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1. 以太坊技術系列-以太坊數據結構

本篇文章和大家介紹一下以太坊的數據結構，上篇文章我們提到，以太坊為了實現智能合約這一功能，使用了基於賬戶的模型。我們來看看以太坊中數據結構。

既然是基於賬戶的模型，我們需要通過賬戶地址找到賬戶的狀態。就像通過銀行卡號可以找到你在銀行中的各種信息一樣。最簡單的想法當然是一個簡單的哈希表 key是賬戶地址 value是賬戶狀態。但這里有個問題解決不了。

輕節點如何校驗賬戶合法性？

上篇我們說過，區塊鏈中有2類節點，全節點和輕節點，輕節點只會存儲block header，所以輕節點如何才能校驗賬號是否合法呢？

這個思路和我們平時用的md5校驗一致，我們會對區塊內的信息進行hash運算從而得出區塊內信息唯一確定的值，區塊鏈所有節點中這個值都是相同的。

在這個過程中我們用到了一種數據結構Merkle Tree（哈希樹），我們先看下Merkle Tree（哈希樹）的示意圖。

上篇文章說到區塊鏈中的鏈表(哈希鏈)和我們平時常見鏈表不同的是將指針從地址改為了hash指，這里也一樣，哈希樹和二叉樹的區別有2個

1.將地址改為了哈希值

2.只有葉子節點存儲數據

回到之前的問題輕節點是如何校驗1個賬戶或交易是否是在鏈上的呢？

整個流程如上圖所示

1.輕節點需要判斷1個賬號是否合法

2.輕節點由於只存儲block header，所以拿到1個賬號的時候會向全節點發出請求

3.全節點存儲了所有賬戶狀態，將賬戶路徑中的需要計算用到的hash值返回給輕節點

4.輕節點本地進行計算根hash值，如果計算結果和自己存儲一致則賬戶合法，不一致則不合法。

那以太坊中的賬戶信息的數據結構就是這樣嗎？

直接用這樣的數據結構來存儲賬戶信息會有2個問題

查找困難

生成hash值不確定

第1個問題應該比較容易發現，在這個樹中尋找1個賬號需要的復雜度是O(n),因為沒有任何順序。

第2個問題其實也是因為無序導致的，無序的組合每個節點針對同一批賬戶生成的hash值不一致，這就導致無法達成共識。

既然2個問題都和順序有關，那我們類似二叉排序樹一樣，使用哈希排序樹是不是就可以解決問題了呢？

使用排序樹後會帶來另外1個問題

插入困難

因為要維持樹是有序的，很可能帶來樹結構的很大變動。

以太坊中使用了另外一種數據結構字典樹。和哈希樹不同，字典樹應該是很多地方都有使用。我們簡單來看下字典樹的結構。

字典樹能夠較好地解決哈希樹的2個缺點1.查找困難 2.生成的hash值不確定以及排序二叉樹的1個缺點 插入困難。

但字典樹我們可以看到可能樹的深度可能由於部分元素導致整棵樹深度非常深。

這時我們可以進一步優化，將相同路徑進行壓縮。這就是壓縮字典樹。

將哈希樹和壓縮字典樹結合，就可以得到以太坊存儲賬戶的最終數據結構-MPT。

將壓縮字典樹裡面的指針從地址改為指針，並且將數據存儲在葉子節點中即可。

介紹完狀態樹的數據結構，我們接下來討論1個問題，區塊中存儲的賬戶狀態是什麼樣的范圍。有2種選擇。

只保存當時區塊中產生交易的賬戶狀態。

保存全局所有的賬戶。

我們可以看下這2種方式，無非就是空間和時間的平衡，只保存當前區塊產生的交易意味著是做懶載入(需要的時候才去尋找賬戶)，在區塊鏈中這個代價是非常大的，因為尋找的賬戶之前從未交易過，這樣會遍歷整個區塊鏈。另外一種保存全局的賬戶方式雖然看起來空間消耗較大，但查找快捷，而且空間的問題我們可以通過其他方式優化。所以最終以太坊選擇了第2種每個區塊都報錯全局所有賬戶的方式。

