之前我們簡單地介紹過 Blockchain 了,但我們還是對 Blockchain 背後的技術原理不是那麼了解,我們知道 Blockchain 是因為一個數位貨幣帳本這樣的概念被創造出來的,而數位貨幣最擔心的是什麼問題呢?其實就是雙重支付(Double-Spending)這樣的問題。

數位貨幣不像實體貨幣,數位資產比起實體資產容易複製,也因此如果花用數位貨幣的行為如果沒有處理好,就會產生憑空多出其他交易,這就像是偽鈔一樣,會造成通貨膨脹而導致貨幣貶值,讓人不再信任並願意持與流通。因此數位貨幣的支付通常需要一個受信任的第三方來做驗證,這樣的做法雖然簡單,卻存在單點脆弱性,只要這第三方受到攻擊或是監守自盜也一樣會讓這個數位貨幣變成一個失敗的貨幣。

分散式去中心化帳本能解決單點脆弱性的問題,但在驗證正確性這點難度卻很高,所有的節點都有記帳的權利,要如何確定由誰來記帳、記的帳對不對?如果無法確定帳是對的,那就存在雙重支付的風險。

為了改善單點脆弱性及雙重支付這樣的問題,許多分散式的雙重支付防範方法慢慢被提出來,中本聰提出了去中心化(以受信任第三方為中心)的方法來展示解決雙重支付問題,並實作出了 Bitcoin,使用共識機制來解決記帳及驗證的問題,這帶來去中心化數位貨幣帳本的成功。

Bitcoin 的共識協議主要由「工作量證明」(Proof-of-Work, PoW)和「最長鏈機制」兩部分組成,Bitcoin 上的各個節點就是透過共識機制中的工作量證明來決定誰有記帳權,然後取得記帳權的節點就能將新的區塊記帳加到最長鏈上並給予該節點獎勵(新區塊獎勵及交易費收益)。

Bitcoin 的 工作量證明大概會做以下的事情:

  1. 收集還未記到帳上的交易
  2. 檢查每個交易中付款地址有沒有足夠的餘額
  3. 驗證交易是否有正確的簽名
  4. 把驗證通過的交易信息進行打包(組成 Merkle Tree)
  5. 為自己增加一個交易紀錄獲得 Bitcoin 獎勵金
  6. 計算合法的 hash 爭奪記帳權

計算合法 hash 的方式請見下方影片說明,個人覺得這個影片是目前將 Blockchain 加密機制說明得最清楚的影片。我這邊簡略說明一下,合法的 hash 公式大致看起來像這樣:hash(交易內容+交易簽名+nonce+上一個區塊的 hash),我們要取得記帳權,就需要找出前面開頭有 N 個 0 的 hash,由於交易內容、交易簽名及上一個區塊的 hash 都是不可變的,所以每個節點就是不斷的調整 nonce 來計算得出不同的 hash,直到找到開頭 N 個 0 的 hash 為止,第一個找的節點就能獲得記帳權,而其他的節點只要計算 hash 對不對就能驗證這個帳對不對。其中 N 個 0 開頭的 hash 就代表了計算的難度,越多 0 代表越難找到這樣的 hash,也因此可以調整計算難度。就是這樣的設計解決了去中心化分散式系統驗證資料及決定記帳順序的難題,也就改善了數位貨幣單點脆弱性及雙重支付的問題。

以上的內容看完應該就能大體了解 Blockchain 的原理了,甚至要自己做一個 Blockchain 都沒問題!了解了 Blockchain 的技術原理之後,應該能更信任去中心化的數位貨幣的安全性,或許有天大家都信任了去中心化的數位貨幣我們就真的能廣泛使用數位貨幣,為經濟活動帶來更有效率的流通。

延伸閱讀

  1. Blockchain Demo https://anders.com/blockchain/
  2. 區塊鏈 Blockchain — 共識機制之工作量證明 Proof-Of-Work https://www.samsonhoi.com/360/blockchain_proof_of_work
  3. 區塊鏈 Blockchain — 創世區塊、區塊、Merkle Tree、Hash https://www.samsonhoi.com/274/blockchain_genesis_block_merkle_tree
  4. 比特幣如何達成共識 — 最長鏈的選擇 https://hk.saowen.com/a/6e038c8f7813d07e59249c2dae9f7064018b50da1604373aa608a61b033a80e1

