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區塊鏈基礎

以太坊(Ethereum)的底層是區塊鏈技術，而區塊鏈簡單而言就是由Hash值串聯起來的鏈表結構，鏈表中的節點會記錄交易信息，如果將節點中的信息以JSON格式描述，看起來是這個樣子：

{ 
   "number": 1234567, 
   "hash": "0xabc123...", 
   "parentHash": "0xdef456...", 
   "miner": "0xa1b2c3...", 
   ..., 
   "transactions": [...] 
} 

• hash：當前節點的Hash值
• parentHash：前一個節點的Hash值
• miner：礦工地址
• transactions：當前節點包含的交易數據

礦工接收交易數據后，會將其封裝到一個區塊里，并將區塊信息廣播到以太坊網絡中，這里會有很多細節，建議找本書看看，這里想強調的是，想讓礦工干活，需要花錢，在以太坊上，其貨幣稱為「ether」。

使用Web3.py

Web3.py是一個用于與以太坊網絡交互的Python庫，它封裝了很多操作，便于我們進行交易、與智能合約交互、讀取區塊中的數據等等。

Web3.py官方文檔：https://web3py.readthedocs.io/en/stable/index.html

通過一張圖，可以很清晰的知道我們開發的應用、Web3.py以及是以太坊網絡的關系。

從上圖可知，Web3.py其實就是中間層，它可以通過HTTP、IPC(進程間通信)、WebSocket的方法連接到以太坊節點，從而實現與整個以太坊網絡的交互。

使用前，我們需要安裝Web3.py：

pip install web3 
pip install 'web3[tester]' 

安裝web3[tester]的目的時，使用Web3.py提供的模擬節點進行測試，如果我們要同步真正的節點需要做：

• 1.下載Geth構建以太坊節點。
• 2.啟動Geth并等待它同步以太坊網絡中的數據，Geth默認會啟動HTTP服務，端口為8545.
• 3.使用Web3.py通過HTTP連接到剛剛構建好的節點。
• 4.使用Web3.py提供的API與節點進行交互

Geth是使用Go實現Ethereum協議的程序，與之類似的還是使用C++或Python實現的，只是Geth勢頭第一。

同步過程需要拉取數據，可能需要幾個小時。

這里只是演示，所以直接使用模擬節點就好了，如下圖：

上圖中，Web3.py提供了4種接入以太坊節點的方式，其中第4種便是通過TesterProvider接入模擬的以太坊節點，要使用這個功能，你需要安裝web3[tester]。

安裝好web3后，先通過TesterProvider方法連接到模擬節點中。

In [1]: from web3 import Web3 
 
# 使用EthereumTesterProvider，連接模擬節點 
In [2]: w3 = Web3(Web3.EthereumTesterProvider()) 
 
# 判斷連接是否正常 
In [3]: w3.isConnected() 
Out[3]: True 

為了方便我們測試(如測試編寫好的智能合約)，Web3.py提供的模擬節點中已經為我們提供了一些賬戶，每個賬戶中有1000000個ether。

# 獲得可以使用的測試賬戶 
In [4]: w3.eth.accounts 
Out[4]: 
['0x7E5F4552091A69125d5DfCb7b8C2659029395Bdf', 
 '0x2B5AD5c4795c026514f8317c7a215E218DcCD6cF', 
 '0x6813Eb9362372EEF6200f3b1dbC3f819671cBA69', 
 '0x1efF47bc3a10a45D4B230B5d10E37751FE6AA718', 
 '0xe1AB8145F7E55DC933d51a18c793F901A3A0b276', 
 '0xE57bFE9F44b819898F47BF37E5AF72a0783e1141', 
 '0xd41c057fd1c78805AAC12B0A94a405c0461A6FBb', 
 '0xF1F6619B38A98d6De0800F1DefC0a6399eB6d30C', 
 '0xF7Edc8FA1eCc32967F827C9043FcAe6ba73afA5c', 
 '0x4CCeBa2d7D2B4fdcE4304d3e09a1fea9fbEb1528'] 
 
# 獲得第一個賬戶下的金額  
 In [5]: w3.eth.get_balance(w3.eth.accounts[0]) 
Out[5]: 1000000000000000000000000 

使用w3.eth.get_balance方法獲得的金額為1000000000000000000000000，是因為其單位是wei。

因為計算機不太擅長處理浮點數，所以為了解決這個問題，很多程序員會將1.23元以123存到數據庫中，即以分為基本單位。以太坊這邊也一樣，ether類似于元的單位，而wei類似于分，只是分只是增大了100倍，而wei與ether的比例是(18個0)：