我們來看下以太坊中是如何保存狀態樹的。

可以看到以太坊中雖然每個區塊都保存了全部賬戶，但是會將未發生變化的賬戶狀態指向前1個節點，本身只存儲發生變化的狀態，這樣可以較大程度優化空間佔用。

介紹完以太坊中比較復雜的狀態樹後，我們繼續來看看以太坊中的另外兩棵樹，交易樹和收據樹。

首先介紹一下，為什麼需要交易樹&收據樹。

1.交易樹

雖然以太坊是基於賬戶的模型，但是就像銀行不僅會存儲銀行卡的余額，還會存儲卡中的每筆錢怎麼來的以及怎麼花的。交易樹中就存儲著當前區塊中的包含的所有交易。

2.收據樹

由於智能合約的引入增加了不少復雜性，所以以太坊用收據樹存儲著一些交易操作的額外信息。比如交易過程中執行日誌就包含在收據樹中方便查詢。收據樹和交易樹是一一對應的。每發生一次交易就會有一次收據。

和狀態樹不同交易樹和收據樹只維護當前區塊內發生的交易，因為當時區塊發生交易時不需要再去查找另外1個交易，也就之前需要可能遍歷整個區塊鏈的查找操作了。

由於以太坊中的出塊速度較快，我們進行一些查詢一些符合條件交易的時候會面臨大量數據遍歷困難的問題。收據樹中引入了布隆過濾器可以幫助我們有效緩解這一困難。

布隆過濾器將大集合中每個元素進行hash運算映射到1個較小的集合，這時再來1個元素要判斷是否在大集合的時候，不需要遍歷整個大集合，而是去進行hash運算去小集合中尋找是否存在，如果不存在，肯定不在大集合中，如果存在則不能說明任何問題。

如上圖所示，布隆過濾器只能證明某1個元素不在集合中，不能證明1個元素在結合中。

以太坊中如果我們要在較多區塊中尋找某1個交易，則可以利用布隆過濾器，過濾掉肯定不存在目標交易的區塊，然後進入收據樹內繼續利用布隆過濾器篩選，剩下的才是可能的目標交易的交易，進行一一比對即可。

我們介紹了以太坊的核心數據結構，狀態樹&交易樹&收據樹，他們都是使用相同的數據結構-哈希壓縮字典樹。但狀態樹是維護1顆全局賬戶樹，交易樹和收據樹則是維護本區塊內的交易或收據。

介紹完數據結構後，後面我們會用幾篇文章來介紹以太坊中的一些核心演算法，比如共識機制，挖礦演算法等。

2. 以太坊交易(tx) 分析

更多請參考: Github: https://github.com/xianfeng92/ethereum-code-analysis

其中 object 和 opcodes 是相對應的，比如 60 對應就是 operation PUSH1,合約編譯後的位元組碼即為一組的 operation 。

合約部署其實就是實例化一個 contract 對象，並將 data 的值設給 Code屬性 。

創建合約的tx中，input欄位對應的是合約的位元組碼，即指令數組。

其中 input 欄位對應所要調用的函數簽名的前四個位元組（771602f7）以及對應的參數（1,2）

其中 input 欄位為所要調用的合約函數簽名的前四個位元組（72a099b7）

關於函數調用，Call會把對應的Code讀出來，依次解析，Code中會把所有的public簽名的函數標志（4位元組）push到棧里。然後依據 input 中需要調用函數的簽名標志（前4位元組）來匹配 Code， 匹配之後跳轉到對應的 opcode 。

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簡介：本書得到以太坊創始人、首席科學家Vitalik Buterin認可與推薦，是為數不多系統性介紹以太坊的書籍，涵蓋架構、核心概念、部署、智能合約實踐等，並涵蓋多個讀者關心的熱點主題。

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《區塊鏈核心技術與應用》（鄒均）電子書網盤下載免費在線閱讀

