以太坊基礎(chǔ)概念詳解

pingink 發(fā)布于2019-06-27 18:18 / 1934人閱讀

摘要：主要講解以太坊中的一些基本元素，如區(qū)塊賬戶(hù)狀態(tài)交易費(fèi)用等。所以它表示的是整個(gè)以太坊系統(tǒng)所有賬戶(hù)當(dāng)前的狀態(tài)。賬戶(hù)以太坊中有兩種賬戶(hù)外部擁有賬戶(hù)，一般指自然人擁有的賬戶(hù)。總結(jié)以上就是以太坊里的一些基礎(chǔ)元素，沒(méi)有講到復(fù)雜的交易執(zhí)行等，后續(xù)再寫(xiě)。

本文不講區(qū)塊鏈，也就意味著你有一些區(qū)塊鏈的基本認(rèn)知。
主要講解以太坊中的一些基本元素，如：區(qū)塊、賬戶(hù)、狀態(tài)、交易、費(fèi)用等。因這些概念之間相互緊密聯(lián)系，雖描述的時(shí)候盡量分出層級(jí)，但提醒看官看得時(shí)候可以前后翻閱。

對(duì)以太坊的解剖按從整體到局部的思路進(jìn)行：

1、以太坊

以太坊可以用幾句話(huà)道出其本質(zhì)：

以太坊是一個(gè)基于交易的狀態(tài)機(jī)。

全球就這一臺(tái)單機(jī)（但分布存在），【系統(tǒng)狀態(tài)】不停的改變。系統(tǒng)狀態(tài)是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，即后面講到的world state。

這臺(tái)單機(jī)主要由區(qū)塊鏈組成，區(qū)塊鏈上保存著狀態(tài)和交易。

當(dāng)我們與以太坊交互時(shí)，其實(shí)就是在執(zhí)行交易、改變系統(tǒng)狀態(tài)。

用一個(gè)簡(jiǎn)潔優(yōu)美的公式表示就是：

σ′ =Υ(σ,T)

Υ是狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，T是交易，σ是狀態(tài)，σ′轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)。

借用一張圖吧

從創(chuàng)世區(qū)塊開(kāi)始，無(wú)盡的交易不斷的刷新著系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，每產(chǎn)生一個(gè)區(qū)塊就對(duì)當(dāng)前狀態(tài)做一次快照（patricia trie根）存入?yún)^(qū)塊頭中。

patricia trie是merkle tree的變體，請(qǐng)自行了解merkle tree。

2、區(qū)塊結(jié)構(gòu)

再看一個(gè)公式

B≡ (B_H,B_T,B_U)

意思是區(qū)塊恒等于(區(qū)塊頭,交易列表,叔塊)

所以，區(qū)塊是由三大部分組成：
區(qū)塊頭，叔塊，交易列表。請(qǐng)看圖：

1）區(qū)塊頭由15個(gè)字段組成。
2）叔塊其實(shí)就是孤塊，因以太坊出塊速度很快平均十幾秒就會(huì)打包生成一個(gè)塊，所以礦工挖礦的競(jìng)爭(zhēng)性很高，可能同時(shí)產(chǎn)出幾個(gè)都合法的區(qū)塊，以太坊為了一些安全性起見(jiàn)，允許競(jìng)爭(zhēng)塊也掛在到主鏈上，同時(shí)給與挖出這些孤塊的礦工們少許獎(jiǎng)勵(lì)增加工作的公平性。這些孤塊最多允許6個(gè)高度，這也是6個(gè)區(qū)塊確認(rèn)主鏈說(shuō)法的來(lái)源。
3）交易列表，存儲(chǔ)的是本區(qū)塊中所有的交易內(nèi)容。

