【區塊鏈基礎】6——ETH區塊結構-有解無憂

賬戶

與BTC不同，ETH使用的是基于賬戶的賬本（account-based ledger），賬本中記錄了各個用戶的的余額，交易時不必追溯幣的來源，

基于賬戶的賬本對雙花攻擊（duoble spending attack）有著天然的防御作用，賬戶余額是系統中全節點維護的一個狀態，稱為balance，交易發生時余額隨機改變，但與之而來的問題便是重放攻擊（reply attack）：若將已發布的交易再一次進行廣播發布，造成支付者多次支付，接收者將因此獲利，

ETH中使用nonce解決這一問題，nonce作為賬戶狀態中的一個欄位，有著計數器的功能，記錄了賬戶有史以來交易的次數，轉賬時，nonce成為交易內容的一部分，受支付者的簽名保護，

ETH有兩類賬戶：

外部賬戶（externally owned account）
也稱普通賬戶，由公私鑰對進行控制，包含之前所述的balance和nonce；另外一類賬戶為合約賬戶；
合約賬戶（smart contract account）
合約賬戶不是通過公私鑰對進行控制，在創建合約時，合約將回傳一個地址，由此地址可呼叫合約，但合約賬戶不能主動發起一次交易，所有的交易只能由外部賬戶發起，之后可能會引起合約間的相互呼叫，另外，除了balance和nonce，合約賬戶還有代碼code和存盤storage，

由于ETH支持智能合約，要求參與者有比較穩定的身份，這與BTC的設計有所不同，

狀態樹

ETH的賬戶地址是160bits，共20個位元組，賬戶地址到賬戶狀態為一對映射，賬戶狀態為前述的包括balance，nonce，code，storage等，所有的賬戶組織成一個改進的Merkle Patricia Tree，

存盤賬戶狀態的結構為狀態樹，其基本資料結構為Merkle Patricia Tree，MPT是一種融合了merkle tree和patricia tree兩種樹結構優點的資料結構，用路徑壓縮提高效率，可計算出一個賬戶狀態的根哈希值，保存于block header中，

MPT豐富了節點型別，共有如下4個型別的節點：

擴展節點 extension Node: [key, value]，只能有一個子節點，這里的value值存盤的是孩子節點的哈希值；
分支節點 branch Node [0,1,…,16,value]，可以有多個節點，因為MPT樹中的key被編碼成一種特殊的16進制的表示，再加上最后的value，所以分支節點是一個長度為17的list，前16個元素對應著key中的16個可能的十六進制字符，如果有一個[key, value]對在這個分支節點終止，最后一個元素為value值，存盤的是剛好在分支節點結束時的值，若沒有節點在分支節點中結束時，value值沒有存盤資料，即分支節點既可以搜索路徑的終止也可以是路徑的中間節點，分支節點的父親必然是extension node；
葉子節點 leaf Node : [key, value]，這里的key都是16編碼出來的字串，每個字符只有0-f 16種，value是RLP編碼的資料；
空白節點 NULL

ETH對MPT做了略微的改進：

Extension Node 和 Branch Node 與原生的MPT不同；
prefix 分奇偶數個nibbles（16進制數）；

具體以官方的下圖為例：
在這里插入圖片描述
MPT作用如下：

防止篡改
只要根哈希值不變，整個樹的任何部分都無法被篡改，每個賬戶的狀態不會被篡改，
證明賬戶余額
賬戶所在的分支自下而上作為merkle proof發給輕節點，輕節點進行驗證，

交易樹

用于記錄交易的資料資訊，其結構也為MPT，其鍵值為交易在發布的區塊中交易的序號，

收據樹

每筆交易完成后形成一個收據，用于記錄交易的相關資訊與執行結果，其資料結構也為MPT，其鍵值為交易在發布的區塊中交易的序號，與交易樹中的節點一一對應，，由于ETH智能合約執行程序比較復雜，增加收據樹有利于快速查詢執行結果，

布隆過濾器 bloom filter

bloom filter可以比較高效的查找某個元素是否包含在比較大的集合之內，直觀的說，bloom演算法類似一個hash set，用來判斷某個元素（key）是否在某個集合中，和一般的hash set不同的是，這個演算法無需存盤key的值，對于每個key，只需要k個位元位，每個存盤一個標志，用來判斷key是否在集合中，