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書名：區塊鏈核心技術與應用

作者：鄒均

豆瓣評分：8.6

出版社：機械工業出版社

出版年份：2018-8-1

頁數：388

內容簡介：

知名專家聯袂推薦，實力專家聯合撰寫，權威性、全面性、透徹性毋庸置疑。深度講解區塊鏈核心技術、平台與應用開發，涵蓋架構、共識、加密、P2P、比特幣、以太坊、Hyperledger、EOS、潛力框架、問題與測評等。本書分為三篇，內容解讀如下。

基礎篇（第1～6章），著重講解區塊鏈技術思想、通用架構和核心技術。該部分寫作時注意通俗易懂且兼顧全局，是學習基石與藍圖，涵蓋區塊鏈思想與價值、通用架構模型、基礎概念與核心技術（加密、共識、P2P網路等）。

實戰篇（第7～9章），講解主流的區塊鏈開發平台比特幣、以太坊、Hyperledger Fabric的核心機制、技術細節，並給出點對點的電子現金系統、智能合約開發、完整的Fabric網路構建與應用開發三個案例。

進階篇（10～12章），為進一步提升讀者開發能力、眼界與研究方向，涵蓋三個方面：① 可能的發展方向，以及一些富有潛力、特色的區塊鏈平台（EOS、Cardano、IOTA等）；② 區塊鏈開發需要考慮的各種問題，包括技術局限、各種安全問題與漏洞、應對措施；③區塊鏈測評，從6個層面和8大類質量指標來設計區塊鏈項目評測點和測試用例。

作者簡介：

鄒均 於斌 庄鵬 邢春曉 等著：鄒均，廣電運通區塊鏈科技有限公司CEO、中關村區塊鏈聯盟副秘書長。主編技術暢銷書《區塊鏈技術指南》，在領先的國際會議和期刊上發表論文20餘篇，其中區塊鏈論文獲IEEE ICWS最佳論文獎，共識演算法論文由國際頂級期刊《Transaction on Service Computing》收錄並刊登。曾榮獲澳中校友會「傑出校友獎」、麥考瑞大學「校長獎」。

於斌，現任北郵在線教育投資集團總裁、中國電子學會區塊鏈專委會委員、中關村區塊鏈產業聯盟專家，是上海財經大學，亞洲財經商學院特聘教授。北京郵電大學通信與信息系統專業博士，主編《金融科技概論》等專著4本，曾獲得國家科技進步二等獎，教育部一等獎。網路教育、金融科技、區塊鏈等領域專家。

庄鵬， IBM全球服務金融服務部高級顧問經理、資深架構師。14年金融行業架構設計與戰略咨詢規劃經驗。擁有豐富的服務轉型、大型企業級分布式系統架構設計、大數據分析、金融支付方面的豐富實施經驗。最近三年專注於區塊鏈和分布式賬本架構研究，區塊鏈相關應用和數字貨幣咨詢研究，多次作為區塊鏈峰會的講師、培訓專家。

邢春曉，清華大學信息技術研究院和互聯網產業研究院副院長，主要研究領域：計算機軟體與理論，資料庫和數據倉庫、大數據管理和分析，知識工程和軟體工程、區塊鏈與數字經濟、智慧城市（政務，商務，文化和醫療健康）等領域。發表學術論文350餘篇，其中SCI 40餘篇、EI 150餘篇，發明專利40項。

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《以太坊技術詳解與實戰》（閆鶯）電子書網盤下載免費在線閱讀

資源鏈接：

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書名：以太坊技術詳解與實戰

作者：閆鶯

豆瓣評分：7.7

出版社：機械工業出版社

出版年份：2018-4-3

頁數：226

內容簡介：

以太坊創始人、首席科學家Vitalik Buterin傾力推薦，工業界與學術界區塊鏈專家聯合撰寫，權威性和實用性毋庸置疑。本書深入剖析以太坊架構、核心部件、智能合約編寫與開發案例等關鍵技術，並涵蓋以太坊數據分析、性能優化、隱私與數據安全等前沿實踐與進展。

