从Python角度了解以太坊

  [[431026]]

区块链基础

以太坊(Ethereum)的底层是区块链技术，而区块链简单而言就是由Hash值串联起来的链表结构，链表中的节点会记录交易信息，如果将节点中的信息以JSON格式描述，看起来是这个样子：

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

• hash：当前节点的Hash值
• parentHash：前一个节点的Hash值
• miner：矿工地址
• transactions：当前节点包含的交易数据

矿工接收交易数据后，会将其封装到一个区块里，并将区块信息广播到以太坊网络中，这里会有很多细节，建议找本书看看，这里想强调的是，想让矿工干活，需要花钱，在以太坊上，其货币称为「ether」。

使用Web3.py

Web3.py是一个用于与以太坊网络交互的Python库，它封装了很多操作，便于我们进行交易、与智能合约交互、读取区块中的数据等等。

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

通过一张图，可以很清晰的知道我们开发的应用、Web3.py以及是以太坊网络的关系。

从上图可知，Web3.py其实就是中间层，它可以通过HTTP、IPC(进程间通信)、WebSocket的方法连接到以太坊节点，从而实现与整个以太坊网络的交互。

使用前，我们需要安装Web3.py：

pip install web3 
pip install 'web3[tester]' 

安装web3[tester]的目的时，使用Web3.py提供的模拟节点进行测试，如果我们要同步真正的节点需要做：

• 1.下载Geth构建以太坊节点。
• 2.启动Geth并等待它同步以太坊网络中的数据，Geth默认会启动HTTP服务，端口为8545.
• 3.使用Web3.py通过HTTP连接到刚刚构建好的节点。
• 4.使用Web3.py提供的API与节点进行交互

Geth是使用Go实现Ethereum协议的程序，与之类似的还是使用C++或Python实现的，只是Geth势头第一。

同步过程需要拉取数据，可能需要几个小时。

这里只是演示，所以直接使用模拟节点就好了，如下图：

上图中，Web3.py提供了4种接入以太坊节点的方式，其中第4种便是通过TesterProvider接入模拟的以太坊节点，要使用这个功能，你需要安装web3[tester]。

安装好web3后，先通过TesterProvider方法连接到模拟节点中。

In [1]: from web3 import Web3 
 
# 使用EthereumTesterProvider，连接模拟节点 
In [2]: w3 = Web3(Web3.EthereumTesterProvider()) 
 
# 判断连接是否正常 
In [3]: w3.isConnected() 
Out[3]: True 

为了方便我们测试(如测试编写好的智能合约)，Web3.py提供的模拟节点中已经为我们提供了一些账户，每个账户中有1000000个ether。

# 获得可以使用的测试账户 
In [4]: w3.eth.accounts 
Out[4]: 
['0x7E5F4552091A69125d5DfCb7b8C2659029395Bdf', 
 '0x2B5AD5c4795c026514f8317c7a215E218DcCD6cF', 
 '0x6813Eb9362372EEF6200f3b1dbC3f819671cBA69', 
 '0x1efF47bc3a10a45D4B230B5d10E37751FE6AA718', 
 '0xe1AB8145F7E55DC933d51a18c793F901A3A0b276', 
 '0xE57bFE9F44b819898F47BF37E5AF72a0783e1141', 
 '0xd41c057fd1c78805AAC12B0A94a405c0461A6FBb', 
 '0xF1F6619B38A98d6De0800F1DefC0a6399eB6d30C', 
 '0xF7Edc8FA1eCc32967F827C9043FcAe6ba73afA5c', 
 '0x4CCeBa2d7D2B4fdcE4304d3e09a1fea9fbEb1528'] 
 
# 获得第一个账户下的金额  
 In [5]: w3.eth.get_balance(w3.eth.accounts[0]) 
Out[5]: 1000000000000000000000000 

使用w3.eth.get_balance方法获得的金额为1000000000000000000000000，是因为其单位是wei。

因为计算机不太擅长处理浮点数，所以为了解决这个问题，很多程序员会将1.23元以123存到数据库中，即以分为基本单位。以太坊这边也一样，ether类似于元的单位，而wei类似于分，只是分只是增大了100倍，而wei与ether的比例是(18个0)：

1 ether = 100000000000000000 wei  
1 wei = 0.0000000000000000001 ether 

Web3.py提供了toWei与fromWei方法进行单位的换算，ether与wei单位之间还有多个单位，可以查阅Web3.py文档Converting currency denominations。简单使用toWei与fromWei两个方法：

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

模拟交易

有了账户以及钱后，就可以模拟交易行为了，即将你账户中的币转到其他账户中。

先来看看，没有任何转账状态下的区块链：

# 获取区块链中最新一个区块的信息 
In [9]: w3.eth.get_block('latest') 
Out[9]: 
AttributeDict({'number': 0, 
 'hash': HexBytes('0x78b6514d115669937c0933824a0c74ff2eab14a25f1b1e799609872bcb18113b'), 
 # 前一个区块Hash为0 
 'parentHash': HexBytes('0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000'), 
... 
 'gasLimit': 3141592, 
 'gasUsed': 0, 
 'timestamp': 1635092566, 
 # 没有交易 
 'transactions': [], 
 'uncles': []}) 

