任何单一实体控制，保证了公平性和透明度。

2. 总结

   特征	外部账户（EOA）	合约账户
   控制者	私钥	智能合约代码
   主动性	可以发起交易	不能主动发起交易
   代码	无	有
   存储	无	有
   交易发起	多种类型	被动接收
   余额	可以有余额	可以有余额
   地址	私钥生成	自动生成
   交互方式	发起交易	接收交易并执行代码

二、账户交互

0. 外部账户与合约账户交互

   • 流程：

     0. 外部账户发起交易： 用户使用钱包应用创建一个交易，指定要调用的合约地址和函数，以及传递给函数的参数。
     1. 交易广播至以太坊网络： 钱包应用将交易签名后广播到以太坊网络中，等待矿工或验证者打包。
     2. 节点接收交易，EVM 执行对应智能合约的代码： 以太坊网络中的节点收到交易后，会使用 EVM 执行对应的智能合约代码。
     3. 合约更新状态、触发事件等： 智能合约代码执行完成后，会更新合约的状态，例如修改变量的值、存储数据等。合约还可以触发事件，将关键信息记录到区块链上。

   • 方式：

     • 直接调用： 外部账户直接调用合约的公共 (public) 函数。这是最常见的交互方式，例如调用 ERC-20 代币合约的 transfer 函数进行转账。
     • 间接调用： 外部账户通过调用其他合约的函数，间接与目标合约交互。这种方式通常用于实现更复杂的逻辑，例如 DeFi 应用中的多步交易。
     • 代理合约： 使用代理合约可以实现合约升级、访问控制等功能，外部账户通过代理合约间接调用目标合约的函数。

1. 合约账户之间的交互 (消息调用)

   • 定义： 合约账户可以调用其他合约账户的函数，进行交互。 这种调用也被称为内部交易或消息调用 (Message Call) 。

   • 示例：

     • DeFi 协议中，一个借贷合约可以调用一个预言机合约获取最新的资产价格。
     • 一个 NFT 市场合约可以调用 NFT 合约的 transferFrom 函数进行 NFT 的转让。

2. 合约账户转账

   • 注意： 合约账户不能主动发起转账，只能被动地执行转账操作。

   • 方式：

     • 接收外部账户的转账指令（交易调用）： 外部账户调用合约的函数，该函数内部执行转账操作。

     • 接收其他合约账户的转账指令（合约交互）： 一个合约调用另一个合约的函数，被调用合约执行转账操作。

     • 根据预设条件自动触发转账（合约逻辑、定时任务、事件触发）：

       • 合约逻辑： 当满足特定条件时，合约自动执行转账操作，例如：

         • 众筹合约达到目标金额后，自动将资金转给项目方。
         • DAO 合约根据投票结果自动执行资金分配。

       • 定时任务： 使用 Chainlink Keepers 或 Gelato 等服务，定时触发合约执行转账操作。

       • 事件触发： 监听特定事件，当事件发生时，合约自动执行转账操作。

     • 通过预言机获取链下信息并触发转账：

       • 合约使用 Chainlink 或其他预言机服务获取链下信息，例如价格、天气等。
       • 根据预言机提供的信息，合约判断是否需要触发转账操作。

   • 示例：

     • 众筹合约：接收用户捐款，达到目标后自动将 ETH 转移到项目发起人的地址。
     • 保险合约：当预言机报告发生特定事件（例如航班延误）时，自动向投保人支付赔偿金。
     • 自动做市商 (AMM)：根据交易对的价格变化，自动调整流动性池中的资产比例。

三、交易类型

0. 普通交易 (Regular Transaction)

   • 定义： 外部账户之间进行的 ETH 或代币转账。这是最简单的交易类型，用于实现价值的转移。

   • 字段：

     • to：接收方地址（另一个外部账户的地址）。
     • value：转账金额，以 Wei 为单位 (1 ETH = 10^18 Wei)。
     • data：可选字段，可以包含一些额外的数据，例如备注信息。

   • 场景：

     • 朋友间转账： 你想转给朋友一些 ETH。
     • 支付商品/服务： 你想使用 ETH 在线上商店购买商品或服务。
     • 交易所交易： 你想在加密货币交易所买入或卖出 ETH。