之前說過,Blockchain 基本上是因為金流帳本這樣的問題而被創造出來的,也就是說區塊鏈非常適合運用在金流的應用上,我們也可以建立自己的 Blockchain 來搭建自己的金流系統,不過在 Ethereum 上 Smart Contract 這種設計讓我們擁有可以在 Ethereum 區塊鏈上創造自己金流系統的能力,如此我們就不需要自己建一條鏈了。

我們使用 Smart Contract 仿造貨幣性質創造了數位資產(說穿了其實就是在 Smart Contract 上紀錄的變數而已),而這種具貨幣性質的數位資產又被稱作 Token,如此我們就可以在應用程式中使用這個去中心化的金流系統,由於 Token 的應用很普遍,大部分的功能都已經標準化了,我們只要仿造標準來實作就可以發行自己的數位貨幣了。

在這邊我們就練習一下怎麼使用 Mist 發佈 Token Smart Contract 來發行自己的數位貨幣。(目前我們還沒有學習過如何撰寫 Smart Contract,因此這邊會先直接提供範例程式碼,實作的部分我們之後再慢慢學習)

以下是我們的範例程式碼:

請打開 Mist,如下圖點擊 Contract,然後點擊 Deploy New Contract。

你會看到如下圖的頁面,請在 Solidity Contract Source Code 中貼上我們上面提供的範例程式碼。

貼上範例程式碼之後,Mist 會自動編譯程式,檢查是否有語法上的錯誤,如果沒問題,右方的 Select Contract to Deploy 就會出現選項,在這邊我們選擇 Token ERC 20。

選擇 Token ERC 20 之後,右方會出現要初始化 Contract 的參數表單,有 Initial supply、Token name、Token symbol 需要填寫。Initial supply 代表 Token 的總發行量是多少,我這邊設定成 7777777777,你可以設成你想要的數字。Token name 就是這個 Token 要叫什麼名字,這邊我設定成 7 Token,你想要取 Dog Coin 或是 Cat Coin 也都可以。Token symbol 就是這個 Token 要用什麼代號,像是美金就是用 $、Ether 是用 ETH,這邊我設定成 7token,你可以取自己覺得帥的代號。

借下來捲動頁面到底下,這邊你可以設定 Gas Fee 要用多少,這邊就看自己高興,我是沒有做任何調整。最後按下 Deploy!

與區塊鏈互動基本上就是做交易,所以發佈 Smart Contract 也就需要發出一個交易,Mist 會彈出視窗顯示交易資訊及可能的 Gas Fee,請輸入密碼進行交易。

等待一下子就可以看到我們的 Smart Contract 發佈交易已經出現在頁面底端了,只要等待交易被確認,那一個新的數位貨幣就誕生了!

Smart Contract 發佈完成後,請點擊你的帳戶,如下圖所示。

你會發現你的帳戶底下多了一個 Token 紀錄,在這邊我擁有了 7 Token 共 7,777,777,777 顆!如果這個 Token 被承認,那我就是超級有錢人啦!

接下來我們來實際轉一些 Token 給朋友看看,在區塊鏈的世界我們不需要銀行及任何中心化的系統就可以將錢轉給朋友了,也就是我們現在擁有了一個去中心化的金流系統!讓我們來實際感受一下吧!

請點擊 7 Token 選項右邊的 Send,如下圖所示:

填入朋友的 Ethereum 帳戶位址到 To 這個欄位,Amount 填入你想要匯出的 Token 數量,在這邊我填 40,然後捲動頁面到底端送出交易。

等待一下子交易確認後,40 個 Token 就完成匯出了!

我們可以到 Etherscan上確認交易是否真的完成:https://ropsten.etherscan.io/address/0xed29cd5a72b06793601da5f0c4ec3ef5224037c7#tokentxns

的確有 40 個 7 Token 轉到朋友帳戶了!