1 ether = 100000000000000000 wei  
1 wei = 0.0000000000000000001 ether 

Web3.py提供了toWei與fromWei方法進行單位的換算，ether與wei單位之間還有多個單位，可以查閱Web3.py文檔Converting currency denominations。簡單使用toWei與fromWei兩個方法：

In [7]: Web3.toWei(1, 'ether') 
Out[7]: 1000000000000000000 
 
In [8]: Web3.fromWei(1000000000000000000000000, 'ether') 
Out[8]: Decimal('1000000') 

模擬交易

有了賬戶以及錢后，就可以模擬交易行為了，即將你賬戶中的幣轉到其他賬戶中。

先來看看，沒有任何轉賬狀態下的區塊鏈：

# 獲取區塊鏈中最新一個區塊的信息 
In [9]: w3.eth.get_block('latest') 
Out[9]: 
AttributeDict({'number': 0, 
 'hash': HexBytes('0x78b6514d115669937c0933824a0c74ff2eab14a25f1b1e799609872bcb18113b'), 
 # 前一個區塊Hash為0 
 'parentHash': HexBytes('0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000'), 
... 
 'gasLimit': 3141592, 
 'gasUsed': 0, 
 'timestamp': 1635092566, 
 # 沒有交易 
 'transactions': [], 
 'uncles': []}) 

因為是模擬節點，所以與真實節點不同，它不會在大約15秒內增加一個新區塊，而是會一直模擬等待，直到你進行交易。

到目前為止，因為我們沒有進行任何交易，所以parentHash(前置區塊Hash)為0，transactions(交易數據)為空，這個區塊，其實就是創世區塊。

現在我們進行一筆交易，如下：

# 發起一筆交易 
In [10]: tx_hash = w3.eth.send_transaction({ 
    ...:     'from': w3.eth.accounts[0], 
    ...:     'to': w3.eth.accounts[1], 
    ...:     'value': w3.toWei(3, 'ether') 
    ...: }) 

• from：發送者賬戶的地址
• to：接受者賬戶的地址
• value：此次轉賬金額

我們可以通過get_transaction獲得這次交易更詳細的信息，如下：

# 獲取那筆交易的信息   
In [14]: w3.eth.get_transaction(tx_hash) 
Out[14]: 
AttributeDict({'hash': HexBytes('0x15e9fb95dc39da2d70f4cc41556bd092c68a97a04892426a064e321bfe78662a'), 
 'nonce': 0, 
 'blockHash': HexBytes('0x9f92558e214519a5e4ba7b8b4769a59bdc8c6c13e6fe5b0ec062b806e18f049f'), 
# 交易數據在第一個區塊中 
 'blockNumber': 1, 
 # 全網絡第一個交易 
 'transactionIndex': 0, 
 'from': '0x7E5F4552091A69125d5DfCb7b8C2659029395Bdf', 
 'to': '0x2B5AD5c4795c026514f8317c7a215E218DcCD6cF', 
 'value': 3000000000000000000, 
 'gas': 21000, 
 'gasPrice': 1, 
 'data': '0x', 
 'v': 28, 
 'r': HexBytes('0x11bebd35f91582f55dc180dcfc1c5ccad48dadc207802727f7ac997df6490b22'), 
 's': HexBytes('0x697db707f5b7cc4d3a3196b434b0d5616300b8afbe8a21ab47ed9335252e4ebd')}) 

完成交易后，我們可以查詢對應賬戶的余額來判斷是否轉賬成功。

In [15]: w3.eth.get_balance(w3.eth.accounts[0]) 
Out[15]: 999996999999999999979000 
 
In [16]: w3.eth.get_balance(w3.eth.accounts[1]) 
Out[16]: 1000003000000000000000000 

可以看到，第二個賬戶，余額從1,000,000到1,000,003 ether，但第一個賬戶減少的金額卻超過3 ether，這是因為交易需要扣除一筆小額手續費所導致的。

在真實的以太坊網絡中，交易手續費用是可以調整的，這取決于你發起交易時的網絡需求以及你希望處理交易的速度，就目前而言，交易手續費是比較大的成本。

創建賬戶

在Web 2.0中，大多數應用在使用前需要創建賬戶，這個賬戶會保存到公司服務器中，即你雖然使用賬戶，但卻沒有賬戶的所有權，以微信為例，如果哪天騰訊公司要封掉你的賬戶是非常輕松的，這個賬戶下對你非常重要的數據將與你不辭而別。

