以太坊解析:默克尔树、世界状态、交易及其他
olwww
发表于 2022-12-26 06:51:47
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在讨论以太坊的主要数据对象之前,我想先向各位简要介绍一下默尔克树到底是什么,以使得它得以发挥作用的属性特征。* Q g( c8 R3 ], F2 V" m
' h& @0 k6 E0 a' t; A. ~% s$ z
黄皮书中假设由定制的默克尔-帕特里夏树维护世界状态和交易。附录 D 描述了这个数据结构。
$ D' ?/ r# z0 v+ h& q; r2 l
默克尔-帕特里夏树有许多有意思的属性,如果你想更深入地了解其在以太坊中的应用,我推荐你阅读这篇文章。
在默克尔树中,由叶子节点保存区块数据的哈希,而由非叶子节点保存其子节点的哈希。
-默克尔树示意图(包括节点以及他们之间的关系)-4 r) S' X2 i( z
% N& R! l3 N* _* x( {% U
默克尔树所指向数据的任何改动都会引起节点哈希的变化。由于每一个父节点中所保存的哈希值都取决于子节点所包含的数据,所以子节点中数据的变更都会引起父节点哈希的变化。并且这样的影响是连锁反应,从叶子节点直达根节点的。因此对叶子节点所指向数据的改动会引起根节点所保存哈希的变化。由上述结构特征,我们可以引申出两条重要的属性:
在判断两棵默克尔树所指向数据是否完全相同时,我们不需要比较每个叶子节点,而只需比较根节点所保存的哈希。9 I5 c/ ]5 R w, Y5 J
在判断特定数据是否被树所指向时,我们可以使用 默克尔证明 技术。此处不对该技术作过多介绍,只需知道这是证明数据存在于默克尔树中的一种简单、高效的方法。0 ]) W. d3 a0 c$ k. A; q7 ^! K
第一种属性的重要之处在于,我们能够仅利用根节点的哈希值,就标示某一时刻整棵树所指向的数据。这意味着仅通过保存根节点的哈希值就能标示区块(无需储存区块链中所有的数据),且维护数据的不可篡改。+ Y/ }! p2 ?# `
至此我们理清了默克尔树中根节点哈希的作用,下面来介绍以太坊中的主要对象。
世界状态
! F% w0 K! \$ H0 H6 C, ~9 t
世界状态是地址(账户)到账户状态的映射。虽然世界状态不保存在区块链上,但在黄皮书的描述中,世界状态也由树来保存数据(此树也被称为状态数据库或者状态树)。世界状态可以被视作为随着交易的执行而持续更新的全局状态。以太坊就像一个去中心化的计算机,世界状态则是这台电脑的硬盘。
2 |' o. g9 Y. {& X5 U
以太坊中所有的账户信息都体现在世界状态之中,并由世界状态树保存。如果你想知道某一账户的余额,或者某智能合约当前的状态,就需要通过查询世界状态树来获取该账户的具体状态信息。下文中我也会简要介绍这些信息是如何存储的。1 G1 Y" C$ V4 ]
6 R% i! }8 f9 Q1 s* ?
-世界状态树与账户存储-
-世界状态树与账户存储-
账户状态
+ y- b5 J+ q! }' Q
以太坊中有两种账户类型:外部所有账户(Externally Owned Accounts 简称 EOA)以及合约账户。我们用来互相收发以太币、部署智能合约的账户就是 EOA 账户,而部署智能合约时自动生成的账户则是合约账户。每一个智能合约都有其独一无二的以太坊账户。* q4 ~; v' K% k, s# i. |
账户状态反映了一个以太坊账户的各项信息。例如,它存储了当前账户以太币的余额信息、当前账户发送过的交易数量…每一个账户都有账户状态。& J, y; P: E8 \$ O1 v0 l
下面就来看看账户状态中都包括什么:" j6 i# U0 N% C6 ^
nonce
. |* Q2 A* t0 ~, ?# ^( {
从此地址发送出去的交易数量(如果当前为 EOA 账户)或者此账号产生的合约创建操作(现在先别管合约创建操作是什么)。
0 W* N# c, }! l! e! Z z/ L3 s+ k+ S
balance
( R" O6 ~; V( L0 ?- _, ?. L
此账号所拥有的以太币数量(以 Wei 计量)。1 B9 u$ Q2 I- M T
' B& E) J. M ^- V
storageRoot
; w! a4 R! b0 W1 Y7 A( O
账户存储树的根节点哈希值(稍后介绍账户存储是什么)。5 p) @/ {" h- _" I6 p
$ a- `, ]1 M+ t/ O; Z( q
codeHash