在這個練習中,我們了解了 Token 到底是什麼,然後我們也實際發行了自己的數位貨幣,完成了自己的去中心化的金流系統,當我們想要轉帳時,我們再也不需要銀行及任何中心化的系統就可以將錢轉給朋友了,只要我們雙方都信任這個數位貨幣,價值的交換就能無遠弗屆地進行了!

Mist 跟前回介紹的 MetaMask 一樣是可以與 Ethereum 進行互動的工具,除了可以管理 Ethereum 相關密鑰之外,Mist 還包含了 Ethereum 節點以及網頁瀏覽器,方便大家瀏覽 Dapp 網頁。

首先請到這邊安裝 Mist,請選擇適於自己的作業系統安裝。

由於 Mist 會安裝節點在你的電腦裡,也因此會同步整個帳本下來,所以會花上不少時間同時也會佔用許多硬碟空間。我們目前僅是要使用測試鏈,所以請切換到 Ropsten 測試鏈(如下圖),這樣就不用花這麼多時間與空間了。

在 Mist 的左下角可以觀察目前已同步到你的電腦的區塊數(如下圖),如果這個數字跟 Etherscan(Etherscan 是一個可以查看 Ethereum 區塊鏈所有交易的網站) 上的最新區塊數一致的話,那就代表已經同步完成了。

接下來讓我們用 Mist 開一個 Ethereum 帳戶,請點擊 Add Account,並依指示輸入密碼後創建帳號,密碼請務必要記下來,將來交易時都會需要輸入你的密碼。

學會創建 Ethereum 帳戶之後,我們要來看一下 Mist 要怎麼備份帳號,請點擊 Mist 上方選單的 File -> Backup ->Accounts(如下圖),這樣就會打開帳號存放的資料夾,所有的帳號都會加密存在這邊,所以只要備份這些檔案及當時設定的密碼,你就可以在別台電腦復原你的帳號。

現在你這個 Ethereum 帳戶還沒有任何 Ether,我們仿造之前用 MetaMask 來跟水龍頭要 Ether 的步驟來取得 Ether 看看。

我個人提供了一個水龍頭 Dapp,請前往這個網址來取得 Ether:https://blog.fukuball.com/dapp/faucet/

由於 Mist 也是一個 Dapp 網頁瀏覽器,請在 Mist 上方的網址列輸入:https://blog.fukuball.com/dapp/faucet/

Mist 在揭露你的 Ethereum 帳戶資訊給 Dapp 網頁時都會詢問你的同意,請先選擇要瀏覽這個 Dapp 網頁的帳號(你可能在 Mist 有多個帳號,所以就需要選擇目前要用哪個帳號瀏覽這個網頁)。

然後點擊 Authorize,這樣就可以連上 Dapp 網頁了。

你可以看到跟 MetaMask 一樣,Ethereum 帳號(public address)已經被填寫到 Send To 欄位了,只要按下 Send To 之後不久你就可以從水龍頭收到 Ether 了。

果然不久之後我們就收到了 0.5 Ether!

接下來我們一樣練習一下把 0.1 Ether 匯回給水龍頭,請在 Credit 欄位輸入 0.1,然後按下 Credit。

這時 Mist 跟 MetaMask 一樣會彈出一個視窗顯示 Gas Fee 等資訊,不同的地方是 Mist 需要輸入密碼來授權這個交易。

交易進行時,你會收到一個 Tx id,在我這邊的例子是:0x82407e0aac7cc5d3ef485ffba78f279b37aaba50e64396c477b1b19ee5590793,你可以到 Etherscan 去查看這筆交易進行的狀態:https://ropsten.etherscan.io/tx/0x82407e0aac7cc5d3ef485ffba78f279b37aaba50e64396c477b1b19ee5590793

不久之後,等交易確認,你就可以看到 Ether 變成 0.4 了,你成功匯回了 0.1 Ether。

如同使用 MetaMask,我們也可以使用官方提供的 Mist 來與 Ethereum 區塊鏈做互動,其實都不錯用,但 Mist 相對肥大很多,也因此有時候交易會卡住,畢竟 Mist 在你的機器上安裝了 Ethereum 節點,所以比起 MetaMask 複雜許多,也比較容易遇到問題。如果你遇到問題了,可能重開 Mist 就能解決,如果還是不能解決,那就 google 吧!