1. 创建合约交易 (Contract Creation Transaction)

   • 定义： 将智能合约部署到以太坊区块链上。这种交易会将智能合约的代码上传到区块链，并创建一个新的合约账户。

   • 字段：

     • to：为空，表示创建合约。
     • value：可选字段，可以包含 ETH，用于支付合约部署费用和初始化合约状态。例如，如果合约的构造函数需要接收 ETH，则需要在此字段中指定金额。
     • data：编译后的智能合约代码，通常是字节码 (bytecode)。

   • 场景：

     • 部署新合约： 你开发了一个新的智能合约，需要将其部署到以太坊上。
     • 发行代币 (Token)： 你想发行一种新的代币，例如 ERC-20 代币，需要创建一个 ERC-20 代币合约。
     • 创建去中心化应用 (DApp)： 你想开发一个 DApp，需要部署相关的智能合约，例如智能合约游戏，智能合约钱包等等。

2. 调用合约交易 (Contract Call Transaction)

   • 定义： 外部账户调用智能合约中的函数。这种交易会触发智能合约的执行，并根据合约代码的逻辑进行相应的操作。

   • 字段：

     • to：智能合约的地址。
     • value：可选字段，可以包含 ETH，用于支付合约调用费用（Gas），也可以用于向合约转账。例如，如果合约的某个函数需要接收 ETH，则需要在此字段中指定金额。
     • data：要调用的函数签名和参数。函数签名是一个哈希值，用于标识要调用的函数。参数是传递给函数的输入值。

   • 场景：

     • 使用 DApp： 你想使用一个 DApp，例如 Uniswap 进行代币兑换，需要调用相关的智能合约函数。
     • 参与 DeFi： 你想参与 DeFi 借贷或质押活动，需要与智能合约进行交互。
     • 购买 NFT： 你想购买一个 NFT，需要调用 NFT 智能合约的购买函数。
     • 铸造NFT： 你需要调用 NFT 智能合约的mint函数去铸造NFT。

四、以太坊虚拟机 (EVM)

0. 定义：

   • 以太坊虚拟机（Ethereum Virtual Machine，简称 EVM）是一个 图灵完备的 虚拟计算机， 是以太坊的核心组成部分。它负责执行智能合约代码，处理交易，并维护区块链的状态。

1. 作用：

   • 执行智能合约代码： EVM 负责解释和执行智能合约的字节码指令。
   • 计算状态变更： 根据智能合约的执行结果，EVM 会计算区块链的状态变更，例如账户余额的变化、合约存储的更新等。
   • 提供安全环境： EVM 提供了一个隔离的安全环境，确保智能合约的执行不会影响到以太坊网络的其他部分。
   • 确定性执行： EVM 执行合约必须确保执行结果的确定性，同样的输入一定会得到同样的输出。
   • 独立于主机，确保所有节点计算结果一致： EVM 的设计使其能够在不同的操作系统和硬件平台上运行，保证了以太坊网络的一致性。

2. 工作原理：

   • 每个节点运行 EVM： 以太坊网络中的每个节点都运行着一个 EVM 实例。
   • 交易消耗 Gas： 智能合约的执行需要消耗 Gas，Gas 是一种用于衡量计算资源消耗的单位。
   • EVM 具有规则和限制： 为了防止恶意代码和资源滥用，EVM 对智能合约的执行设置了 Gas 上限和其他限制。
   • 更新区块链状态，生成新区块： 当 EVM 成功执行完智能合约后，会将状态变更提交到区块链，并由矿工或验证者打包成新的区块。
   • EVM的编译运行：首先，使用Solidity等高级语言编写智能合约；然后，使用Solidity编译器将智能合约编译成EVM字节码；最后，将编译后的字节码部署到以太坊网络，EVM负责解释和执行这些字节码。