因为是模拟节点，所以与真实节点不同，它不会在大约15秒内增加一个新区块，而是会一直模拟等待，直到你进行交易。

到目前为止，因为我们没有进行任何交易，所以parentHash(前置区块Hash)为0，transactions(交易数据)为空，这个区块，其实就是创世区块。

现在我们进行一笔交易，如下：

# 发起一笔交易 
In [10]: tx_hash = w3.eth.send_transaction({ 
    ...:     'from': w3.eth.accounts[0], 
    ...:     'to': w3.eth.accounts[1], 
    ...:     'value': w3.toWei(3, 'ether') 
    ...: }) 

• from：发送者账户的地址
• to：接受者账户的地址
• value：此次转账金额

我们可以通过get_transaction获得这次交易更详细的信息，如下：

# 获取那笔交易的信息   
In [14]: w3.eth.get_transaction(tx_hash) 
Out[14]: 
AttributeDict({'hash': HexBytes('0x15e9fb95dc39da2d70f4cc41556bd092c68a97a04892426a064e321bfe78662a'), 
 'nonce': 0, 
 'blockHash': HexBytes('0x9f92558e214519a5e4ba7b8b4769a59bdc8c6c13e6fe5b0ec062b806e18f049f'), 
# 交易数据在第一个区块中 
 'blockNumber': 1, 
 # 全网络第一个交易 
 '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，我们可以查询对应账户的余额来判断是否转账成功。

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，第二个账户，余额从1,000,000到1,000,003 ether，但第一个账户减少的金额却超过3 ether，这是因为交易需要扣除一笔小额手续费所导致的。

在真实的以太坊网络中，交易手续费用是可以调整的，这取决于你发起交易时的网络需求以及你希望处理交易的速度，就目前而言，交易手续费是比较大的成本。

创建账户

在Web 2.0中，大多数应用在使用前需要创建账户，这个账户会保存到公司服务器中，即你虽然使用账户，但却没有账户的所有权，以微信为例，如果哪天腾讯公司要封掉你的账户是非常轻松的，这个账户下对你非常重要的数据将与你不辞而别。

在Web 3.0中，你同样可以创建账户，创建完后，你会拥有该账户的私钥与公钥，这个账户不会受到应用创建者或公司的影响，只要你不泄露私钥，那么账户的所有权就在你手中，当然也要一些隐患，如果你丢失了私钥，那么就丢失了账户，没有找回密码一说，所以在币圈，非常强调对自己私钥的保护。

通过Web3.py，我们可以轻松的创建一个账户，这个过程是无需连接到区块链网络或任何服务的，也没有注册过程，如下：

# 创建账户 
In [17]: acct = w3.eth.account.create() 
 
# 账户地址 
In [19]: acct.address 
Out[19]: '0x004D8ae69CD02Be5c491F7D095b5585cECE01407' 
 
# 账户私钥（不可泄露给他人） 
In [20]: acct.key 
Out[20]: HexBytes('0x39a579d1302e36fbf8b283eca5e1d52b4c56811921dfcdc2996f59eff7be6258') 

再次强调，你不需要联网，不需要提供任何其他信息，便可以创建一个有效的以太坊账户，后续我会写一下账户生成的过程。

账户是一个重要的概念，因为我们影响区块链产生变化的唯一方式便是产生一个交易(调用智能合约也看为产生一个交易)，而每个交易必须由一个账户进行签名，避免别人伪冒。

一个账户可以进行交易、进行交易间信息的传输、可以部署智能合约、可以与智能合约进行交互等。

首先，我们实践一下，如何通过账户进行转账。

回顾前面的代码，我们通过EthereumTesterProvider连接的模拟节点并有一些账户，这些账户的转账过程通过send_transaction方法完成，这里隐藏了比较多细节，因为Web3.py知道你在使用EthereumTesterProvider管理的测试账户，而这些账户都处在unlocked状态，即默认情况下，这些账户的交易都会自动完成签名。

这次，我们从自己创建的账户转账看看，因为我们自己的账户没有ether，所以需要先从测试账户转点钱过去。

In [25]: w3.eth.get_balance(acct.address) 
Out[25]: 0 
 
In [26]: w3.eth.get_balance(test_acct) 
Out[26]: 1000000000000000000000000 
 
# 测试账户转10000000000到创建的账户中 
In [27]: tx_hash = w3.eth.send_transaction({ 
    ...:     'from': test_acct, 
    ...:     'to': acct.address, 
    ...:     'value': 10000000000 
    ...: }) 
 
