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。
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。/ Z5 _# G) R+ J) }1 [/ g3 [: f
9 n8 j5 A) }0 [5 t- _: o
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。2 j4 C7 p) L `4 v% g3 C3 z9 }$ U) n
; ?$ ^* P& J7 ?' P- ~2 x
-默克尔树示意图(包括节点以及他们之间的关系)-: a( P O( j1 s, {& w0 z5 ^
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: R# ?; {( Y/ q. T
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。$ E2 q: n' |8 T5 ^
' d4 h0 P8 V7 G1 f& H$ v- z
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。* H3 l0 I, C9 J: n @) ~) [
1 n4 D! Z/ H4 w+ o- r
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。
3 {( ~. L- p+ u$ P: f6 Q& O
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。3 h* X3 o2 ~, v
0 [. y" A7 h1 Q
世界状态: F( g. E* \ U' e) m
7 ? q6 L/ w& N* S# r
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。+ K' @4 V. \% a+ d
" A& u; w7 Z A$ U" C) G
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。
-世界状态树与账户存储-6 d3 G% x }( l$ k- E# _9 t
-世界状态树与账户存储-
) ~. ^6 A. P) i2 S/ g+ D/ z. H
账户状态
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。( ]3 u/ a9 d/ N' O0 E" u2 k$ m$ t
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。
下面就来看看账户状态中都包括什么:3 k0 u9 h" T! Q! ^" ]; z2 g
nonce
, o1 H/ i- {" t; F
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)。' _" P8 H! U3 O% Q1 C$ c6 @4 B
. G% I. Q ?% x2 }( _' z
balance
. V0 K" k" M& ^6 m: O" F0 }
此账号所拥有的以太币数量(以 Wei 计量)。
storageRoot, G% P# x' F: b9 b: k
账户存储树的根节点哈希值(稍后介绍账户存储是什么)。" ?- e4 @, y# b& e' Z0 H
codeHash) v q; @! x- g* u5 ?& \
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。
/ x+ [2 P [: v8 Y, C) V
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。- g) j* E7 s' S* F
3 I; a4 `$ L5 t/ i( K R! d4 ~; f; z
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。* u* d! t$ C5 }8 Z
2 }2 C G" d, x, W& \
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-
- ~. d* a9 u8 r- X' g% O) y
交易# j% b6 L/ @0 c3 R6 Y# f' d
' f% L# p3 T- E6 {
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:- o/ j' H6 @) K' y& z( j
: x" {: _; v# a
EOA 之间传输值的交易(例如,改变发送方和接收方余额大小)。
, `$ s Q W9 _, Y' E( I) }2 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)。$ v/ I+ a @4 L$ i+ x
! W6 ~: c8 p2 Q9 Q, E1 t
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。)8 E, _8 _: T7 I. g8 [
- K% u9 v( q. y. R( v) f# m
交易由以下部分组成:
nonce
4 o4 ] p' Z% F: E. Z* ~' y7 f3 M
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”)。
gasPrice
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)。
gasLimit
执行此交易时可以使用的最大 gas 数量。# m4 \6 p$ D% D" M( t" L: n
$ ]( f" }5 @2 l! D- \) \, q+ f
to( |7 h6 M5 _' }8 [
2 L8 R4 N' K4 w, s- h
如果此交易用于传送以太币,此处为接收以太币的 EOA 地址。) A6 D, i) U5 C# F" A/ N
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。' B/ u6 M' Z. a
如果此交易用于创建合约,此处值为空。4 J' S' H! ~7 t0 R2 [5 y% G" w
0 T3 R9 |6 l, G, K
value. ?- Z8 u1 w. J, P4 M# j5 O% b- r
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。
2 z* d% M$ L- P) c4 C s3 g. ~2 c- {
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。1 u6 ^: o5 S: x) k ]9 a" Y5 H' s6 R
9 [+ p l! u2 ]! Z9 t
v, r, s& d, K8 z8 @0 m& ^- @
( Q! p; U+ o; G3 h0 G6 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。
8 `% ?: v, c! ]; w" O9 H4 m! ~* a
data(只用于价值传输以及向智能合约发送消息调用)
* Z9 l' t8 k- W
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)。) I$ S5 H( j% U- R# x0 s# Z* U* Q
9 i- r3 t$ j; B
init(只用于合约创建)# p4 A1 I# j: ]" ^& a9 K% U) \
( A$ V- n; I1 R. t [
用于初始化合约的 EVM 代码。- ?8 | w4 a {3 G3 _- z e# A. _( d! @
% l. L `6 ~. t
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。
% `/ F$ ^. ^, }, P
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 X' T- ?/ W: Q0 t; _, D+ ?
& Q0 q: w8 `7 t% p* d9 n& {( }9 R
区块 N- w" o) [8 \4 u/ B
3 v- f8 e2 S9 V$ F2 h5 {6 `
区块分为两部分,即区块头和区块体。3 X" p1 M+ V/ t+ }! P M
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。
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。, {5 U& |# u! V) l- `
- W) P& Z( R% X
-以太坊区块的抽象示意图-* R* ~( h4 }- o* F
下面就来介绍区块头包括哪些部分。- c# F. m$ L7 @% y
parentHash
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)。
ommersHash
' A+ }% D' Z+ M3 N
叔块头以及部分区块体的哈希值。/ h2 Z8 Q$ i& `6 ?( p
beneficiary: e* f; ^( N5 M( G
2 ]' o1 K ?. F8 A+ F) O% M
因为挖到此区块而获得收益的以太坊账户。
$ c) \8 r) Q. u |* Q6 h* I5 Q% v
stateRoot
- _+ G) r+ E) }5 c' d' r$ A$ h& w
世界状态树的根节点哈希值(在所有交易被执行后)。
! f: l& g/ l) f. ~& |
transactionsRoot4 V+ L8 _. O7 m8 w
0 L( X% r* L6 k
交易树根节点的哈希值。这棵树包含了区块体的所有交易。& }. |( u- _$ \. a7 N
receiptsRoot
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。% ~6 c1 k1 J3 V+ a
1 D4 r7 f5 L* x
logsBloom
+ n( I- M1 J- f! X4 m
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)。
difficulty
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)。
number
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 。% Y* B1 Z( O3 ~2 s' @4 T2 s
gasLimit
3 q1 o9 y2 y, T$ }3 u1 s Q4 D; x
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。
gasUsed1 [& X; x, B8 {& I9 L R2 T3 T2 R# z
区块中各条交易所实际消耗的 gas 总量。0 }0 P/ T# J& G0 Y
3 ~1 A: v4 q8 z; F! p- @- {: `
timestamp( [/ K% _9 R' `) e1 p
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。+ r& W3 t/ k/ z T' ]- @ t' t
extraData
! p& ~& z$ a" Z. B8 D0 p) l8 v
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。
mixHash, Q, w- ^+ ]8 ]* z" @
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 )。
# B9 n# C) d% G I% [ U
nonce* D* d* P8 H8 U0 g" e/ P
* G+ `8 R$ }2 b- q& f$ ~' u& K& z" y: v
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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