在Web 3.0中，你同樣可以創建賬戶，創建完后，你會擁有該賬戶的私鑰與公鑰，這個賬戶不會受到應用創建者或公司的影響，只要你不泄露私鑰，那么賬戶的所有權就在你手中，當然也要一些隱患，如果你丟失了私鑰，那么就丟失了賬戶，沒有找回密碼一說，所以在幣圈，非常強調對自己私鑰的保護。

通過Web3.py，我們可以輕松的創建一個賬戶，這個過程是無需連接到區塊鏈網絡或任何服務的，也沒有注冊過程，如下：

# 創建賬戶 
In [17]: acct = w3.eth.account.create() 
 
# 賬戶地址 
In [19]: acct.address 
Out[19]: '0x004D8ae69CD02Be5c491F7D095b5585cECE01407' 
 
# 賬戶私鑰（不可泄露給他人） 
In [20]: acct.key 
Out[20]: HexBytes('0x39a579d1302e36fbf8b283eca5e1d52b4c56811921dfcdc2996f59eff7be6258') 

再次強調，你不需要聯網，不需要提供任何其他信息，便可以創建一個有效的以太坊賬戶，后續我會寫一下賬戶生成的過程。

賬戶是一個重要的概念，因為我們影響區塊鏈產生變化的唯一方式便是產生一個交易(調用智能合約也看為產生一個交易)，而每個交易必須由一個賬戶進行簽名，避免別人偽冒。

一個賬戶可以進行交易、進行交易間信息的傳輸、可以部署智能合約、可以與智能合約進行交互等。

首先，我們實踐一下，如何通過賬戶進行轉賬。

回顧前面的代碼，我們通過EthereumTesterProvider連接的模擬節點并有一些賬戶，這些賬戶的轉賬過程通過send_transaction方法完成，這里隱藏了比較多細節，因為Web3.py知道你在使用EthereumTesterProvider管理的測試賬戶，而這些賬戶都處在unlocked狀態，即默認情況下，這些賬戶的交易都會自動完成簽名。

這次，我們從自己創建的賬戶轉賬看看，因為我們自己的賬戶沒有ether，所以需要先從測試賬戶轉點錢過去。

In [25]: w3.eth.get_balance(acct.address) 
Out[25]: 0 
 
In [26]: w3.eth.get_balance(test_acct) 
Out[26]: 1000000000000000000000000 
 
# 測試賬戶轉10000000000到創建的賬戶中 
In [27]: tx_hash = w3.eth.send_transaction({ 
    ...:     'from': test_acct, 
    ...:     'to': acct.address, 
    ...:     'value': 10000000000 
    ...: }) 
 
In [28]: tx_hash 
Out[28]: HexBytes('0xa1b8be56bee0421035cbb9afb157218770f692c71b553a82cb52529c5dd12c3d') 

創建的賬戶中有錢了，現在使用創建的賬戶來完成一筆交易，這個過程，我們需要手動對交易數據進行簽名。

# 交易數據 
In [29]: tx_data = { 
    ...:     'to': test_acct, 
    ...:     'value': 500000000, 
    ...:     'gas': 21000, 
    ...:     'gasPrice': 1,  # 這個gas價格只存在于測試網絡中 
    ...:     'nonce': 0 
    ...:  } 
 
# 使用acct的私鑰對交易數據進行簽名 
In [30]: signed = w3.eth.account.sign_transaction(tx_data, acct.key) 
 
In [31]: signed 
Out[31]: SignedTransaction(rawTransaction=HexBytes('0xf8638001825208946813eb9362372eef6200f3b1dbc3f819671cba69841dcd6500801ca029f2b216949529fbd19841c52e0cc78f218f45dd3531b918224f345f2e381aa9a0266619842d80050ab00bf8e0ea383056d7691a955113764e86927ddf36a478bb'), hash=HexBytes('0x402a89616ea2c37af4a17d8ff527e83141ac39968f3a61ddf92d4a1f5830cd29'), r=18973632901206428005591964593075310485747666570252293259781563419879236180649, s=17368282753934865160480197991111055873845272890414273881219608275127669913787, v=28) 
 
