1.2.1　以太坊的通俗介绍

1. 以太坊和比特币的关系

比特币开创了去中心化密码货币的先河，十多年的时间已经充分检验了区块链技术的可行性和安全性。比特币的区块链事实上是一套分布式的数据库，如果再在其中加入一个符号——比特币，并规定一套协议使得这个符号可以在数据库上安全地转移，以及无须信任的第三方，这些特征的组合完美地构造了一个货币传输体系——比特币网络。

然而，比特币系统并不完美，其中协议的扩展性存在不足，例如比特币网络里只有一种符号——比特币，用户无法自定义另外的符号，这些符号可以是代表公司的股票或者债务凭证等，这就损失了一些功能。另外，比特币协议定义了一套基于堆栈的脚本语言（可用于实现多重签名、外带数据等），然而该脚本语言由于过分强调安全而不具备图灵完备，因此并不足以构建更高级的应用，如去中心化交易所等。而以太坊从设计上就是为了解决这种扩展性不足的问题。

2. 图灵机和以太坊的图灵完备语言

图灵机（turing machine）是图灵在1936年发表的On Computable Numbers，with an Application to the Entscheidungsproblem（《论可计算数及其在判定性问题上的应用》）中提出的数学模型。图灵在文章中证明了只要图灵机可以被实现，那么就可以用来解决任何可计算问题。

图灵机模型的结构如图1-7所示。

●　一条无限长的纸带被分成一个个相邻的格子，每个格子都可以写至多一个字符。

●　一个字符表，即字符的集合，它包含纸带上可能出现的所有字符。其中包含一个特殊的空白字符，意思是此格子没有任何字符。

●　一个读写头，可理解为指向其中一个格子的指针。它可以读取、擦除、写入当前格子的内容，此外也可以每次向左或右移动一个格子。

●　一个状态寄存器，它追踪运算过程中整个机器的每一个状态（运行或终止）。当这个状态从运行变为终止，则运算结束，机器停机并交回控制权。简单来说，它对应着有限状态机里的“状态”。

●　一个有限的指令集，它记录着读写头在特定情况下应该执行的行为。可以想象读写头随身有一本操作指南，里面记录着很多条类似于“当你身处编号53的格子并看到其内容为0时，擦除，改写为1，并向右移一格；此外，令下一状态为运行”这样的命令。其实在某种意义上，这个指令集就对应着程序员所写的程序。

在计算开始前，纸带可以是完全空白的，也可以在某些格子里预先写上部分字符作为输入。运算开始时，读写头从某一位置开始，严格按照此刻的配置，即当前所处位置和当前格子内容来一步步地对照指令集进行操作，直到状态变为停止，运算结束。而后纸带上留下的信息，即字符的序列（比如…011001…）便作为输出，由人来解码为自然语言。

图灵机是一种抽象的计算模型，将人们使用纸笔进行数学运算的过程进行抽象，由虚拟的机器代替人类进行数学运算。图灵机的本质是人类思维在异度空间的映射，数据则是这种映射和其自运行的结果。

注意，以上只是图灵机模型的内容，而非具体的实现。所谓的纸带和读写头都只是图灵提出的抽象概念。例如，算盘虽然不是图灵机（因为它没有无限长的纸带，即无限的存储空间），但它的行为与图灵机一致：每一串算珠都是纸带上的一格，一串算珠上展示的数字记录着当前格中的字符（可以是空白，可以是1、2、3、4、5）；人类的手即读写头，可以更改每串算珠的状态；算盘的运行遵循人脑中的算法（选择、循环、因果、条件等），当算法结束，算盘停机。

在计算机领域或者自动机领域，我们研究的一切问题都是计算问题，可泛指一切与计算相关的问题。

图灵完备性是针对一套数据操作规则而言的概念，该数据操作规则可以是计算机里具体实现了的指令集，也可以是一种编程语言，当这套规则可以实现图灵机模型里的全部功能时，就称它具有图灵完备性。编程语言图灵不完备的常见原因有循环或递归受限（无法写不终止的程序，如while(true){}; ），因为这会导致无法实现类似数组或列表这样的数据结构（不能模拟纸带），采用这样的编程语言实现的程序在功能上就有局限性。因此，判定图灵完备的简单方法就是看该语言是否具备if…else控制流、while循环等功能。如今主流的编程语言（C++、Java、Python等）都是图灵完备的语言。

