以太坊黃皮書(shū)中的一些概念及作用介紹

希望屏幕面前的你在閱讀之后能明白默克爾樹(shù)到底是什么，以及它在以太坊中的作用；能理解“世界狀態(tài)”和“賬戶狀態(tài)”的概念；能在腦海中勾勒出交易以及區(qū)塊的結(jié)構(gòu)。

默克爾樹(shù)

在討論以太坊的主要數(shù)據(jù)對(duì)象之前，我想先向各位簡(jiǎn)要介紹一下默爾克樹(shù)到底是什么，以使得它得以發(fā)揮作用的屬性特征。

黃皮書(shū)中假設(shè)由定制的默克爾-帕特里夏樹(shù)維護(hù)世界狀態(tài)和交易。附錄 D 描述了這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

默克爾-帕特里夏樹(shù)有許多有意思的屬性，如果你想更深入地了解其在以太坊中的應(yīng)用，我推薦你閱讀這篇文章。

在默克爾樹(shù)中，由葉子節(jié)點(diǎn)保存區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希，而由非葉子節(jié)點(diǎn)保存其子節(jié)點(diǎn)的哈希。

-默克爾樹(shù)示意圖（包括節(jié)點(diǎn)以及他們之間的關(guān)系）-

默克爾樹(shù)所指向數(shù)據(jù)的任何改動(dòng)都會(huì)引起節(jié)點(diǎn)哈希的變化。由于每一個(gè)父節(jié)點(diǎn)中所保存的哈希值都取決于子節(jié)點(diǎn)所包含的數(shù)據(jù)，所以子節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的變更都會(huì)引起父節(jié)點(diǎn)哈希的變化。并且這樣的影響是連鎖反應(yīng)，從葉子節(jié)點(diǎn)直達(dá)根節(jié)點(diǎn)的。因此對(duì)葉子節(jié)點(diǎn)所指向數(shù)據(jù)的改動(dòng)會(huì)引起根節(jié)點(diǎn)所保存哈希的變化。由上述結(jié)構(gòu)特征，我們可以引申出兩條重要的屬性：

1. 在判斷兩棵默克爾樹(shù)所指向數(shù)據(jù)是否完全相同時(shí)，我們不需要比較每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，而只需比較根節(jié)點(diǎn)所保存的哈希。

2. 在判斷特定數(shù)據(jù)是否被樹(shù)所指向時(shí)，我們可以使用 默克爾證明 技術(shù)。此處不對(duì)該技術(shù)作過(guò)多介紹，只需知道這是證明數(shù)據(jù)存在于默克爾樹(shù)中的一種簡(jiǎn)單、高效的方法。

第一種屬性的重要之處在于，我們能夠僅利用根節(jié)點(diǎn)的哈希值，就標(biāo)示某一時(shí)刻整棵樹(shù)所指向的數(shù)據(jù)。這意味著僅通過(guò)保存根節(jié)點(diǎn)的哈希值就能標(biāo)示區(qū)塊（無(wú)需儲(chǔ)存區(qū)塊鏈中所有的數(shù)據(jù)），且維護(hù)數(shù)據(jù)的不可篡改。

至此我們理清了默克爾樹(shù)中根節(jié)點(diǎn)哈希的作用，下面來(lái)介紹以太坊中的主要對(duì)象。

世界狀態(tài)

世界狀態(tài)是地址（賬戶）到賬戶狀態(tài)的映射。雖然世界狀態(tài)不保存在區(qū)塊鏈上，但在黃皮書(shū)的描述中，世界狀態(tài)也由樹(shù)來(lái)保存數(shù)據(jù)（此樹(shù)也被稱為狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)或者狀態(tài)樹(shù)）。世界狀態(tài)可以被視作為隨著交易的執(zhí)行而持續(xù)更新的全局狀態(tài)。以太坊就像一個(gè)去中心化的計(jì)算機(jī)，世界狀態(tài)則是這臺(tái)電腦的硬盤(pán)。

以太坊中所有的賬戶信息都體現(xiàn)在世界狀態(tài)之中，并由世界狀態(tài)樹(shù)保存。如果你想知道某一賬戶的余額，或者某智能合約當(dāng)前的狀態(tài)，就需要通過(guò)查詢世界狀態(tài)樹(shù)來(lái)獲取該賬戶的具體狀態(tài)信息。下文中我也會(huì)簡(jiǎn)要介紹這些信息是如何存儲(chǔ)的。