演算法：

首先需要k個hash函式，每個函式可以把key散列成為1個整數
初始化時，需要一個長度為n位元的陣列，每個位元位初始化為0
某個key加入集合時，用k個hash函式計算出k個散列值，并把陣列中對應的位元位置為1
判斷某個key是否在集合時，用k個hash函式計算出k個散列值，并查詢陣列中對應的位元位，如果所有的位元位都是1，認為在集合中，

在查找某一交易時可快速過濾掉大量無關的區塊

區塊

header

// Header represents a block header in thr Ethereum blockchain.
type Header struct {
    ParentHash  common.Hash    `json:"parentHash"       gencodec:"required"`
    UncleHash   common.Hash    `json:"sha3Uncles"       gencodec:"required"`
    Coinbase    common.Address `json:"miner"            gencodec:"required"`
    Root        common.Hash    `json:"stateRoot"        gencodec:"required"`
    TxHash      common.Hash    `json:"transactionsRoot" gencodec:"required"`
    ReceiptHash common.Hash    `json:"receiptsRoot"     gencodec:"required"`
    Bloom       Bloom          `json:"logsBloom"        gencodec:"required"`
    Difficulty  *big.Int       `json:"difficulty"       gencodec:"required"`
    Number      *big.Int       `json:"number"           gencodec:"required"`
    GasLimit    uint64         `json:"gasLimit"         gencodec:"required"`
    GasUsed     uint64         `json:"gasUsed"          gencodec:"required"`
    Time        *big.Int       `json:"timestamp"        gencodec:"required"`
    Extra       []byte         `json:"extraData"        gencodec:"required"`
    MixDigest   common.Hash    `json:"mixHash"          gencodec:"required"`
    Nonce       BlockNonce     `json:"nonce"            gencodec:"required"`
}

ParentHash：前一個區塊header的哈希
UncleHash：叔塊的哈希，可能比Parent大好幾輩
Coinbase：挖出區塊的礦工地址
Root：狀態樹的根哈希
TxHash：交易樹的根哈希，類似于位元幣中的merkle root
ReceiptHash：收據樹的根哈希
Bloom：布隆過濾器，和收據樹相關，提供高效的查詢符合某種條件的交易的執行結果
Difficulty：挖礦難度
GasLimit，GasUsed：和汽油費相關，智能合約消耗汽油費，類似于位元幣中的交易費
Time：區塊產生時間
MixDigest：nonce經過計算得到的哈希
Nonce：符合難度要求的亂數

block

// Block represents an entire block in the Ethereum blockchain.
type Block struct {
    header       *Header  //區塊頭
    uncles       []*Header //叔塊
    transactions Transactions  //區塊打包的一批交易資料

    // caches
    hash atomic.Value
    size atomic.Value

    // Td is used by package core to store the total difficulty
    // of the chain up to and including the block.
    td *big.Int  //總難度值

    // These fields are used by package eth to track
    // inter-peer block relay.
    ReceivedAt   time.Time
    ReceivedFrom interface{}
}

header：指向header的指標
uncles：指向叔塊的header的指標陣列
transactions：交易串列

extblock

// "external" block encoding. used for eth protocol, etc.
type extblock struct {
    Header *Header
    Txs    []*Transaction
    Uncles []*Header
}

extblock為真正發布的區塊資訊，即為block結構的前三項，

新區塊發布
多個區塊的狀態樹共享節點，每次發布新區塊，MPT樹中部分節點狀態會改變，但改變并非在原地修改，而是新建一些分支，保留原本狀態，當僅僅有新發生改變的節點才需要修改，其他未修改節點直接指向前一個區塊中的對應節點，而交易樹與收據樹只將當前區塊內發布的交易組織起來，如圖所示：
在這里插入圖片描述
由于以太坊中出塊時間15s左右，會產生很多的分叉，保持歷史記錄的一個好處是，當某些分叉需要回滾時可以更好的查看歷史記錄，

交易驅動的狀態機 transaction-drived state machine

ETH為一個交易驅動的狀態機，其狀態為狀態樹中賬戶的狀態，通過執行交易樹的交易，可驅動系統由當前狀態轉移到下一個狀態，其狀態轉移時確定性的，即通過給定的當前狀態和交易，能確定性的轉移到下一個狀態，

轉載請註明出處，本文鏈接：https://www.uj5u.com/qukuanlian/273280.html

標籤：區塊鏈

上一篇：CSS入門

下一篇：商機滿滿的數字貨幣交易所為何充滿爭議?