具体描述
编辑推荐
区块链来了,你准备好了吗?
你需要一本专业的图书带你领略区块链的特殊魅力!
1.本书不仅详细介绍了区块链的基础知识,更是系统讲解了区块链前沿技术以太坊的应用。
2.本书从实践角度出发,对以太坊技术进行解析,让你更好地了解区块链技术在生活中的应用。
3.本书深度解析经典应用案例“虚拟币”、众筹、去中心化自治组织等智能合约的开发、编译、部署与应用。
4.作者团队实力雄厚,成立“区块链技术研究中心”,并拥有自己的产品链,长期从事区块链相关研究工作。 内容简介
本书主要介绍区块链第二代技术主导平台“以太坊”的应用开发方法。第1章主要讲解区块链的概念、发展历程、区块链的应用本质及思维模式;第2章主要讲解以太坊的技术原理、体系及其他重要基本概念;第3章主要讲解以太坊的安装、网络的配置及应用开发环境的搭建;第4章主要讲解以太坊应用开发的接口方式;第5章主要讲解以太坊的核心创新——智能合约的开发、编译、部署与应用;第6~8章主要讲解以太坊的经典应用案例、众筹的技术特征及去中心化自治组织等智能合约的创建思路、原理与源码。
本书主要面向有志于从事区块链研究,特别是以太坊应用开发的相关技术人员、管理人员及兴趣爱好者,同时可作为本科生、硕士研究生等学生学习与研究区块链技术的参考书籍。 作者简介
赵其刚,中科院计算所、电子科技大学博士后,成都高新信息技术研究院院长,西南交通大学教师,长期从事互联网、智慧城市及软件技术架构相关研究、教学及工程实践活动,已发表学术论文近二十篇,出版图书《移动信息技术及应用》和《NGN QoS 问题研究》。
陆斌,成都高新信息技术研究院理事长,原中国联通四川分公司副总经理,现四川省通信学会常务理事及高级会员,四川省通信行业协会副会长,电气和电子工程师协会(IEEE)会员。研究方向:移动通信技术,移动信息技术,电信核心网技术。出版专著四部,发表学术文章十余篇。
赵其国,成都高新信息技术研究院软件架构师,成都职业技术学院教师,主持和参与多项大型软件系统项目研发工作,担任项目经理、研发经理等职。主讲软件工程及Java EE 相关课程,出版图书《J2EE 企业项目实战——Struts 2+Hibernate+Spring》。 目录
第 1章 区块链概论 001
1.1 区块链概念及应用 002
1.1.1 区块链发展历程 002
1.1.2 区块链的概念 004
1.1.3 区块链的应用 006
1.1.4 区块链不适用场景及风险 007
1.2 区块链2.0:以太坊 008
1.2.1 区块链2.0特征 009
1.2.2 以太坊及关键支撑技术 009
1.2.3 以太坊:区块链2.0工业开发标准 012
1.3 区块链创造历史的机遇 014
1.3.1 程序员的区块链思维 015
1.3.2 用区块链模拟定义社会 015
1.3.3 挑战传统中心化系统 017
第 2章 以太坊工作原理与基础 019
2.1 以太坊工作原理 020
2.1.1 以太坊基本术语 020
2.1.2 以太坊工作机制 021
2.1.3 以太坊软件架构 023
2.2 以太坊客户端与网络 024
2.2.1 各类以太坊客户端 024
2.2.2 以太坊虚拟机 025
2.2.3 以太坊网络 026
2.3 账户与智能合约 028
2.3.1 以太坊账户 028
2.3.2 密钥文件 029
2.3.3 智能合约 029
2.4 以太币 030
2.4.1 以太币的面值 031
2.4.2 燃料和以太币 031
第3章 以太坊安装与开发环境配置 033
3.1 客户端安装 034
3.1.1 以太坊客户端软件安装 034
3.1.2 创建以太坊账户 035
3.1.3 发送以太币 038
3.1.4 客户端应用开发接口 039
3.2 以太坊网络配置 040
3.2.1 以太坊网络基本操作 040
3.2.2 使用以太坊测试网络 046
3.2.3 搭建私有网络 047
3.3 以太坊应用开发环境搭建 053
3.3.1 安装Truffle框架 053
3.3.2 使用VS Code 057
3.3.3 关于其他以太坊开发包 061
第4章 以太坊应用接口 063
4.1 命令行接口 064
4.1.1 Geth客户端操作 064
4.1.2 Parity客户端操作 070
4.2 JavaScript运行环境命令 078
4.2.1 交互式应用:JSRE REPL控制台 078
4.2.2 非交互状态下应用:JSRE描述模式 079
4.2.3 管理APIs 080
4.3 Web3 JavaScript应用程序API接口 085
4.3.1 加载Web3 085