-世界狀態(tài)樹(shù)與賬戶存儲(chǔ)-

賬戶狀態(tài)

以太坊中有兩種賬戶類型：外部所有賬戶（Externally Owned Accounts 簡(jiǎn)稱 EOA）以及合約賬戶。我們用來(lái)互相收發(fā)以太幣、部署智能合約的賬戶就是 EOA 賬戶，而部署智能合約時(shí)自動(dòng)生成的賬戶則是合約賬戶。每一個(gè)智能合約都有其獨(dú)一無(wú)二的以太坊賬戶。

賬戶狀態(tài)反映了一個(gè)以太坊賬戶的各項(xiàng)信息。例如，它存儲(chǔ)了當(dāng)前賬戶以太幣的余額信息、當(dāng)前賬戶發(fā)送過(guò)的交易數(shù)量。..每一個(gè)賬戶都有賬戶狀態(tài)。

下面就來(lái)看看賬戶狀態(tài)中都包括什么：

nonce

從此地址發(fā)送出去的交易數(shù)量（如果當(dāng)前為 EOA 賬戶）或者此賬號(hào)產(chǎn)生的合約創(chuàng)建操作（現(xiàn)在先別管合約創(chuàng)建操作是什么）。

balance

此賬號(hào)所擁有的以太幣數(shù)量（以 Wei 計(jì)量）。

storageRoot

賬戶存儲(chǔ)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希值（稍后介紹賬戶存儲(chǔ)是什么）。

codeHash

對(duì)于合約賬戶，就是此賬戶存儲(chǔ) EVM 代碼的哈希值。對(duì)于 EOA 賬戶，此處留空。

賬戶狀態(tài)中不容忽視的一個(gè)細(xì)節(jié)是，上述對(duì)象在內(nèi)的所有對(duì)象都可變（除了 codeHash）。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)賬戶向其他賬戶發(fā)送以太幣時(shí)，除了 nonce 會(huì)增加，賬戶的余額也會(huì)相應(yīng)改變。

而 codeHash 的不可變性使得，如果部署了有漏洞的智能合約，也無(wú)法修復(fù)更新此合約。對(duì)應(yīng)的，只能部署一個(gè)新合約（而有漏洞的版本會(huì)一直存在于區(qū)塊鏈上）。這也是為什么使用 Truffle 進(jìn)行智能合約的開(kāi)發(fā)和部署十分必要，并且用 Solidity 編程時(shí)要遵循 最佳實(shí)踐 的要求。

賬戶存儲(chǔ)樹(shù)是保存與賬戶相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)只有合約賬戶才有，而在 EOA 中， storageRoot 留空、 codeHash 則是一串空字符串的哈希值。所有智能合約的數(shù)據(jù)都以 32 字節(jié)映射的形式保存在賬戶存儲(chǔ)樹(shù)中。此處不再贅述賬戶狀態(tài)樹(shù)如何維持合約數(shù)據(jù)。賬戶狀態(tài)中的 storageRoot 區(qū)域負(fù)責(zé)維持賬戶存儲(chǔ)樹(shù)根節(jié)點(diǎn)哈希值。

-賬戶狀態(tài)與賬戶存儲(chǔ)樹(shù)-

交易

交易推動(dòng)當(dāng)前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。在以太坊中有三種交易：

1. EOA 之間傳輸值的交易（例如，改變發(fā)送方和接收方余額大?。?。

2. 發(fā)送消息來(lái)調(diào)用合約的交易（例如，通過(guò)發(fā)送消息調(diào)用來(lái)觸發(fā) setter 方法，以設(shè)置合約中的值）。

3. 用于部署合約的交易（由此創(chuàng)建了合約賬戶）。

（從技術(shù)角度來(lái)講，前兩種交易是一樣的。..它們都是通過(guò)消息調(diào)用來(lái)改變賬戶狀態(tài)的交易，只不過(guò)一個(gè)是 EOA 賬戶，一個(gè)是合約賬戶。此處將交易分為三種是為了方便讀者的理解。）