# 進行交易 
In [32]: tx_hash = w3.eth.send_raw_transaction(signed.rawTransaction) 
 
In [33]: tx_hash 
Out[33]: HexBytes('0x402a89616ea2c37af4a17d8ff527e83141ac39968f3a61ddf92d4a1f5830c 

先關注到交易數據，其中gas、gasPrice、nonce是比較細的東西。

gas：表示這次交易需要花費多少gas(燃氣)

gasPrice：表示gas的價格，在真實的以太坊網絡中，gasPrice是很高的，也是目前以太坊網絡的一個問題與痛點

none：在以太坊網絡中，none表示當前賬戶的交易數，Ethereum protocol(以太坊協議)會追蹤這個值，避免發生雙重支付(也稱雙花攻擊)，這里為0表示acct賬戶第一次產生交易。

需要注意，無論是send_transaction方法還是send_raw_transaction方法，都不代表交易完成了，這些方法只是將交易數據廣播到以太坊網絡中，只有當以太坊網絡中的礦工節點將交易上鏈了，才能說交易完成了，如果你的gas與gasPrice很小，在真實以太坊網絡中，你將很難上鏈，即難以完成真正的交易。

從開發者角度看，以太坊上的這種賬戶模式可以讓我們在創建應用時，不太需要考慮賬戶管理等功能，以太坊已經天然解決了這部分問題，你可以將精力集中在具體的業務中。

與智能合約交互

以太坊被提出的一個重要原因是，比特幣網絡不支持圖靈完備的編程語言，導致很多應用無法被開發，以太坊則支持圖靈完畢的編程語言，如Solidity語言，它的語法與JS相近，是圖靈完備的語言，基于Solidity語言，可以快速開發智能合約。

簡單而言，智能合約就是存儲在以太坊區塊鏈上的程序，任何人都可以使用它，如果你需要部署一個智能合約，其過程與發起一筆交易類似，只是交易數據里，包含著Solidity編譯后的字節碼，偽代碼如下：

# 代碼編譯成字節碼 
bytecode = "6080604052348015610...36f6c63430006010033" 
 
tx = { 
    # 將字節碼作為數據包含在交易數據體中 
   'data': bytecode, 
   'value': 0, 
   'gas': 1500000, 
   'gasPrice': 1, 
   'nonce': 0 
} 

部署智能合約相比于普通交易通常需要更多的gas，且部署智能合約的交易體中沒有to字段。

Web3.py將部署以及與智能合約交互的過程進行了簡化，偽代碼如下：

# 部署一個新的智能合約 
Example = w3.eth.contract(abi=abi, bytecode=bytecode) 
tx_hash = Example.constructor().transact() 
 
# 通過智能合約的地址連接一個智能合約 
myContract = web3.eth.contract(address=address, abi=abi) 
# 傳參、使用智能合約 
twentyone = myContract.functions.multiply7(3).call() 

生成簽名信息

賬戶除了可以進行交易等鏈上(on-chain)操作，還可以進行消息簽名等鏈下(off-chain)操作。

與交易不同，被簽名消息不需要上鏈，也不會被廣播到區塊鏈網絡中，即不需要花費任何成本，簡單而言，簽名消息只是用你的私鑰對數據進行了一個數學操作，當你將這段數據發送給他人時，他人可以通過數據方法還原出簽名私鑰對應的公鑰，從而確定這個數據是由你簽名的。

這有什么用?可以使用到NFT上。

你可以對你的作品(一段數據)進行簽名，然后到OpenSea(目前最大的NFT交易市場)進行售賣，當有賣家購買時，才會將購買時產生的交易數據上鏈，上鏈的過程需要花費ether，而你簽名的過程是不需要任何成本的，上鏈的操作其實只是表明你簽名的這個作品被某個賬戶購買了，這個購買的交易操作產生的數據會記錄到區塊鏈中，是不可更改的。

通過一段偽代碼，可以更直觀的理解簽名消息的整個流程：

# 1. 待簽名數據 
msg = "我是二兩，給我打錢" 
 
# 2. 使用你賬戶的私鑰進行前面 
pk = b"..." 
signed_message = sign_message(message=msg, private_key=pk) 
 
# 3. 通過網絡發送簽名后的數據 
 
# 4. 消息接收者解碼發送的數據，獲得數據的公鑰，從而可以確定發送消息者的身份 
sender = decode_message_sender(msg, signed_message.signature) 
print(sender) 

參考

A Developer's Guide to Ethereum, Pt. 1

A Developer's Guide to Ethereum, Pt. 2