五、以太坊客户端

0. 定义：

   • 以太坊客户端是实现了以太坊协议的软件，允许用户连接到以太坊网络，并与网络进行交互。简单来说，以太坊客户端就是你访问以太坊网络的入口。

1. 作用：

   • 同步区块链数据： 客户端会与其他节点同步区块链数据，包括区块头、交易信息等，确保本地存储的区块链数据与网络保持一致。
   • 广播交易和区块： 客户端允许用户发起交易，并将交易广播到以太坊网络中，等待矿工或验证者打包。同时，客户端也会接收来自网络的区块信息，并将新的区块添加到本地的区块链数据中。
   • 执行 EVM： 客户端内部集成了 EVM，用于执行智能合约代码。
   • 遵循共识机制： 客户端会遵循以太坊的共识机制（例如 PoW 或 PoS）来验证区块的有效性，并参与区块链的维护。

2. 常见客户端：

   • Geth（Go-Ethereum）： 使用 Go 语言编写，是以太坊官方提供的客户端，也是最常用的客户端之一。
   • OpenEthereum（原 Parity）： 使用 Rust 语言编写，以性能和安全性著称，适合对资源占用有要求的场景。
   • Besu： 使用 Java 语言编写，由 Hyperledger 项目支持，面向企业级应用。

3. 功能：

   • 节点类型：

     • 全节点 (Full Node)： 存储完整的区块链数据，并验证所有交易和区块。全节点需要消耗大量的存储空间和计算资源，但可以提供最高的安全性和可信度。
     • 轻节点 (Light Node)： 只存储区块头信息，不存储完整的交易数据。轻节点需要依赖全节点来获取交易信息，因此对资源的要求较低，但安全性也相对较低。
     • 归档节点 (Archive Node)： 存储以太坊区块链的所有历史状态，包括每个账户在每个区块的状态。归档节点用于数据分析、审计等需要访问历史数据的场景。

   • 钱包功能： 客户端通常会提供钱包功能，用于管理用户的 ETH 和其他代币资产，生成和管理密钥对，以及发起交易。

   • 智能合约部署与交互： 客户端允许用户部署智能合约到以太坊网络，并与已经部署的智能合约进行交互，调用合约中的函数。

   • 开发者工具： 有些客户端会提供开发者工具，例如命令行界面 (CLI)、API 接口等，方便开发者进行智能合约开发和调试。

六、以太坊架构分层

0. 执行层 (Execution Layer)

   • 定义： 以太坊网络中负责处理交易、运行智能合约和管理以太坊状态的部分。

   • 核心功能：

     • 交易处理 (Transaction Processing)： 负责接收和验证交易，并将交易打包到区块中。
     • 智能合约执行 (Smart Contract Execution)： 负责执行智能合约的字节码指令，并根据执行结果修改以太坊的状态。
     • 状态管理 (State Management)： 负责管理以太坊的状态，包括账户余额、合约存储、代码等。

   • 技术实现： 以太坊虚拟机 (EVM)。

   • 区块的执行：执行层负责读取区块中的交易数据，并按照顺序执行这些交易。

1. 共识层 (Consensus Layer)

   • 定义： 以太坊网络中负责确定区块的有效性和维护区块链一致性的部分。

   • 核心功能：

     • 验证区块 (Block Validation)： 负责验证区块的有效性，包括验证区块中的交易是否合法、区块头是否符合共识规则等。
     • 维护区块链一致性 (Maintaining Blockchain Consistency)： 负责维护区块链的一致性，确保所有节点都拥有相同的区块链数据。

   • 共识机制： 权益证明 (PoS)。

   • 技术实现： 验证者 (Validators) 和信标链 (Beacon Chain)。

     • 验证者 (Validators)： 在 PoS 机制中，验证者负责验证区块的有效性，并通过投票来决定哪个区块可以添加到区块链中。
     • 信标链 (Beacon Chain)： 以太坊 2.0 的核心组件，负责管理验证者集合，并运行 PoS 共识机制。

2. 协作

   • 数据传递：共识层将区块提议传递给执行层，执行层处理这些交易，并将执行后的状态根返回给共识层。

   • 职责分离：共识层专注于区块链的共识和验证，执行层则负责智能合约的执行和状态更新。

   • 共识层确定区块提议者，执行层负责执行交易和更新状态。

     • 提议区块： 共识层通过PoS机制选择一个验证者来提议新的区块。
     • 执行交易： 执行层接收到共识层传递过来的区块提议后，会执行区块中的交易，并更新以太坊的状态。
     • 达成共识： 共识层会验证执行层执行后的状态，并与其他验证者达成共识，最终将区块添加到区块链中。