交易由以下部分組成：

nonce

此賬戶發(fā)出的交易序號(hào)數(shù)（校對(duì)注：可以粗略理解為“這是該賬戶的第幾筆交易”）。

gasPrice

執(zhí)行此交易、進(jìn)行計(jì)算時(shí)為每單位 gas 所支付的費(fèi)用（以 Wei 計(jì)量）。

gasLimit

執(zhí)行此交易時(shí)可以使用的最大 gas 數(shù)量。

to

· 如果此交易用于傳送以太幣，此處為接收以太幣的 EOA 地址。

· 如果此交易用于向合約發(fā)送消息（例如，調(diào)用智能合約中的方法），此處為合約的地址。

· 如果此交易用于創(chuàng)建合約，此處值為空。

value

· 如果此交易用于收發(fā)以太幣，此處為接收賬戶以 Wei 計(jì)量的代幣數(shù)量。

· 如果此交易用于發(fā)送對(duì)合約的消息調(diào)用，此處為向接收此消息智能合約所給付的 Wei 數(shù)量。

· 如果此交易用于創(chuàng)建合約，此處為合約初始化時(shí)賬戶存放的以 Wei 計(jì)量的以太幣數(shù)量。

v， r， s

在交易的密碼學(xué)簽名中用到的值，可以用于確定交易的發(fā)送方。

data（只用于價(jià)值傳輸以及向智能合約發(fā)送消息調(diào)用）

發(fā)送消息調(diào)用時(shí)附帶的輸入數(shù)據(jù)（例如，假設(shè)你想要執(zhí)行智能合約中的 setter 方法，數(shù)據(jù)區(qū)就應(yīng)該包括 setter 方法的標(biāo)識(shí)符，以及你想要設(shè)定的參數(shù)值）。

init（只用于合約創(chuàng)建）

用于初始化合約的 EVM 代碼。

別想著一下子就把這些概念消化完。.. 必須對(duì)以太坊的內(nèi)部機(jī)理有更深的認(rèn)識(shí)才真正理解、使用像 data 區(qū)、init 區(qū)這樣的概念。

相信不出你的意料，區(qū)塊中所有的交易也是存儲(chǔ)在默克爾樹(shù)中的。并且這棵樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希值由區(qū)塊頭保存！下面我們就來(lái)剖析一下以太坊區(qū)塊結(jié)構(gòu)。

區(qū)塊

區(qū)塊分為兩部分，即區(qū)塊頭和區(qū)塊體。

區(qū)塊頭就是以太坊中的區(qū)塊鏈部分。它保存了前一個(gè)區(qū)塊（也可稱為父區(qū)塊）的哈希值，通過(guò)區(qū)塊頭的連接形成了一條由密碼學(xué)背書(shū)的鏈。

區(qū)塊體包含了此區(qū)塊中記錄的一系列交易，以及叔塊（ommer）區(qū)塊頭列表。

-以太坊區(qū)塊的抽象示意圖-

下面就來(lái)介紹區(qū)塊頭包括哪些部分。

parentHash

前一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊頭哈希值。每個(gè)區(qū)塊都包含前序區(qū)塊的哈希值，一路可回溯至鏈上的創(chuàng)世塊。這也就是維護(hù)數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（任何對(duì)前序區(qū)塊的篡改都會(huì)影響后續(xù)所有區(qū)塊的哈希值）。

ommersHash

叔塊頭以及部分區(qū)塊體的哈希值。

beneficiary

因?yàn)橥诘酱藚^(qū)塊而獲得收益的以太坊賬戶。

stateRoot

世界狀態(tài)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希值（在所有交易被執(zhí)行后）。

transactionsRoot

交易樹(shù)根節(jié)點(diǎn)的哈希值。這棵樹(shù)包含了區(qū)塊體的所有交易。

receiptsRoot

每當(dāng)交易執(zhí)行時(shí)，以太坊都會(huì)生成對(duì)應(yīng)結(jié)果的交易收據(jù)。此處就是這個(gè)交易收據(jù)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希。

logsBloom

布隆過(guò)濾器，用于判斷某區(qū)塊的交易是否產(chǎn)生了某日志。這避免了在區(qū)塊中存儲(chǔ)日志信息（節(jié)省了大量空間）。

difficulty

此區(qū)塊的難度值。這是當(dāng)前區(qū)塊挖礦難度的度量值（此處不對(duì)此概念的細(xì)節(jié)和計(jì)算作介紹）。

number

前序區(qū)塊的總數(shù)。這標(biāo)示了區(qū)塊鏈的高度（即區(qū)塊鏈上有多少區(qū)塊）。創(chuàng)世區(qū)塊的 number 為 0 。

gasLimit

每一個(gè)交易都需要消耗 gas 。gas limit 標(biāo)示了該區(qū)塊所記錄的所有交易可以使用的 gas 總量。這是限制區(qū)塊內(nèi)交易數(shù)量的一種手段。

