【区块链基础】4——ETH区块结构

账户

与BTC不同，ETH使用的是基于账户的账本（account-based ledger），账本中记录了各个用户的的余额，交易时不必追溯币的来源。

基于账户的账本对双花攻击（duoble spending attack）有着天然的防御作用，账户余额是系统中全节点维护的一个状态，称为balance，交易发生时余额随机改变，但与之而来的问题便是重放攻击（reply attack）：若将已发布的交易再一次进行广播发布，造成支付者多次支付，接收者将因此获利。

ETH中使用nonce解决这一问题，nonce作为账户状态中的一个字段，有着计数器的功能，记录了账户有史以来交易的次数，转账时，nonce成为交易内容的一部分，受支付者的签名保护。

ETH有两类账户：

外部账户（externally owned account）
也称普通账户，由公私钥对进行控制，包含之前所述的balance和nonce；另外一类账户为合约账户；
合约账户（smart contract account）
合约账户不是通过公私钥对进行控制。在创建合约时，合约将返回一个地址，由此地址可调用合约，但合约账户不能主动发起一次交易，所有的交易只能由外部账户发起，之后可能会引起合约间的相互调用。另外，除了balance和nonce，合约账户还有代码code和存储storage。

由于ETH支持智能合约，要求参与者有比较稳定的身份，这与BTC的设计有所不同。

状态树

ETH的账户地址是160bits，共20个字节，账户地址到账户状态为一对映射，账户状态为前述的包括balance，nonce，code，storage等。所有的账户组织成一个改进的Merkle Patricia Tree。

存储账户状态的结构为状态树，其基本数据结构为Merkle Patricia Tree。MPT是一种融合了merkle tree和patricia tree两种树结构优点的数据结构，用路径压缩提高效率，并可计算出一个账户状态的根哈希值，保存于block header中。

merkle tree可参考：【区块链基础】2——BTC区块结构
patricia tree可参考：patricia-tree

MPT丰富了节点类型，共有如下4个类型的节点：

扩展节点 extension Node: [key, value]，只能有一个子节点。这里的value值存储的是孩子节点的哈希值；
分支节点 branch Node [0,1,…,16,value]，可以有多个节点。因为MPT树中的key被编码成一种特殊的16进制的表示，再加上最后的value，所以分支节点是一个长度为17的list，前16个元素对应着key中的16个可能的十六进制字符，如果有一个[key, value]对在这个分支节点终止，最后一个元素为value值，存储的是刚好在分支节点结束时的值，若没有节点在分支节点中结束时，value值没有存储数据，即分支节点既可以搜索路径的终止也可以是路径的中间节点。分支节点的父亲必然是extension node；
叶子节点 leaf Node : [key, value]，这里的key都是16编码出来的字符串，每个字符只有0-f 16种，value是RLP编码的数据；
空白节点 NULL

ETH对MPT做了略微的改进：

Extension Node 和 Branch Node 与原生的MPT不同；
prefix 分奇偶数个nibbles（16进制数）；

具体以官方的下图为例：

MPT作用如下：

防止篡改
只要根哈希值不变，整个树的任何部分都无法被篡改，每个账户的状态不会被篡改。
证明账户余额
账户所在的分支自下而上作为merkle proof发给轻节点，轻节点进行验证。

交易树

用于记录交易的数据信息，其结构也为MPT，其键值为交易在发布的区块中交易的序号。

收据树

每笔交易完成后形成一个收据，用于记录交易的相关信息与执行结果，其数据结构也为MPT，其键值为交易在发布的区块中交易的序号，与交易树中的节点一一对应，。由于ETH智能合约执行过程比较复杂，增加收据树有利于快速查询执行结果。

布隆过滤器 bloom filter

bloom filter可以比较高效的查找某个元素是否包含在比较大的集合之内。直观的说，bloom算法类似一个hash set，用来判断某个元素（key）是否在某个集合中。和一般的hash set不同的是，这个算法无需存储key的值，对于每个key，只需要k个比特位，每个存储一个标志，用来判断key是否在集合中。

算法：

首先需要k个hash函数，每个函数可以把key散列成为1个整数

初始化时，需要一个长度为n比特的数组，每个比特位初始化为0

某个key加入集合时，用k个hash函数计算出k个散列值，并把数组中对应的比特位置为1

判断某个key是否在集合时，用k个hash函数计算出k个散列值，并查询数组中对应的比特位，如果所有的比特位都是1，认为在集合中。

在查找某一交易时可快速过滤掉大量无关的区块

区块

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：前一个区块header的哈希
UncleHash：叔块的哈希，可能比Parent大好几辈
Coinbase：挖出区块的矿工地址
Root：状态树的根哈希
TxHash：交易树的根哈希，类似于比特币中的merkle root
ReceiptHash：收据树的根哈希
Bloom：布隆过滤器，和收据树相关，提供高效的查询符合某种条件的交易的执行结果
Difficulty：挖矿难度
GasLimit，GasUsed：和汽油费相关，智能合约消耗汽油费，类似于比特币中的交易费
Time：区块产生时间
MixDigest：nonce经过计算得到的哈希
Nonce：符合难度要求的随机数

block

// Block represents an entire block in the Ethereum blockchain.
type Block struct {header       *Header  //区块头uncles       []*Header //叔块transactions Transactions  //区块打包的一批交易数据// cacheshash atomic.Valuesize 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  //总难度值// These fields are used by package eth to track// inter-peer block relay.ReceivedAt   time.TimeReceivedFrom interface{}
}

header：指向header的指针
uncles：指向叔块的header的指针数组
transactions：交易列表

extblock

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

extblock为真正发布的区块信息，即为block结构的前三项。

新区块发布
多个区块的状态树共享节点，每次发布新区块，MPT树中部分节点状态会改变，但改变并非在原地修改，而是新建一些分支，保留原本状态。当仅仅有新发生改变的节点才需要修改，其他未修改节点直接指向前一个区块中的对应节点。而交易树与收据树只将当前区块内发布的交易组织起来，如图所示：

由于以太坊中出块时间15s左右，会产生很多的分叉，保持历史记录的一个好处是，当某些分叉需要回滚时可以更好的查看历史记录。

交易驱动的状态机 transaction-drived state machine

ETH为一个交易驱动的状态机，其状态为状态树中账户的状态，通过执行交易树的交易，可驱动系统由当前状态转移到下一个状态，其状态转移时确定性的，即通过给定的当前状态和交易，能确定性的转移到下一个状态。

参考资料

北京大学肖臻老师《区块链技术与应用》公开课

区块链基础系列

【区块链基础】1——密码学基础
【区块链基础】2——BTC区块结构
【区块链基础】3——BTC协议

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