七、共识机制

0. 工作量证明 (PoW)

   • 概念： 通过让矿工竞争解决一个复杂的数学难题来产生新的区块，解决难题的过程需要消耗大量的计算资源，因此被称为工作量证明。

   • 核心原理： 矿工通过不断尝试不同的随机数，计算区块头的哈希值，直到找到一个满足特定条件的哈希值，该区块才能被添加到区块链中。

   • 优点：

     • 简单易懂： PoW 的原理比较简单，容易实现。
     • 抗攻击性强： 攻击者需要控制大量的计算资源才能篡改区块链数据。

   • 缺点：

     • 能源消耗巨大： PoW 需要消耗大量的电力，造成能源浪费。
     • 中心化风险： 算力集中在少数矿池手中，存在中心化风险。
     • 效率低下： PoW 的交易确认速度较慢，难以满足大规模应用的需求。

1. 权益证明 (PoS)

   • 概念： 通过让验证者质押一定数量的加密货币来获得验证区块的权利。

   • 核心原理： 网络会根据验证者质押的代币数量、质押时间等因素，选择一个验证者来创建新的区块。其他验证者会对新区块进行验证，如果超过一定数量的验证者同意，该区块就会被添加到区块链中。

   • 优点：

     • 节能环保： PoS 不需要消耗大量的电力，更加节能环保。
     • 去中心化： PoS 可以鼓励更多的参与者成为验证者，提高网络的去中心化程度。
     • 效率更高： PoS 的交易确认速度更快，可以满足大规模应用的需求。

   • 实现步骤：

     • 质押（Staking） ：用户将一定数量的以太币（ETH）存入一个特殊的合约中，成为验证者。
     • 选举：系统会根据一定的规则（比如质押数量、在线时间等）选择一部分验证者参与区块的创建和验证。
     • 创建区块：被选中的验证者负责创建新的区块，并将其广播到网络中。
     • 验证区块：其他验证者会对新区块进行验证，如果验证通过，则签名确认。
     • 达成共识：当一个区块获得足够多的签名后，就被认为是有效的，并添加到区块链中。

八、以太坊 RPC

0. 概念：

   • 以太坊 RPC (Remote Procedure Call) 是一种允许外部应用程序与以太坊节点进行通信的协议。通过 RPC，应用程序可以向以太坊节点发送请求，并获取区块链上的数据，或者执行智能合约。
   • 类似于 API：可以把以太坊 RPC 理解为一种 API，它提供了一组标准的接口，应用程序可以通过这些接口与以太坊网络进行交互。
   • 使用 JSON-RPC 协议：以太坊 RPC 使用 JSON-RPC 协议进行数据交换，JSON-RPC 是一种轻量级、基于 JSON 格式的远程过程调用协议。

1. 工作流程：

   • 客户端发送请求： 客户端（例如 DApp、钱包等）通过 HTTP 或 WebSocket 连接向以太坊节点发送 JSON-RPC 请求。

   • 请求格式：JSON-RPC 请求通常包含以下字段：

     • jsonrpc：指定 JSON-RPC 协议的版本，通常为 "2.0"。
     • method：指定要调用的以太坊 RPC 方法的名称，例如 eth_getBlockByNumber、eth_sendTransaction 等。
     • params：指定调用 RPC 方法所需的参数，参数可以是数组或对象。
     • id：指定请求的 ID，用于标识请求，方便客户端异步处理响应。

   • 节点处理请求： 以太坊节点接收到客户端的请求后，会根据请求的内容进行相应的处理，例如查询区块链数据、执行智能合约等。

   • 返回响应结果： 节点处理完请求后，会将结果封装成 JSON-RPC 响应，并返回给客户端。

     • 响应格式：JSON-RPC 响应通常包含以下字段：

       • jsonrpc：指定 JSON-RPC 协议的版本，通常为 "2.0"。
       • result：指定请求的结果，如果请求成功，则该字段包含返回的数据；如果请求失败，则该字段为空。
       • error：指定请求的错误信息，如果请求成功，则该字段为空；如果请求失败，则该字段包含错误代码和错误信息。
       • id：指定请求的 ID，与请求中的 ID 对应。 同步和异步调用：RPC 可以通过同步或异步的方式调用。在同步调用中，客户端等待服务器返回响应后才能继续执行；在异步调用中，客户端发送请求后可以继续执行其他任务，当服务器返回响应时，客户端会收到通知。