Appendix

Mist 在系統背景開了一個叫 geth 的程序,這個 geth 就是主要用來與 Ethereum Network 互動的程式,未來我們會再多說一點 geth,在這邊我們先稍微看一下就好。

請在 Terminal 輸入指令:

ps aux | grep geth

你會看到 geth 真的有被跑在背景執行:

我們也可以進入 geth 的指令介面來使用 geth 更多功能,請在 Terminal 輸入指令:

/Users/username/Library/Application\ Support/Mist/binaries/Geth/unpacked/geth attach ~/Library/Ethereum/geth.ipc

你會看到像這樣的互動介面:

在這邊可以使用 geth 更多與 Ethereum 互動的指令,我們後續會學到更多,在這邊先簡單感受一下就好,你可以輸入指令:

net.peerCount

這樣 geth 就會回覆目前你的節點有多少的 peer 連結,其他的功能,我們就以後再說吧!

前一回稍微對 Blockchain、Bitcoin、Ethereum 做了一個科普的簡介,我們可以知道 Blockchain 就是一個帳本,每一個加入 Blockchain 的節點都會下載整個帳本在本地端,所以我們就可以在自己的節點(系統)寫入資料到帳本並透過 Blockchain 背後的機制同步到所有的節點。

但實際在節點帳本上寫入交易紀錄前,我們先使用 MetaMask 這個工具來跟 Ethereum 互動吧,不然要裝好 Ethereum 節點、下載好帳本可能會花上不少時間,在這之前就失去耐性的話可不是一個好的開始。

MetaMask 這個工具可以讓你不用安裝節點就跟 Ethereum 上的帳本做互動,這背後的原理其實就是使用別人幫忙維護的節點,如此就可以不用自己安裝節點、同步帳本。

首先請到 MetaMask 上安裝 Chrome(或 Firefox)外掛,並請依指示安裝,MetaMask 會創建 Ethereum 帳戶及相關密鑰,MetaMask 也會管理密鑰,讓你可以方便地使用密鑰來與 Ethereum 互動,請記下密碼及 12 個單字的帳戶復原字,這 12 復原字可以用來讓你回復 Ethereum 帳戶,如下圖。

Ethereum 上流通的貨幣就是 Ether,它用來當成 Ethereum Blockchain 得以運作的貨幣,Ethereum 上的節點想在 Ethereum 上做運算或是記下資料,那就需要付 Ether 當手續費,而在 Ethereum 上當礦工的節點就可以提供運算資源收取 Ether 當報酬。就如同現實世界一樣,貨幣的流通形成了資源的流通,讓世界可以正常運作。

我們先切換到 Ropsten Test Network(Ethereum 的測試鏈,上面的 Ether 是沒有任何價值的)來感受一下在 Blockchain 上怎麼進行交易。

現在我們還沒有任何 Ether 可以使用,這樣我們就沒辦法與 Ethereum 做互動,也就是無法做任何交易,讓我們來跟水龍頭要一些 Ether 來花吧!(在測試鏈上有佛心水龍頭,但正式鏈上就要自己挖礦或是花錢買 Ether 了!)

我個人提供了一個水龍頭 Dapp,請前往這個網址來取得 Ether:https://blog.fukuball.com/dapp/faucet/

這個 Dapp 會讀取你的帳戶位址到 Send To 欄位,你也可以自己複製位址到 Send To 欄位,點擊 Send To 之後不久就可以收到 Ether 了!