gasUsed

區(qū)塊中各條交易所實(shí)際消耗的 gas 總量。

timestamp

區(qū)塊創(chuàng)建時(shí)的 Unix 時(shí)間戳。謹(jǐn)記由于以太坊網(wǎng)絡(luò)去中心化的特性，我們不能信任這個(gè)值，特別是撰寫(xiě)智能合約、涉及到時(shí)間相關(guān)的商業(yè)邏輯時(shí)不能依靠這個(gè)值。

extraData

能輸入任何東西的不定長(zhǎng)字節(jié)數(shù)組。當(dāng)?shù)V工創(chuàng)建區(qū)塊時(shí)，可以在這個(gè)區(qū)域添加任何東西。

mixHash

用于驗(yàn)證一個(gè)區(qū)塊是否被真正記錄到鏈上的哈希值。

nonce

和 mixHash 一樣，用于驗(yàn)證區(qū)塊是否被真正記錄到鏈上的值。

哎呀。..真是講到我嘴都酸了。..建議你別著急，慢慢吸收！不過(guò)我要再次強(qiáng)調(diào)，閱讀本文不應(yīng)以記住每一個(gè)名詞及其作用為目標(biāo)（在谷歌上這些都能搜到）。我的寫(xiě)作初衷是想用一種簡(jiǎn)單的方式（至少比黃皮書(shū)簡(jiǎn)單）介紹以太坊對(duì)象的方方面面，來(lái)幫助新手理解那些專業(yè)名詞代表什么。把這篇文章當(dāng)作“笨方法學(xué)以太坊對(duì)象”就好了！

結(jié)論

讓我們簡(jiǎn)要回顧一下學(xué)到了什么！總體而言，以太坊有四種前綴樹(shù)：

1. 世界狀態(tài)樹(shù)包括了從地址到賬戶狀態(tài)之間的映射。 世界狀態(tài)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希值由區(qū)塊保存（在 stateRoot 字段），它標(biāo)示了區(qū)塊創(chuàng)建時(shí)的當(dāng)前狀態(tài)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)世界狀態(tài)樹(shù)。

2. 賬戶存儲(chǔ)樹(shù)保存了與某一智能合約相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。由賬戶狀態(tài)保存賬戶存儲(chǔ)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希值（在 storageRoot 字段）。每個(gè)賬戶都有一個(gè)賬戶存儲(chǔ)樹(shù)。

3. 交易樹(shù)包含了一個(gè)區(qū)塊中的所有交易信息。由區(qū)塊頭（在 transactionsRoot 區(qū)域）保存交易樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希值。每個(gè)區(qū)塊都有一棵交易樹(shù)。

4. 交易收據(jù)樹(shù)包含了一個(gè)區(qū)塊中所有交易的收據(jù)信息。同樣由區(qū)塊頭（在 receiptsRoot 區(qū)域）保存交易收據(jù)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希值；每個(gè)區(qū)塊都有對(duì)應(yīng)的交易收據(jù)樹(shù)。

我們今天討論的對(duì)象有：

1. 世界狀態(tài)： 以太坊這臺(tái)分布式計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)。它是從地址到賬戶狀態(tài)的映射。

2. 賬戶狀態(tài)： 保存著每個(gè)以太坊賬戶的狀態(tài)信息。賬戶狀態(tài)同樣保存著賬戶狀態(tài)樹(shù)的 storageRoot，后者包含了該賬戶的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3. 交易： 標(biāo)示了系統(tǒng)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。它可以是資金的轉(zhuǎn)移、消息調(diào)用或是合約的部署。

4. 區(qū)塊： 包括對(duì)前序區(qū)塊（parentHash）的鏈接，并且保存了當(dāng)執(zhí)行時(shí)會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生新?tīng)顟B(tài)的交易。區(qū)塊同時(shí)保存了 stateRoot 、transactionRoot 、 receiptsRoot 、 世界狀態(tài)樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)哈希、交易樹(shù)以及對(duì)應(yīng)的交易收據(jù)樹(shù)。

我想用一張圖來(lái)表示文中提及的各種概念信息。

-區(qū)塊、交易、賬戶狀態(tài)對(duì)象以及以太坊的默克爾樹(shù)-

根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，直接從黃皮書(shū)中學(xué)習(xí)以太坊并不方便，且需要巨大的耐心。如前所述，本文的主要目標(biāo)就是用區(qū)塊鏈初學(xué)者能聽(tīng)得懂的語(yǔ)言描述以太坊的主要對(duì)象。