对于合约账户,就是此账户存储 EVM 代码的哈希值。对于 EOA 账户,此处留空。
8 k) t; s2 F% ]; x
账户状态中不容忽视的一个细节是,上述对象在内的所有对象都可变(除了 codeHash)。举例来说,当一个账户向其他账户发送以太币时,除了 nonce 会增加,账户的余额也会相应改变。8 \8 o7 M! y4 x' V
8 s/ ^: f! Y* n+ s: d% x: j
而 codeHash 的不可变性使得,如果部署了有漏洞的智能合约,也无法修复更新此合约。对应的,只能部署一个新合约(而有漏洞的版本会一直存在于区块链上)。这也是为什么使用 Truffle 进行智能合约的开发和部署十分必要,并且用 Solidity 编程时要遵循 最佳实践 的要求。
账户存储树是保存与账户相关联数据的结构。该项只有合约账户才有,而在 EOA 中, storageRoot 留空、 codeHash 则是一串空字符串的哈希值。所有智能合约的数据都以 32 字节映射的形式保存在账户存储树中。此处不再赘述账户状态树如何维持合约数据。如果读者对其内部实现感兴趣,强烈建议阅读这篇文章。账户状态中的 storageRoot 区域负责维持账户存储树根节点哈希值。
-账户状态与账户存储树-
交易
交易推动当前状态到下一状态的转变。在以太坊中有三种交易:
2 L) e! L9 i2 O, R; b/ e0 K
EOA 之间传输值的交易(例如,改变发送方和接收方余额大小)。
* X8 F" M+ e" b% L
发送消息来调用合约的交易(例如,通过发送消息调用来触发 setter 方法,以设置合约中的值)。
; p8 c, F1 i$ ^' ]0 _! f
用于部署合约的交易(由此创建了合约账户)。
(从技术角度来讲,前两种交易是一样的…它们都是通过消息调用来改变账户状态的交易,只不过一个是 EOA 账户,一个是合约账户。此处将交易分为三种是为了方便读者的理解。)
交易由以下部分组成:
nonce
- S3 z5 B% J. p, c0 P, ]% I
此账户发出的交易序号数(校对注:可以粗略理解为“这是该账户的第几笔交易”)。
gasPrice6 u5 @4 E6 l5 _0 b% n
$ u. z. v# o+ T% M p6 r) B7 I6 r
执行此交易、进行计算时为每单位 gas 所支付的费用(以 Wei 计量)。$ _* |% b5 B7 k) x, k1 k
gasLimit' h, M) [) F0 U# e: q; e, w
执行此交易时可以使用的最大 gas 数量。
8 F4 }6 l* g1 W2 o4 M1 C! m
to- u3 \$ m( }" ]% s4 C( b
如果此交易用于传送以太币,此处为接收以太币的 EOA 地址。) C8 \& v$ a5 C1 i C( K* h
; n1 L1 I% ^" A C1 `. u3 T
如果此交易用于向合约发送消息(例如,调用智能合约中的方法),此处为合约的地址。
如果此交易用于创建合约,此处值为空。. _" x5 U3 j6 d* ]/ s% ]7 w4 J
value
如果此交易用于收发以太币,此处为接收账户以 Wei 计量的代币数量。
如果此交易用于发送对合约的消息调用,此处为向接收此消息智能合约所给付的 Wei 数量。
如果此交易用于创建合约,此处为合约初始化时账户存放的以 Wei 计量的以太币数量。
. R6 \" S) ]! Z& e! G5 ~
v, r, s5 [6 Q1 d5 q! Y# Z6 I }% u
在交易的密码学签名中用到的值,可以用于确定交易的发送方。& v' |$ `6 s( C+ q% V
* x% Q4 E b* X6 J* \, a5 H
data(只用于价值传输以及向智能合约发送消息调用)
发送消息调用时附带的输入数据(例如,假设你想要执行智能合约中的 setter 方法,数据区就应该包括 setter 方法的标识符,以及你想要设定的参数值)。
init(只用于合约创建)) ]. o3 |. i4 ^* c! _6 ~
, B- E1 @- M8 {% E
用于初始化合约的 EVM 代码。9 S' o3 P; V- w4 \8 |9 \6 G
3 f6 z9 y4 h; v H" ~8 _, F
别想着一下子就把这些概念消化完… 必须对以太坊的内部机理有更深的认识才真正理解、使用像 data 区、init 区这样的概念。1 L2 s+ X! E: a! j: }: q4 m6 ~ ^