如上圖,我們不久之後就收到了 0.5 Ether,接下來我們來把 0.1 Ether 捐回去給水龍頭提供者看看。

請在 Credit 欄位上輸入 0.1,並點擊 Credit。

這時 MetaMask 會彈出交易視窗,顯示將要匯出 0.1 Ether(約 22.78 美金),然後手續費 Gas Fee(礦工運算顯)是 0.0001 Ether。(手續費現實世界通用的,但在 Ethereum 的世界叫 Gas Fee,之後文章將都統一使用 Gas Fee)

你可以點擊 Edit 調整 Gas Fee,簡易說明下 Gas Fee,Gas Fee 就是 Gas Price(以 Gwei 為單位)X Gas Limit 的計算結果,因此這個例子的 Gas Fee 就是 0.0001 Ether,Gas Price 影響的是礦工運算的優先度,Gas Limit 影響的則是可用多少運算資源。

不久之後,我們的 Ether 降到了 0.399978,我們成功地匯回了 0.1 Ether,而 Gas Fee 沒有花完所以得到的 balance 是 0.399978,並非 0.3999(Gas Fee 花光會有交易失敗風險)。

我們成功地透過了 MetaMask 在 Ethereum 上做交易,我們可以不用透過銀行就可以將錢匯來匯去了!只要會寫 Dapp,我們就可以從世界各地賺錢,讓使用者直接與我們交易,中間不需要再接銀行的金流了,這樣的世界是不是很棒呢!

網際網路發展至今,大家已經很習慣上網使用系統與服務了,這樣普遍存在網路上的系統大部分都是 Client-Server 式的系統,這樣的系統會有自己的內部網路與資料庫,當不同的系統之間要溝通或同步資料的時候,通常會透過 API 這樣的管道來溝通與同步資料,而 API 需要工程師撰寫,並不是在這些系統原生就會有的機制與功能,這就會產生開發成本,也因此不同系統之間的資料交換一直是一個需要被解決的問題。

Blockchain 的特性上,若系統是屬於 Blockchain 上的節點,那麼所有的系統節點就是共享同一份資料,當其中一個系統更改了 Blockchain 上的資料,那這一份更改就會同步到所有的系統。

這樣的特性除了泛用的資料同步分享之外,其實也非常適合使用作為「帳本」(可同步、且不可竄改),Bitcoin 是第一個將這樣帳本特性發揚光大的應用,雖然 Bitcoin 被製造出來時還沒有 Blockchain 這樣的概念,但背後的技術及運用的特性就是現在大家在講的 Blockchain。Blockchain 的思想基本上就是以「帳本」這樣的概念產生的,這個帳本上記錄所有的交易紀錄(也就是資料紀錄),且只能新增紀錄,不能修改或刪除紀錄,所有的紀錄像鏈子一樣結合起來,就像一個 chian of block,並透過加密機制讓鏈結的資料不可被竄改,也因此所有的交易紀錄(也就是資料)被紀錄到帳本之中,那就永遠不會消失。要算帳時只要將個人所擁有的所有交易紀錄進帳與出帳加總起來,就可以得到這個帳戶的結餘。Bitcoin 運用了早已存在的 P2P 運算、共識機制、加密機制、Chain of Block 及 Merkle Tree 整合出了現在大家在說的 Blockchain,而這一切的出發點就是為了製造出一個去中心化的金流系統(資料交換系統)。

Bitcoin 帶來了第一波 Blockchain 革命,第二波 Blockchain 革命就是在 Ethereum 開始的。由於在 Bitcoin 上的交易紀錄只是紀錄資料,假設我們將一個可執行的程式紀錄在 Blockchain 交易紀錄上會發生什麼事呢?

這樣這個程式就可以共享在整個 Blockchain 上,大家都可以在 Blockchain 上運行程式,而程式運行的資料可以在 Blockchain 上存取,讓整個 Blockchain 作為資料庫,這樣的程式就叫做 Smart Contract。這樣將程式放到 Blockchain 上運行的想法帶來了 Ethereum 的成功,如此 Ethereum Blockchain 就成了一個非常龐大的運算平台,讓許多去中心化的應用如雨後春筍地開發出來,讓未來的網路應用充滿了更多想像!

這份筆記將會紀錄在 Ethereum 上開發應用所學習到的知識,作為自己的回憶,也分享給想一起學習的開發者。

Fukuball

我是林志傑,網路上常用的名字是 Fukuball。我使用 PHP 及 Python,對機器學習及區塊鏈技術感到興趣。 https://www.fukuball.com

Staff Engineer

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