圖中的公式后面說(shuō)。

看一下一個(gè)實(shí)際的區(qū)塊信息：

"blocks" : [
            {
                "blockHeader" : {
                    "bloom" : "0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
                    "coinbase" : "0x3535353535353535353535353535353535353535",
                    "difficulty" : "0x020000",
                    "extraData" : "",
                    "gasLimit" : "0x05f5e100",
                    "gasUsed" : "0x014fa1",
                    "hash" : "0x39f4659b079e257df8fd7e699528531e97a6b8a442ca0d11200c4a2f7433c483",
                    "mixHash" : "0x7379f33af4ae2db7e293f808a165135d0b1a99572cc96fb9f7d17ef64a751969",
                    "nonce" : "0x8e08d7aabeee8773",
                    "number" : "0x01",
                    "parentHash" : "0xadbef3bf0b3b7b14f6e7b1a45d240ecc863543a279a86c23f60170e8e7a6bcc3",
                    "receiptTrie" : "0xb21660268480338c0cd0613358315359b619bd527d5850949c4863cddaec316b",
                    "stateRoot" : "0xde4ce9b5b2f88ab1680962c64281224b1743bdf94bd6a9e390ea779ff616c1f7",
                    "timestamp" : "0x03e8",
                    "transactionsTrie" : "0x56445ba866f3e41851154fb8700dcec8556a178f1833021e030b8a47b494769d",
                    "uncleHash" : "0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347"
                },
                "rlp" : "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",
                "transactions" : [
                    {
                        "data" : "0x30c8d1da000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000230644e72e131a029b85045b68181585d2833e84879b9709143e1f593f0000000",
                        "gasLimit" : "0x030d40",
                        "gasPrice" : "0x01",
                        "nonce" : "0x46",
                        "r" : "0x21a28cc82b40931239f8653ffa5300e1a506c0ef7fb79a663772cafe6558ab44",
                        "s" : "0x75af23441f7f176a2770af41142c77b671391209b15d59144e7a1332179b5e14",
                        "to" : "0xc305c901078781c232a2a521c2af7980f8385ee9",
                        "v" : "0x1b",
                        "value" : "0x00"
                    }
                ],
                "uncleHeaders" : [
                ]
            }
        ]

3、區(qū)塊頭

區(qū)塊頭包含15個(gè)字段，介紹如下：

type Header struct {
        ParentHash  common.Hash    //Hp，上一區(qū)塊全部?jī)?nèi)容的hash，區(qū)塊因它而成鏈！
        UncleHash   common.Hash    //Ho，本區(qū)塊的ommers（所有叔塊）列表的hash
        Coinbase    common.Address //Hc，成功挖出本區(qū)塊的礦工地址，用于接收礦工費(fèi)
        Root        common.Hash    //Hr，本區(qū)塊所有交易的狀態(tài)tree的根hash
        TxHash      common.Hash    //Ht，本區(qū)塊所有交易tree的根hash
        ReceiptHash common.Hash    //He，本區(qū)塊所有交易的收據(jù)的tree的根hash
        Bloom       Bloom          //Hb，交易收據(jù)日志組成的Bloom過(guò)濾器 
        Difficulty  *big.Int       //Hd，本區(qū)塊難度級(jí)別
        Number      *big.Int       //Hi，區(qū)塊序號(hào)，從創(chuàng)世塊0遞增
        GasLimit    uint64         //Hl，每個(gè)區(qū)塊當(dāng)前的gas limit
        GasUsed     uint64         //Hg，本區(qū)塊交易消耗的總gas
        Time        *big.Int       //Hs，本區(qū)塊創(chuàng)建時(shí)的Unix時(shí)間戳
        Extra       []byte         //Hx，區(qū)塊附加數(shù)據(jù)，<=32字節(jié)
        MixDigest   common.Hash    //Hm，256位的hash，與nonce組合證明出塊執(zhí)行了足夠的計(jì)算
        Nonce       BlockNonce     //Hn，64位的hash，與MixDigest組合證明出塊執(zhí)行了足夠的計(jì)算
}

首先，ParentHash是上一個(gè)區(qū)塊全部?jī)?nèi)容的hash值，下一個(gè)區(qū)塊總是包含上一個(gè)區(qū)塊全部?jī)?nèi)容的hash值，這就使得區(qū)塊成鏈。

再次，有三個(gè)特別的字段保存的是patricia trie的根，Root（狀態(tài)hash）、TxHash（交易列表hash）、ReceiptHash(收據(jù)列表hash)。這個(gè)Root就是系統(tǒng)狀態(tài)hash。系統(tǒng)狀態(tài)就是以太坊整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有賬戶(hù)的狀態(tài)，就是world state，它是一個(gè)merkle patricia trie結(jié)構(gòu)。這個(gè)樹(shù)（包括所有patricia trie）并不存在于區(qū)塊，而存在于節(jié)點(diǎn)的levelDB中。只有它的根hash存在于區(qū)塊頭Root中，每一個(gè)區(qū)塊頭里的Root都是區(qū)塊被挖出確認(rèn)時(shí)的快照，而world state指現(xiàn)在所有賬戶(hù)的狀態(tài)。