2. 常用方法：

   • eth_blockNumber： 获取最新区块号。
   • eth_getBlockByNumber： 根据区块号获取区块信息。
   • eth_getBlockByHash： 根据区块哈希获取区块信息。
   • eth_getTransactionByHash： 根据交易哈希获取交易详情。
   • eth_getTransactionReceipt： 根据交易哈希获取交易收据。交易收据包含交易的状态（成功或失败）、Gas 消耗量、日志信息等。
   • eth_getBalance： 获取指定账户的 ETH 余额。
   • eth_getCode： 获取指定地址的合约代码。
   • eth_call： 调用智能合约的只读函数（不修改状态），并返回结果。
   • eth_sendTransaction： 发送交易，用于转账 ETH 或调用智能合约的函数（需要消耗 Gas）。
   • eth_sendRawTransaction： 发送已经签名过的交易，允许离线签名交易。
   • eth_estimateGas： 估算执行特定交易所需的 Gas 数量。
   • eth_getLogs： 查询符合特定条件的事件日志。
   • web3_clientVersion： 获取客户端的版本信息。

3. 连接方式：

   • 本地节点 (Local Node)： 在本地运行一个以太坊节点，例如 Geth 或 OpenEthereum，并通过 RPC 接口与节点进行通信。本地节点可以提供最高的安全性和隐私性，但需要消耗大量的计算和存储资源。
   • 公共 RPC 服务 (Public RPC Service)： 使用第三方提供的公共 RPC 服务，例如 Infura、Alchemy、QuickNode 等。公共 RPC 服务可以方便地访问以太坊网络，无需自己维护节点，但可能会存在安全和隐私风险。

4. 安全与限制：

   • 权限控制 (Access Control)： RPC 接口可以用于执行敏感操作，例如发送交易、访问账户等，因此需要进行权限控制，防止未经授权的访问。
   • 请求频率限制 (Rate Limiting)： 为了防止滥用和 DDoS 攻击，RPC 服务通常会设置请求频率限制。如果你的应用程序需要频繁访问 RPC 服务，可能需要购买更高容量的付费服务。
   • CORS 策略：通常需要配置跨域资源共享（CORS）策略，以允许来自不同域的客户端访问 RPC 服务。

九、智能合约，EVM，区块链节点关系

• 智能合约 (Smart Contract)：

  • 是部署在区块链上的可执行代码，定义了状态和函数，用于实现特定的业务逻辑。智能合约通常使用 Solidity 等高级编程语言编写，然后编译成字节码 (bytecode)，存储在区块链上。

• EVM (Ethereum Virtual Machine)：

  • 是以太坊虚拟机，是执行智能合约代码的运行环境。EVM 负责解释和执行智能合约的字节码指令，并管理以太坊的状态。

• 区块链节点 (Blockchain Node)：

  • 是参与以太坊网络的计算机，存储着区块链的完整或部分数据，并负责验证交易、执行智能合约、参与共识机制。每个区块链节点都运行着一个以太坊客户端，例如 Geth 或 OpenEthereum。

• 三者关系：

  • 智能合约运行在 EVM 中： 当用户调用智能合约的函数时，交易会被发送到以太坊网络，并由区块链节点上的 EVM 执行。
  • EVM 运行在区块链节点上： 每个区块链节点都运行着一个 EVM 实例，用于执行智能合约代码。
  • 区块链节点共同维护着以太坊网络： 区块链节点之间相互通信，同步区块链数据，并共同参与共识机制，维护以太坊网络的正常运行。

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总结

理解以太坊的核心概念，如外部账户、合约账户、不同类型的交易模式、EVM、区块链节点以及 RPC 通信，是进入 Web3 和区块链开发的关键。掌握这些知识，你就能构建去中心化应用，参与 DeFi 生态，探索 NFT 世界。希望本文能帮助你扫清入门障碍，踏上区块链开发的征程。请记住，理论学习与实践操作相结合，才能更好地掌握这些概念，创造出更多有价值的应用。