当然图灵不完备也不总是没有意义的，有些场景需要限制语言本身，如限制循环和递归，可以保证该语言编写的程序一定是终止的。例如，比特币脚本语言就被特意设计为非图灵完备的，具有一定的局限性，它基于堆栈，遵循从左向右处理的简单原则（类似FORTH语言），没有循环语句和复杂的条件控制语句。恰恰由于存在这种局限性，也就没办法执行一些死循环或者一些能够导致DOS攻击的恶意代码，从而也就避免了比特币网络受到DOS攻击。

以太坊上运行的程序又称为智能合约，可以理解为在区块链上（以太坊基于区块链技术架构）可以自动执行的（由事件驱动的）、以代码形式编写的合同（特殊的交易）。其默认采用的编程语言是Solidity，它和JavaScript相似，是一种图灵完备的编程语言（可以实现一切计算功能），用来开发合约并编译成以太坊虚拟机字节代码（源文件扩展名以.sol结尾）。这就使得以太坊比特币系统更加具备扩展性，可以用来开发基于区块链技术的各种去中心化应用（decentralized application，DApp）。

3. 区块链、去中心化应用、比特币、以太坊之间的关系

以太坊是一个建立在区块链技术之上的去中心化应用平台，它允许任何人在平台中建立和运行基于区块链技术的DApp。简单来说，如果去中心化应用是App，那么以太坊是Android平台。基于Android Framework可以开发Android App，那么基于以太坊可以开发出基于区块链技术的DApp。

（1）区块链是一种综合技术，因比特币的实现架构（数据区块、链式迭代、共识算法）而得名。

（2）去中心化应用程序是一种新的数据记录与传播的方案，可以在大规模分布式网络中实现数据记录的实时性、一致性、合法性和可信性（深圳大学，张胜利）。

（3）在以太坊出现之前，实现区块链去中心化应用的唯一方式是修改比特币的源代码，例如加密算法、共识机制、网络协议等，这样修改出来的应用通常应用于数字货币领域，如果需要应用于其他领域，则其工作量将是非常浩大的。

（4）以太坊平台对底层区块链技术进行了封装，区块链应用开发者可以直接基于以太坊平台进行开发，开发者只需要专注于应用本身的开发，从而大大降低了难度。

目前已经围绕以太坊形成了一个较为完善的开发生态圈，有开源社区的支持，可以选择多种开发框架和工具。借助以太坊，可以创建更加丰富的去中心化应用程序（不再局限于数字货币领域），可以实现去中心化自治组织、跨组织协同应用，是一种提高数据主权、改善生产关系、高效率建立信任的“社会编程”框架。

4. 区块链应用的三大架构类型

随着区块链技术的不断发展，区块链应用程序（即基于区块链技术的DApp）在宏观上演化出了三种架构：公有链、私有链和联盟链。这三种架构并没有绝对的优势与劣势，需要根据不同的应用场景来选择合适的区块链架构类型。

（1）公有链：公有的区块链，读写权限对所有人开放。任何人都可以随时进入公有链系统中读取数据、发送可确认交易、竞争记录存储，因为没有任何人或机构可以控制或者篡改其中数据的读写，公有链通常被认为是完全去中心化的。公有链一般会通过某种奖励机制（通常是代币）鼓励参与者竞争记账，来确保数据的安全性。比特币、以太坊都是典型的公有链。主要特点：所有数据公开透明；是高度去中心化的分布式数据库，数据几乎无法篡改；吞吐量低，运作速度慢。

（2）私有链：私有的区块链，读写权限由某个组织和机构控制，参与节点的资格会被严格限制。由于参与的节点是有限和可控的，因此私有链往往具有极快的交易速度、更好的隐私保护、更低的交易成本，不容易被恶意攻击，并且能够做到身份认证等特殊安全要求。主要特点：属于中心化数据库，能防止机构内单节点篡改数据；运作成本低（无须奖励机制）、交易速度非常快。蚂蚁金服的区块链应用是典型的私有链应用。

（3）联盟链：联盟区块链本质上是私有链的一种，只是私有程度低（读写权限对通过授权并加入联盟的所有节点开放，由联盟内成员节点共同维护），因此比纯粹的私有链更具可信度，但其权限设计要求比私有链更复杂。主要特点：由若干个机构共同参与管理，具备一定的去中心化属性，是公有链和私有链的结合版。1.3.3节介绍的Fabric超级账本就是典型的联盟链应用框架。