4.3.2 使用回调 086
4.3.3 批处理请求 087
4.3.4 Web3.js中的超大数字 087
4.3.5 Web3.js API 088
4.4 JSON RPC API 092
4.4.1 默认JSON-RPC客户端 092
4.4.2 十六进制编码 094
4.4.3 默认区块参数 095
4.4.4 JSON-RPC方法列表 095
第5章 智能合约编码、部署与应用 99
5.1 智能合约账户与交易 100
5.1.1 智能合约账户 100
5.1.2 智能合约的交易 101
5.1.3 合约交易成本估算 103
5.1.4 合约之间的交互 105
5.2 一个简单的智能合约应用 109
5.2.1 创建项目 109
5.2.2 编译和运行项目 112
5.3 智能合约应用开发流程 117
5.3.1 加载Web3 118
5.3.2 智能合约编程 118
5.3.3 合约编译 119
5.3.4 合约创建与应用 123
5.3.5 与智能合约交互 124
5.3.6 合约元数据 125
5.3.7 测试合约和交易 127
第6章 智能合约“虚拟币”创建 129
6.1 智能合约“虚拟币” 130
6.1.1 “虚拟币”代码 131
6.1.2 简化“虚拟币”源码 135
6.2 “虚拟币”源码分析 136
6.2.1 关键代码解析 136
6.2.2 “虚拟币”合约部署 140
6.3 “虚拟币”优化 143
6.3.1 中心化管理员 144
6.3.2 中心造币者 146
6.3.3 自动化买卖交易 148
6.3.4 自动获取 150
6.3.5 工作量证明 152
6.3.6 改进“虚拟币”全部源码 155
6.4 部署与应用 162
6.4.1 基于Mist部署 162
6.4.2 使用用户的“虚拟币” 164
第7章 众筹智能合约设计 166
7.1 为优秀创意众筹 167
7.1.1 “虚拟币”与去中心化自治组织 168
7.1.2 众筹合约代码 169
7.1.3 关键代码说明 172
7.2 众筹合约的应用 173
7.2.1 众筹合约的部署 173
7.2.2 筹集资助 174
7.3 众筹合约的扩展 175
7.3.1 无限制众筹 175
7.3.2 定时合约调用 176
第8章 去中心化自治组织 181
8.1 会员制自治组织 182
8.1.1 会员制自治组织的合约代码 182
8.1.2 合约部署 191
8.1.3 与其他人分享 193
8.1.4 合约操作 193
8.2 股东会组织 198
8.2.1 合约代码 199
8.2.2 部署与应用 206
8.3 代表制民主 208
8.3.1 合约代码 209
8.3.2 合约部署 213
8.4 决策与行政分离 214
8.4.1 合约代码 214
8.4.2 行政部门 215
8.5 延时交易执行 217
8.5.1 工作机制 217
8.5.2 合约代码 218
8.5.3 部署和使用 227
参考文献 229
《区块链2.0:以太坊应用开发指南》 前言 在数字经济浪潮席卷全球的今天,区块链技术作为支撑其运行的底层基石,正以前所未有的速度和广度渗透到各行各业。从最初的比特币作为一种去中心化的数字货币,到如今以太坊所引领的“区块链2.0”时代,技术的演进不仅拓展了区块链的应用场景,更催生了一个充满无限可能的新型数字生态。以太坊,作为最具代表性的公链平台,其智能合约的强大功能和开放的生态系统,为开发者提供了构建丰富多样去中心化应用(DApps)的沃土。 本书正是为 aspiring 的开发者、技术爱好者以及希望深入理解区块链2.0时代核心驱动力的读者而量身打造。我们不再局限于区块链的货币属性,而是将目光聚焦于其作为平台的能力,特别是以太坊如何赋能开发者创造具有颠覆性创新潜力的应用。本书旨在带领读者从零开始,系统性地掌握以太坊平台上的应用开发所需的核心概念、关键技术以及实战技巧。 我们深知,区块链技术的学习曲线并非平坦,尤其是面向复杂的应用开发。因此,本书的编写力求循序渐进,由浅入深。我们将从区块链最基础的原理讲起,逐步深入到以太坊特有的技术细节,再到具体的开发流程和工具链。力求让每一个环节都清晰易懂,便于读者消化吸收。同时,我们强调理论与实践相结合,提供大量贴近实际的开发案例和代码示例,帮助读者将所学知识融会贯通,真正转化为解决实际问题的能力。 区块链技术的未来充满了机遇与挑战。以太坊作为这场变革的先锋,其生态的繁荣和技术的迭代将持续塑造着数字世界的格局。本书的出版,希望能够成为您探索以太坊应用开发之旅的坚实起点,助您在这一激动人心的领域中,有所学、有所得,甚至有所创。 