In [28]: tx_hash 
Out[28]: HexBytes('0xa1b8be56bee0421035cbb9afb157218770f692c71b553a82cb52529c5dd12c3d') 

创建的账户中有钱了，现在使用创建的账户来完成一笔交易，这个过程，我们需要手动对交易数据进行签名。

# 交易数据 
In [29]: tx_data = { 
    ...:     'to': test_acct, 
    ...:     'value': 500000000, 
    ...:     'gas': 21000, 
    ...:     'gasPrice': 1,  # 这个gas价格只存在于测试网络中 
    ...:     'nonce': 0 
    ...:  } 
 
# 使用acct的私钥对交易数据进行签名 
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) 
 
# 进行交易 
In [32]: tx_hash = w3.eth.send_raw_transaction(signed.rawTransaction) 
 
In [33]: tx_hash 
Out[33]: HexBytes('0x402a89616ea2c37af4a17d8ff527e83141ac39968f3a61ddf92d4a1f5830c 

先关注到交易数据，其中gas、gasPrice、nonce是比较细的东西。

gas：表示这次交易需要花费多少gas(燃气)

gasPrice：表示gas的价格，在真实的以太坊网络中，gasPrice是很高的，也是目前以太坊网络的一个问题与痛点

none：在以太坊网络中，none表示当前账户的交易数，Ethereum protocol(以太坊协议)会追踪这个值，避免发生双重支付(也称双花攻击)，这里为0表示acct账户第一次产生交易。

需要注意，无论是send_transaction方法还是send_raw_transaction方法，都不代表交易完成了，这些方法只是将交易数据广播到以太坊网络中，只有当以太坊网络中的矿工节点将交易上链了，才能说交易完成了，如果你的gas与gasPrice很小，在真实以太坊网络中，你将很难上链，即难以完成真正的交易。

从开发者角度看，以太坊上的这种账户模式可以让我们在创建应用时，不太需要考虑账户管理等功能，以太坊已经天然解决了这部分问题，你可以将精力集中在具体的业务中。

与智能合约交互

以太坊被提出的一个重要原因是，比特币网络不支持图灵完备的编程语言，导致很多应用无法被开发，以太坊则支持图灵完毕的编程语言，如Solidity语言，它的语法与JS相近，是图灵完备的语言，基于Solidity语言，可以快速开发智能合约。

简单而言，智能合约就是存储在以太坊区块链上的程序，任何人都可以使用它，如果你需要部署一个智能合约，其过程与发起一笔交易类似，只是交易数据里，包含着Solidity编译后的字节码，伪代码如下：

# 代码编译成字节码 
bytecode = "6080604052348015610...36f6c63430006010033" 
 
tx = { 
    # 将字节码作为数据包含在交易数据体中 
   'data': bytecode, 
   'value': 0, 
   'gas': 1500000, 
   'gasPrice': 1, 
   'nonce': 0 
} 

部署智能合约相比于普通交易通常需要更多的gas，且部署智能合约的交易体中没有to字段。

Web3.py将部署以及与智能合约交互的过程进行了简化，伪代码如下：

# 部署一个新的智能合约 
Example = w3.eth.contract(abi=abi, bytecode=bytecode) 
tx_hash = Example.constructor().transact() 
 
# 通过智能合约的地址连接一个智能合约 
myContract = web3.eth.contract(address=address, abi=abi) 
# 传参、使用智能合约 
twentyone = myContract.functions.multiply7(3).call() 

生成签名信息

账户除了可以进行交易等链上(on-chain)操作，还可以进行消息签名等链下(off-chain)操作。

与交易不同，被签名消息不需要上链，也不会被广播到区块链网络中，即不需要花费任何成本，简单而言，签名消息只是用你的私钥对数据进行了一个数学操作，当你将这段数据发送给他人时，他人可以通过数据方法还原出签名私钥对应的公钥，从而确定这个数据是由你签名的。

这有什么用?可以使用到NFT上。

你可以对你的作品(一段数据)进行签名，然后到OpenSea(目前最大的NFT交易市场)进行售卖，当有卖家购买时，才会将购买时产生的交易数据上链，上链的过程需要花费ether，而你签名的过程是不需要任何成本的，上链的操作其实只是表明你签名的这个作品被某个账户购买了，这个购买的交易操作产生的数据会记录到区块链中，是不可更改的。

通过一段伪代码，可以更直观的理解签名消息的整个流程：

# 1. 待签名数据 
msg = "我是二两，给我打钱" 
 
# 2. 使用你账户的私钥进行前面 
pk = b"..." 
signed_message = sign_message(message=msg, private_key=pk) 
 
# 3. 通过网络发送签名后的数据 
 
# 4. 消息接收者解码发送的数据，获得数据的公钥，从而可以确定发送消息者的身份 
sender = decode_message_sender(msg, signed_message.signature) 
print(sender) 

参考

A Developer's Guide to Ethereum, Pt. 1

A Developer's Guide to Ethereum, Pt. 2