第1章 介紹區塊鏈背景、基本原理與應用，以對區塊鏈有整體性了解。

第2章 詳解以太坊架構與組成，涵蓋以太坊架構、核心概念與技術、客戶端與域名服務等，是後續學習的基礎。

第3章 帶領讀者部署不同網路類型以太坊區塊鏈，含有多種技巧與腳本樣例。

第4章 剖析智能合約與以太坊虛擬機的原理，這兩者是以太坊的魅力所在，了解後可以更好地開發智能合約。

第5~6章 手把手教學，給出具體編寫、編譯、部署智能合約的方法和案例，密集鍛煉讀者智能合約編程與實踐能力。

第7章 剖析以太坊上數字資產定義的原理和方法，包括CryptoKitties養貓游戲基於的ERC 721合約標准，到此讀者可以編寫以太坊應用了。

第8章 會進一步對如何查看、分析以太坊公有鏈數據的工具和方法進行介紹。

第9~10章 是前沿技術的探討，涵蓋以太坊性能優化和隱私保護技術。這些技術都在比較初級的階段，讀者可以一邊閱讀一邊思考，提出自己的想法和建議。

作者簡介：

閆鶯 （博士），微軟亞洲研究院主管研究員，區塊鏈領域負責人，微軟Coco區塊鏈平台中國負責人。中國軟體協會區塊鏈創業學院及區塊鏈專委會專家、中國電子學會區塊鏈專家委員。專注與區塊鏈技術、大數據分析、資料庫以及雲計算的研究。在區塊鏈領域獲得多項國際專利，並在資料庫和雲計算 領域國際頂級會議和期刊發表論文30餘篇。參與翻譯《區塊鏈項目開發指南》。

鄭凱 （博士），電子科技大學教授，博士生導師，澳大利亞昆士蘭大學計算機科學博士。主要研究領域為區塊鏈數據管理，以及時空數據挖掘、不確定資料庫、內存資料庫、圖資料庫等。在資料庫、數據挖掘等領域的重要會議和期刊發表論文100餘篇，被累積引用1500餘次。2013年獲澳大利亞優秀青年基金，2015年獲資料庫頂級會議ICDE最佳論文獎。擔任資料庫領域知名國際會議的程序主席和聯合執行主席，國際SCI期刊客座編委，以及數十個國際等級會議的程序委員。

郭眾鑫 微軟亞洲研究院研發工程師，微軟Coco區塊鏈平台核心開發者。專注於區塊鏈技術、大數據分析、分布式系統等方面的研究和開發。

6. 以太坊C++源碼解析（九）區塊頭

區塊頭定義位於libethcore\BlockHeader.h文件中，是一個非常簡單的類，我們來看看它包含哪些重要數據：

7. 以太幣的發行

以太幣

天天在說的以太幣，到底是怎麼產生和發行的，這里做個簡單介紹。

首先以太坊幣是以太坊發行的一種數字貨幣，這個我想大多數人都清楚。

以太幣來源

那麼以太幣的來源包括以下幾部分：

礦前獎勵：預付款給與貢獻者6000萬個以太幣

區塊的獎勵：目前挖出一個區塊獎勵5個以太幣給礦工。

叔塊獎勵：這個和比特幣不同，礦工在挖出一個區塊後，但是並不是在主鏈上，那麼這個區塊叫做叔區。如果這個叔區塊在後續挖礦中作為叔區塊被引用了，那麼挖出這個區塊的礦工獲得7/8的區塊獎勵，也就是4.375個以太幣，且另外引用這個區塊的礦工獲得0.15個以太幣，注意，這里的引用最多兩個。

比特幣的總量是2100萬個，那麼以太幣也不是無限生成的，每年以太幣發行1800萬。之前筆者文章中有提到過，這個數字貨幣因為密鑰的丟失，所以每年的發行和意外的丟失會達到一個動態的平衡。並不是你看官方數據有多少就真正有多少在流通，這個應該能理解。