第一章:区块链基石与以太坊的崛起 1.1 区块链的演进:从1.0到2.0的飞跃 1.1.1 比特币时代的叙事:数字货币与去中心化账本 回顾比特币的诞生背景,理解其解决的“双花问题”和“拜占庭将军问题”。 深入剖析比特币的区块链结构:区块、哈希、交易、共识机制(工作量证明PoW)。 理解去中心化账本的意义:不可篡改、透明、分布式。 比特币作为区块链1.0的局限性:功能单一,难以扩展。 1.1.2 以太坊的诞生:智能合约与可编程区块链 介绍Vitalik Buterin的愿景,以及以太坊如何超越比特币的货币属性。 智能合约的概念:自动执行的代码,无需中介的信任机制。 以太坊虚拟机的核心作用(EVM):执行智能合约的运行时环境。 以太坊的创新之处:账户模型、Gas机制、Gas Price与Gas Limit。 区块链2.0的定义:一个去中心化的计算平台,能够运行任意程序。 1.2 以太坊的核心架构与关键组件 1.2.1 以太坊网络结构:节点、对等网络与区块链的传播 全节点、轻节点、归档节点的作用与区别。 P2P网络在区块链数据同步与传播中的关键作用。 区块链的分叉与合并:理解网络同步的潜在挑战。 1.2.2 以太坊虚拟机(EVM):智能合约的执行引擎 EVM的字节码执行原理。 EVM的状态(State):账户余额、存储、代码。 EVM的Gas模型:计算资源消耗与防止拒绝服务攻击。 EVM的opcodes(操作码)简介:了解智能合约的基本操作。 1.2.3 以太坊账户模型:Externally Owned Accounts (EOA) vs. Contract Accounts EOA:由私钥控制的普通账户,能够发起交易。 Contract Accounts:由代码控制的智能合约账户,执行预设逻辑。 账户之间的交互:调用与部署。 1.2.4 共识机制的演进:从PoW到PoS(关注当前网络状态) 回顾以太坊早期采用的PoW机制及其能源消耗问题。 介绍以太坊转向PoS(权益证明)的动机与优势(如节能、更高的可扩展性)。 PoS的基本原理:通过质押代币来获得记账权。 PoS下的验证者、质押、奖励与惩罚机制。 1.3 以太坊的生态系统概览 1.3.1 去中心化应用(DApps):生态的灵魂 DApps的定义与特点:去中心化、开源、抗审查、代币化。 DApps的分类:DeFi、NFT、游戏、身份验证、DAO等。 DApps与传统Web应用的对比。 1.3.2 ERC标准:构建互操作性的基石 ERC-20:同质化代币标准,如USDT、DAI等。 ERC-721:非同质化代币标准,如CryptoKitties、艺术品NFT等。 ERC-1155:多代币标准,支持同质化和非同质化代币的组合。 理解ERC标准的重要性:保障代币和合约的互操作性。 1.3.3 开发者工具链与社区支持 介绍主要的开发框架、IDE、测试工具等。 以太坊社区的活跃度及其在技术发展中的作用。 官方文档、论坛、Stack Exchange等资源。 第二章:智能合约开发基础 2.1 Solidity:以太坊智能合约的首选语言 2.1.1 Solidity的语法特性与基本结构 `pragma solidity` 指令与版本控制。 合约的定义:`contract MyContract { ... }`。 状态变量(State Variables):定义合约的数据存储。 函数(Functions):定义合约的行为。 修饰符(Modifiers):控制函数的执行条件。 事件(Events):记录合约状态的改变,方便外部监听。 结构体(Structs)与枚举(Enums)。 2.1.2 Solidity的数据类型与变量作用域 值类型(Value Types):`uint`, `int`, `bool`, `address`, `bytesN`, `enum`。 引用类型(Reference Types):`bytes`, `string`, `array`, `struct`, `mapping`。 变量作用域:`memory`, `storage`, `calldata`。 理解不同存储位置的成本与区别。 2.1.3 函数可见性与状态可变性 可见性:`public`, `private`, `internal`, `external`。 状态可变性:`pure`, `view`, `payable`。 `payable` 函数的重要性:接收以太币。 2.2 智能合约的编写、编译与部署 2.2.1 使用Remix IDE进行智能合约的编写与调试 Remix的界面介绍与核心功能。 编写简单的ERC-20代币合约示例。 Remix中的编译器选择与编译选项。 