! i9 O* O* @7 u3 b2 j
相信不出你的意料,区块中所有的交易也是存储在默克尔树中的。并且这棵树的根节点哈希值由区块头保存!下面我们就来剖析一下以太坊区块结构。
6 n' _; _# u$ G
区块
区块分为两部分,即区块头和区块体。1 h8 E# h" _0 m% h* R) J
- o* {5 N8 G( h. S/ h
区块头就是以太坊中的区块链部分。它保存了前一个区块(也可称为父区块)的哈希值,通过区块头的连接形成了一条由密码学背书的链。
' j' P: G( b$ X8 X
区块体包含了此区块中记录的一系列交易,以及叔块(ommer)区块头列表。如果想要进一步了解叔块,我推荐阅读这篇文章。
-以太坊区块的抽象示意图-9 x( E! [) I- H) o
# A# U7 h) R/ j! a, d3 H
下面就来介绍区块头包括哪些部分。
parentHash: b, d% C4 C9 o ]) x
前一个区块的区块头哈希值。每个区块都包含前序区块的哈希值,一路可回溯至链上的创世块。这也就是维护数据不会被篡改的结构设计(任何对前序区块的篡改都会影响后续所有区块的哈希值)。" q. E5 b$ o2 w8 {. t. }" G
ommersHash% K2 f$ c0 A! j0 n: U) R$ J, u( L
叔块头以及部分区块体的哈希值。
beneficiary7 O; G3 Y/ |; a* N& J/ }! C
因为挖到此区块而获得收益的以太坊账户。3 e; c5 z# [! M) J: M- O
stateRoot
世界状态树的根节点哈希值(在所有交易被执行后)。
transactionsRoot
交易树根节点的哈希值。这棵树包含了区块体的所有交易。4 T' ~6 x3 j' c3 F I7 |5 s
receiptsRoot4 D9 q, A5 M/ D4 o: C! W8 X# [
每当交易执行时,以太坊都会生成对应结果的交易收据。此处就是这个交易收据树的根节点哈希。
% T$ e U( ~) w; |0 A* n- |: Y
logsBloom# M: `; Y# x! m' V
0 T, A9 U' b9 b" A$ P& v7 G
布隆过滤器,用于判断某区块的交易是否产生了某日志(如果对这方面感兴趣,可以查阅 Stack Overflow 的这个答案)。这避免了在区块中存储日志信息(节省了大量空间)。. X+ ^9 q- E7 A4 z! |, F, y
; Y3 A, b5 b; A% ?2 `2 P6 y1 p
difficulty
4 |8 k0 s$ x- [! ^+ o; Q% s+ z& B. U0 @
此区块的难度值。这是当前区块挖矿难度的度量值(此处不对此概念的细节和计算作介绍)。4 } k. b( X0 w- G! l" Z* G h+ d
number4 J8 O# C; D3 `- z' G
前序区块的总数。这标示了区块链的高度(即区块链上有多少区块)。创世区块的 number 为 0 。
gasLimit: D( M/ j. e$ r5 h
每一个交易都需要消耗 gas 。gas limit 标示了该区块所记录的所有交易可以使用的 gas 总量。这是限制区块内交易数量的一种手段。
$ o: w3 [) U4 P9 v/ D
gasUsed; x2 s) S+ Q' p% s, a& ^
区块中各条交易所实际消耗的 gas 总量。. L4 r9 G5 D! s- o0 m! |1 J
timestamp
区块创建时的 Unix 时间戳。谨记由于以太坊网络去中心化的特性,我们不能信任这个值,特别是撰写智能合约、涉及到时间相关的商业逻辑时不能依靠这个值。! v2 C1 s! w& y; T0 n5 Z, J \
extraData. E( J! A3 j/ v* g p9 ~" {# x5 P
能输入任何东西的不定长字节数组。当矿工创建区块时,可以在这个区域添加任何东西。
mixHash2 o$ ^1 c( i. @
用于验证一个区块是否被真正记录到链上的哈希值(如果想要真正理解这个概念,建议阅读这篇文章 Ethash proof-of-work function )。
l: L% V, X- G+ m* ]. d
nonce& [: z8 l$ x* q; D# V6 Y
和 mixHash 一样,用于验证区块是否被真正记录到链上的值。
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