以太坊在不久將來會採用casper的機制，這個和目前的GHOST機制不一樣。具體的機制還待看。

礦工角度來看

從礦工的角度來看待以太幣，那麼就分為三塊：

挖礦的獎勵，這個還是5個以太幣。（固定收益）

交易的手續費，之前就有人一直在問萬一哪天比特幣2100萬挖完之後，挖礦如何獲得收益，那麼交易費就是其中的一項收益，以太坊上交易都會帶上交易費用，那麼這個也就是礦工的一部分所得。（動態收益）

叔區塊收益，上文就提到過的，這個區塊如果有叔區塊，那麼從叔區塊中獲得1/32個以太幣也就是0.15個以太幣的收益。且每個區塊至多引用兩個叔區塊，被引用過的區塊不能再被引用。（動態收益）

以太幣的單位：

基本單位為wei，下表具體是各個比例：

單位維度個數 (wei)

wei1 wei1000

Kwei1e3 wei1000000

Mwei1e6 wei1000000000

Gwei1e9 wei1000000000000

microether1e12 wei10000000000000000

milliether1e15 wei10000000000000000000

ether1e18 wei10000000000000000000000

叔區塊獎勵

回過頭感覺有必要再說下叔區塊的獎勵： 

叔區塊顧名思義是區塊的父區塊的兄弟區塊。那麼區塊鏈只有一條主鏈，故叔區塊不在主鏈上，導致叔區塊的原因，由於是網路的延遲沒有同步，那麼一個叔區塊如果引用在有效的主鏈上，挖出叔區塊的礦工獲得4.375個以太幣（區塊獎勵的7/8）。上文說到叔區塊的引用獲得獎勵，那麼這個獎勵對挖到叔區塊的礦工也是有一個間隔層數的關系。具體如下：

間隔的層數獲取的比例以太幣

17/84.375

26/83.75

35/83.125

44/82.5

53/81.875

62/81.25

參考：《以太坊技術詳解與實戰》

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《以太坊技術詳解與實戰》（閆鶯）電子書網盤下載免費在線閱讀

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書名：以太坊技術詳解與實戰

作者：閆鶯

豆瓣評分：7.7

出版社：機械工業出版社

出版年份：2018-4-3

頁數：226

內容簡介：

以太坊創始人、首席科學家Vitalik Buterin傾力推薦，工業界與學術界區塊鏈專家聯合撰寫，權威性和實用性毋庸置疑。本書深入剖析以太坊架構、核心部件、智能合約編寫與開發案例等關鍵技術，並涵蓋以太坊數據分析、性能優化、隱私與數據安全等前沿實踐與進展。

作者簡介：

閆鶯 （博士），微軟亞洲研究院主管研究員，區塊鏈領域負責人，微軟Coco區塊鏈平台中國負責人。中國軟體協會區塊鏈創業學院及區塊鏈專委會專家、中國電子學會區塊鏈專家委員。專注與區塊鏈技術、大數據分析、資料庫以及雲計算的研究。在區塊鏈領域獲得多項國際專利，並在資料庫和雲計算 領域國際頂級會議和期刊發表論文30餘篇。參與翻譯《區塊鏈項目開發指南》。

鄭凱 （博士），電子科技大學教授，博士生導師，澳大利亞昆士蘭大學計算機科學博士。主要研究領域為區塊鏈數據管理，以及時空數據挖掘、不確定資料庫、內存資料庫、圖資料庫等。在資料庫、數據挖掘等領域的重要會議和期刊發表論文100餘篇，被累積引用1500餘次。2013年獲澳大利亞優秀青年基金，2015年獲資料庫頂級會議ICDE最佳論文獎。擔任資料庫領域知名國際會議的程序主席和聯合執行主席，國際SCI期刊客座編委，以及數十個國際等級會議的程序委員。

郭眾鑫 微軟亞洲研究院研發工程師，微軟Coco區塊鏈平台核心開發者。專注於區塊鏈技術、大數據分析、分布式系統等方面的研究和開發。

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簡介：本書得到以太坊創始人、首席科學家Vitalik Buterin認可與推薦，是為數不多系統性介紹以太坊的書籍，涵蓋架構、核心概念、部署、智能合約實踐等，並涵蓋多個讀者關心的熱點主題。