调试功能:单步执行、查看状态变量。 2.2.2 智能合约的编译过程与字节码生成 Solidity编译器(`solc`)的作用。 ABI(Application Binary Interface):合约的接口描述,用于与合约交互。 Bytecode:EVM可执行的机器码。 2.2.3 智能合约的部署流程 部署所需的必要条件:私钥、Gas、目标网络。 通过Web3库或Remix将合约部署到以太坊网络。 部署交易的生命周期:pending, mined, failed。 2.3 Gas机制与成本优化 2.3.1 Gas的本质:计算资源与交易费用 Gas Price与Gas Limit的意义。 Gas Used与交易费用的计算。 理解Gas消耗的主要来源:存储读写、计算、创建合约、发送交易。 2.3.2 智能合约中的Gas成本优化技巧 选择合适的数据类型。 避免不必要的存储读写。 使用`calldata`代替`memory`进行函数参数传递。 优化循环和状态更新。 利用Solidity新版本特性。 2.4 智能合约的安全性基础 2.4.1 常见的智能合约安全漏洞 重入攻击(Reentrancy Attack)。 整数溢出/下溢(Integer Overflow/Underflow)。 访问控制不当。 Gas限制绕过。 随机数生成不安全。 2.4.2 编写安全智能合约的原则与实践 使用经过审计的库(如OpenZeppelin)。 最小化合约的攻击面。 使用`require()`, `assert()`, `revert()` 进行输入验证与错误处理。 遵循Checks-Effects-Interactions模式。 进行严格的单元测试与集成测试。 对关键函数进行访问控制。 第三章:以太坊应用开发实战 3.1 Web3.js / Ethers.js:与以太坊区块链交互的JavaScript库 3.1.1 Web3.js / Ethers.js 的核心概念与架构 Provider(提供者):连接到以太坊节点。 Signer(签名者):用于签署交易。 Contract Object:用于与部署的智能合约进行交互。 3.1.2 使用Web3.js / Ethers.js 连接到以太坊网络 连接到本地开发环境(Ganache, Hardhat)。 连接到公共测试网(Sepolia, Goerli)。 连接到主网(需要谨慎)。 使用MetaMask等浏览器钱包进行连接。 3.1.3 读取智能合约数据(View/Pure 函数) 调用合约的getter函数。 处理合约返回的数据。 事件的监听与过滤。 3.1.4 调用智能合约函数(State Changing 函数) 创建交易对象。 签署与发送交易。 处理交易状态与结果。 发送ETH到合约。 3.2 构建一个简单的去中心化应用(DApp) 3.2.1 DApp的前端开发环境搭建 使用React / Vue.js / Angular等前端框架。 安装Web3.js / Ethers.js 库。 配置MetaMask等钱包插件。 3.2.2 DApp与智能合约的集成 加载部署的智能合约ABI与地址。 在前端界面中调用合约的读取函数,展示数据。 在前端界面中触发合约的写入函数,通过用户签名发送交易。 实时更新UI以反映链上状态的变化。 3.2.3 示例:一个简单的投票DApp 智能合约:管理候选人、投票记录、投票权重。 前端:展示候选人列表、投票按钮、投票结果。 交互流程:用户投票 -> 触发合约投票函数 -> 更新链上数据 -> 前端读取并显示最新结果。 3.3 智能合约的测试与部署流程 3.3.1 本地开发环境:Ganache, Hardhat, Truffle Ganache:图形化界面的本地区块链模拟器。 Hardhat:灵活的以太坊开发环境,提供编译、测试、部署功能。 Truffle:老牌的以太坊开发框架。 选择合适的开发环境进行项目设置。 3.3.2 智能合约的单元测试 编写测试用例,覆盖合约的各种功能与边界情况。 使用Mocha, Chai等测试框架。 模拟不同的链上状态和交易。 断言(assert)合约的预期行为。 3.3.3 部署到测试网与主网 配置部署脚本,指定目标网络、私钥、合约地址等。 使用Infura, Alchemy等节点服务商。 获取测试网的Faucet(水龙头)代币。 部署到主网的注意事项与风险。 3.4 ERC-20 代币的开发与应用 3.4.1 实现一个标准ERC-20代币合约 继承OpenZeppelin的ERC20合约模板。 自定义代币名称、符号、精度。 发行总量(Total Supply)与初始分配。 