world state是跨塊存在的，另外兩棵樹(shù)只存儲(chǔ)本區(qū)塊的交易和收據(jù)。

4、world state

再說(shuō)一下world state：
world state是一顆全局狀態(tài)樹(shù)，在以太坊里只有一個(gè)，它被持續(xù)地更新。
這棵樹(shù)包含了以太坊網(wǎng)絡(luò)里每一個(gè)賬戶(hù)的key/value映射。
所以它表示的是整個(gè)以太坊系統(tǒng)所有賬戶(hù)當(dāng)前的狀態(tài)。

其折疊函數(shù)是：

L_S(σ) ≡ {p(a) : σ[a]≠ ?}

意味著非空p(a)的集合，p(a)就是patrcia 葉子節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容：

p(a) ≡  （KEC(a), RLP((σ[a]n, σ[a]b, σ[a]s, σ[a]c))）

這表示一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)是一個(gè)key/value映射，key是KEC(a)即160位的賬戶(hù)地址的哈希(Keccak-256算法)，value是賬戶(hù)（nonce、balance、storageRoot、codeHash）的RLP格式序列化字節(jié)。

5、賬戶(hù)

以太坊中有兩種賬戶(hù)
1、外部擁有賬戶(hù)（EOA），一般指自然人擁有的賬戶(hù)。
2、合約賬戶(hù)（CA），為智能合約分配的賬戶(hù)。

看一下賬戶(hù)的源碼定義：

type Account struct {
    Nonce    uint64      // σ[a]n ,若為EOA是發(fā)送的交易序號(hào)，如為CA是合約創(chuàng)建的序號(hào)。
    Balance  *big.Int    // σ[a]b ，這個(gè)地址的余額。
     //merkle root of the storage trie
    Root     common.Hash // σ[a]s ，賬戶(hù)自身內(nèi)容RPL編碼組成的Merkle Trie的根哈希
    CodeHash []byte      // σ[a]c ，賬戶(hù)綁定的EVM Code，賬戶(hù)一經(jīng)創(chuàng)建不可修改。
}

EOA特征
codeHash為空
storageRoot為空
通過(guò)私鑰控制
發(fā)起交易（轉(zhuǎn)移以太幣或觸發(fā)合約代碼）

CA特征
不能發(fā)起交易，可以被觸發(fā)執(zhí)行合約代碼（通過(guò)EOA發(fā)起的交易或者從其他CA接收的消息調(diào)用激活）

怎么判斷一個(gè)賬戶(hù)是空賬戶(hù)？

EMPTY(σ,a)≡ σ[a]c =KEC(()) ∧ σ[a]n =0 ∧ σ[a]b =0

從公式看，一個(gè)賬戶(hù)的Root為空且nonce為0且余額為0，則說(shuō)明這是一個(gè)空賬戶(hù)。

6、交易

再回顧一個(gè)公式

σ′ =Υ(σ,T)

以太坊是一個(gè)基于交易的狀態(tài)機(jī)。
任意兩個(gè)賬戶(hù)之間的交易都會(huì)引起world state的改變。
兩個(gè)相鄰區(qū)塊之間的狀態(tài)差別很小，patricia trie這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能高效的處理整個(gè)系統(tǒng)賬戶(hù)變化的部分。

交易基本定義：【從外部擁有賬戶(hù)】發(fā)送的加密簽名序列化指令。換句話(huà)說(shuō)交易必須是從EOA發(fā)起的才能叫交易，CA之間的通信叫消息也有叫內(nèi)部交易的，現(xiàn)在是有區(qū)別，以后這個(gè)區(qū)別會(huì)不會(huì)模糊化不知道。

交易類(lèi)型有兩種：
1、消息調(diào)用（T_d）
2、合約創(chuàng)建（T_i）

從EOA到EOA的交易僅是轉(zhuǎn)賬。
EOA到CA可以激活各種操作。

看交易的源碼定義：

type txdata struct {
    AccountNonce uint64          //Tn
    Price        *big.Int        //Tp
    GasLimit     uint64          //Tg
    Recipient    *common.Address //Tt
    Amount       *big.Int        //Tv
    Payload      []byte          //Td || Ti 
    V *big.Int
    R *big.Int
    S *big.Int
    // This is only used when marshaling to JSON.
    Hash *common.Hash
}