3.4.2 代币的转账、授权与实际应用 `transfer()`:用户之间转账。 `approve()` 与 `transferFrom()`:允许第三方代为操作代币。 在DApp中使用ERC-20代币进行支付、质押等。 3.5 ERC-721 非同质化代币(NFT)的开发与应用 3.5.1 实现一个标准ERC-721 NFT合约 继承OpenZeppelin的ERC721合约模板。 定义NFT的元数据(Metadata URI)。 `mint()` 函数用于创建新的NFT。 `ownerOf()` 与 `tokenURI()` 函数。 3.5.2 NFT的铸造、转移与展示 前端界面用于铸造(mint)NFT。 NFT的展示页面,包括图片、描述等信息。 NFT的交易与市场(如OpenSea API集成)。 3.6 智能合约的升级与迁移 3.6.1 智能合约不可变性的挑战 一旦部署,合约代码无法修改。 3.6.2 代理模式(Proxy Pattern)实现合约升级 透明代理(Transparent Proxy)与UUPS代理(Universal Upgradeable Proxy Standard)。 实现逻辑合约与代理合约的分离。 升级过程:部署新版本的逻辑合约,更新代理合约的逻辑指针。 使用OpenZeppelin Upgrades插件。 3.6.3 合约迁移的策略与注意事项 旧合约数据如何迁移到新合约。 用户交互的影响。 升级过程的安全性与成本。 第四章:高级主题与未来展望 4.1 Layer 2 扩容方案 4.1.1 Layer 1 扩容的挑战与Layer 2 的必要性 以太坊主网的吞吐量限制。 交易费用(Gas Price)的波动。 4.1.2 状态通道(State Channels) 原理:离链处理交易,只在必要时与链上交互。 代表性项目:Raiden Network。 4.1.3 Rollups(Optimistic Rollups & ZK-Rollups) Optimistic Rollups:假设交易有效,提供一个挑战期。 ZK-Rollups:使用零知识证明(Zero-Knowledge Proofs)来证明交易的有效性。 其在提升吞吐量和降低Gas费方面的作用。 4.1.4 Layer 2 上的DApp开发注意事项 与Layer 1 的交互方式。 流动性与桥接。 4.2 去中心化金融(DeFi) 4.2.1 DeFi 的核心概念与模式 借贷协议(如Aave, Compound)。 去中心化交易所(DEXs,如Uniswap, SushiSwap)。 稳定币(如DAI, USDC)。 收益耕作(Yield Farming)与流动性挖矿。 预言机(Oracles):Chainlink等,提供链下数据。 4.2.2 构建简单的DeFi应用 理解AMM(Automated Market Maker)模型。 如何与现有的DeFi协议进行交互。 4.3 去中心化自治组织(DAOs) 4.3.1 DAO 的概念与治理模型 社区驱动的决策机制。 代币化投票与提案。 4.3.2 DAO 的技术实现 使用Aragon, DAOstack等框架。 智能合约在DAO治理中的作用。 4.4 Web3.0 的未来图景与开发者角色 4.4.1 Web3.0 的愿景:去中心化、用户所有权、语义网 区块链在Web3.0中的核心地位。 数字身份、数据隐私与主权。 4.4.2 开发者在构建Web3.0中的责任与机遇 安全性、用户体验、可扩展性。 跨链互操作性。 为未来数字经济构建基础设施。 4.5 持续学习与社区参与 4.5.1 保持技术敏感度:关注以太坊的升级与新项目 以太坊路线图:Sharding, Danksharding等。 关注新兴的 Layer 2 解决方案和新的智能合约语言。 4.5.2 参与开源社区与贡献 GitHub上的贡献。 参与技术讨论与代码审查。 4.5.3 拓展视野:了解不同区块链平台与跨链技术 Solana, Polygon, Polkadot等。 Interoperability 协议。 结语 区块链2.0时代,以太坊以其强大的可编程性和开放的生态系统,为开发者提供了前所未有的创新空间。本书从基础概念到高级应用,为读者构建了一个系统性的学习路径。我们希望通过本书的学习,您能够掌握以太坊应用开发的核心技能,理解智能合约的运作原理,并能够独立设计、开发和部署属于您自己的去中心化应用。 技术的发展日新月异,区块链领域更是如此。本书提供的是一个坚实的基础,而真正的精通,则需要您在实践中不断探索、学习和成长。愿您在区块链技术的浪潮中,扬帆远航,创造属于您的数字世界。