T_n必須等于發(fā)起交易的賬戶(hù)的nonce（翻閱前面說(shuō)法可知，賬戶(hù)nonce是該賬戶(hù)發(fā)起的第幾筆交易的序號(hào)，如果是創(chuàng)建合約則代表第幾次創(chuàng)建合約的序號(hào)）
T_p是這筆交易消耗的gas單價(jià)
T_g是你愿意為這筆交易最多可以支付的上限
T_t是接收賬戶(hù)的地址，如果為空說(shuō)明接受賬戶(hù)是一個(gè)CA，否則是EOA
T_v是到接收者的額度
T_d或T_i，如果交易類(lèi)型是消息調(diào)用則Palload寫(xiě)為T(mén)_d，表示輸入數(shù)據(jù)，例如消息的參數(shù)，假設(shè)有一個(gè)注冊(cè)域名的合約服務(wù)，則Td就是該服務(wù)需要的參數(shù)如IP等。如果交易類(lèi)型是創(chuàng)建合約，則Payload寫(xiě)為T(mén)i，表示一段代碼，這段代碼用于創(chuàng)建合約賬戶(hù)，這段初始化代碼只會(huì)被執(zhí)行一次就丟棄掉，第二次執(zhí)行的是創(chuàng)建完的合約代碼體。

交易的公式：

可以看到當(dāng)接收賬戶(hù)不同時(shí)，區(qū)別僅僅是T_d和T_i的區(qū)別。

另外，一個(gè)區(qū)塊里交易的順序由裝配這個(gè)區(qū)塊的礦工決定。

7、費(fèi)用

以太坊網(wǎng)絡(luò)里任何計(jì)算都要支付gas（燃料），
思考為什么不直接用eth做費(fèi)用？
答案是用兩個(gè)概念gas和eth區(qū)別價(jià)值和價(jià)格，gas是一種固定衡量的價(jià)值，而eth是市場(chǎng)上快速變化的價(jià)格，很多EVM（以太坊虛擬機(jī)）的操作指令都需要消耗固定的費(fèi)用就用gas來(lái)計(jì)價(jià)，gas的最小單位是wei，1eth = 10¹⁸wei = 10⁹gwei。所以eth和gas之間是有匯率的。

GasPrice：燃料單價(jià)
GasLimit：愿意支付的燃料上限

GasLimit × GasPrice = 愿意支付的最大費(fèi)用
10000 × 100gwei = 10¹⁵wei = 0.001eth

這圖要說(shuō)明的是：
一筆交易中，你設(shè)置的最大費(fèi)用如果沒(méi)有消耗完，多出的會(huì)返回給你。如果最大費(fèi)用不夠計(jì)算的花費(fèi)，那么交易會(huì)終止、已改變的狀態(tài)會(huì)回滾、但是錢(qián)被消耗不會(huì)退回了。這些已消耗的費(fèi)用都獎(jiǎng)勵(lì)給礦工了。

計(jì)算都是有費(fèi)用的，初次之外還有一些東西需要繳費(fèi)：

費(fèi)用的三種不同構(gòu)成：
1）計(jì)算操作的固定費(fèi)用
2）交易（合約創(chuàng)建或消息調(diào)用）費(fèi)用
3）存儲(chǔ)（內(nèi)存、存儲(chǔ)賬戶(hù)合約數(shù)據(jù)）費(fèi)用

著重說(shuō)一下存儲(chǔ)費(fèi)用：
存儲(chǔ)收費(fèi)是因?yàn)榧偃缒愕暮霞s使得狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)增大，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)增加存儲(chǔ)。
以太幣是鼓勵(lì)盡量保持少量存儲(chǔ)的。
但是如果有操作是清除一個(gè)存儲(chǔ)條目，這個(gè)操作的費(fèi)用不但會(huì)被免除，而且由于釋放空間還會(huì)獲得退款。

總結(jié)

以上就是以太坊里的一些基礎(chǔ)元素，沒(méi)有講到復(fù)雜的交易執(zhí)行、EVM等，后續(xù)再寫(xiě)。

下面是一個(gè)區(qū)塊鏈小程序，供大家參考：

GPU云服務(wù)器云服務(wù)器以太坊以太坊區(qū)塊 linux以太坊以太坊區(qū)塊查詢(xún)

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