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1. 以太坊技术系列-以太坊数据结构

本篇文章和大家介绍一下以太坊的数据结构，上篇文章我们提到，以太坊为了实现智能合约这一功能，使用了基于账户的模型。我们来看看以太坊中数据结构。

既然是基于账户的模型，我们需要通过账户地址找到账户的状态。就像通过银行卡号可以找到你在银行中的各种信息一样。最简单的想法当然是一个简单的哈希表 key是账户地址 value是账户状态。但这里有个问题解决不了。

轻节点如何校验账户合法性？

上篇我们说过，区块链中有2类节点，全节点和轻节点，轻节点只会存储block header，所以轻节点如何才能校验账号是否合法呢？

这个思路和我们平时用的md5校验一致，我们会对区块内的信息进行hash运算从而得出区块内信息唯一确定的值，区块链所有节点中这个值都是相同的。

在这个过程中我们用到了一种数据结构Merkle Tree（哈希树），我们先看下Merkle Tree（哈希树）的示意图。

上篇文章说到区块链中的链表(哈希链)和我们平时常见链表不同的是将指针从地址改为了hash指，这里也一样，哈希树和二叉树的区别有2个

1.将地址改为了哈希值

2.只有叶子节点存储数据

回到之前的问题轻节点是如何校验1个账户或交易是否是在链上的呢？

整个流程如上图所示

1.轻节点需要判断1个账号是否合法

2.轻节点由于只存储block header，所以拿到1个账号的时候会向全节点发出请求

3.全节点存储了所有账户状态，将账户路径中的需要计算用到的hash值返回给轻节点

4.轻节点本地进行计算根hash值，如果计算结果和自己存储一致则账户合法，不一致则不合法。

那以太坊中的账户信息的数据结构就是这样吗？

直接用这样的数据结构来存储账户信息会有2个问题

查找困难

生成hash值不确定

第1个问题应该比较容易发现，在这个树中寻找1个账号需要的复杂度是O(n),因为没有任何顺序。

第2个问题其实也是因为无序导致的，无序的组合每个节点针对同一批账户生成的hash值不一致，这就导致无法达成共识。

既然2个问题都和顺序有关，那我们类似二叉排序树一样，使用哈希排序树是不是就可以解决问题了呢？

使用排序树后会带来另外1个问题

插入困难

因为要维持树是有序的，很可能带来树结构的很大变动。

以太坊中使用了另外一种数据结构字典树。和哈希树不同，字典树应该是很多地方都有使用。我们简单来看下字典树的结构。

字典树能够较好地解决哈希树的2个缺点1.查找困难 2.生成的hash值不确定以及排序二叉树的1个缺点 插入困难。

但字典树我们可以看到可能树的深度可能由于部分元素导致整棵树深度非常深。

这时我们可以进一步优化，将相同路径进行压缩。这就是压缩字典树。

将哈希树和压缩字典树结合，就可以得到以太坊存储账户的最终数据结构-MPT。

将压缩字典树里面的指针从地址改为指针，并且将数据存储在叶子节点中即可。

介绍完状态树的数据结构，我们接下来讨论1个问题，区块中存储的账户状态是什么样的范围。有2种选择。

只保存当时区块中产生交易的账户状态。

保存全局所有的账户。

我们可以看下这2种方式，无非就是空间和时间的平衡，只保存当前区块产生的交易意味着是做懒加载(需要的时候才去寻找账户)，在区块链中这个代价是非常大的，因为寻找的账户之前从未交易过，这样会遍历整个区块链。另外一种保存全局的账户方式虽然看起来空间消耗较大，但查找快捷，而且空间的问题我们可以通过其他方式优化。所以最终以太坊选择了第2种每个区块都报错全局所有账户的方式。

我们来看下以太坊中是如何保存状态树的。

可以看到以太坊中虽然每个区块都保存了全部账户，但是会将未发生变化的账户状态指向前1个节点，本身只存储发生变化的状态，这样可以较大程度优化空间占用。

介绍完以太坊中比较复杂的状态树后，我们继续来看看以太坊中的另外两棵树，交易树和收据树。

首先介绍一下，为什么需要交易树&收据树。

1.交易树

虽然以太坊是基于账户的模型，但是就像银行不仅会存储银行卡的余额，还会存储卡中的每笔钱怎么来的以及怎么花的。交易树中就存储着当前区块中的包含的所有交易。

2.收据树

由于智能合约的引入增加了不少复杂性，所以以太坊用收据树存储着一些交易操作的额外信息。比如交易过程中执行日志就包含在收据树中方便查询。收据树和交易树是一一对应的。每发生一次交易就会有一次收据。

和状态树不同交易树和收据树只维护当前区块内发生的交易，因为当时区块发生交易时不需要再去查找另外1个交易，也就之前需要可能遍历整个区块链的查找操作了。

由于以太坊中的出块速度较快，我们进行一些查询一些符合条件交易的时候会面临大量数据遍历困难的问题。收据树中引入了布隆过滤器可以帮助我们有效缓解这一困难。

布隆过滤器将大集合中每个元素进行hash运算映射到1个较小的集合，这时再来1个元素要判断是否在大集合的时候，不需要遍历整个大集合，而是去进行hash运算去小集合中寻找是否存在，如果不存在，肯定不在大集合中，如果存在则不能说明任何问题。

如上图所示，布隆过滤器只能证明某1个元素不在集合中，不能证明1个元素在结合中。

以太坊中如果我们要在较多区块中寻找某1个交易，则可以利用布隆过滤器，过滤掉肯定不存在目标交易的区块，然后进入收据树内继续利用布隆过滤器筛选，剩下的才是可能的目标交易的交易，进行一一比对即可。

我们介绍了以太坊的核心数据结构，状态树&交易树&收据树，他们都是使用相同的数据结构-哈希压缩字典树。但状态树是维护1颗全局账户树，交易树和收据树则是维护本区块内的交易或收据。

介绍完数据结构后，后面我们会用几篇文章来介绍以太坊中的一些核心算法，比如共识机制，挖矿算法等。

2. 以太坊交易(tx) 分析

更多请参考: Github: https://github.com/xianfeng92/ethereum-code-analysis

其中 object 和 opcodes 是相对应的，比如 60 对应就是 operation PUSH1,合约编译后的字节码即为一组的 operation 。

合约部署其实就是实例化一个 contract 对象，并将 data 的值设给 Code属性 。

创建合约的tx中，input字段对应的是合约的字节码，即指令数组。

其中 input 字段对应所要调用的函数签名的前四个字节（771602f7）以及对应的参数（1,2）

其中 input 字段为所要调用的合约函数签名的前四个字节（72a099b7）

关于函数调用，Call会把对应的Code读出来，依次解析，Code中会把所有的public签名的函数标志（4字节）push到栈里。然后依据 input 中需要调用函数的签名标志（前4字节）来匹配 Code， 匹配之后跳转到对应的 opcode 。

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简介：本书得到以太坊创始人、首席科学家Vitalik Buterin认可与推荐，是为数不多系统性介绍以太坊的书籍，涵盖架构、核心概念、部署、智能合约实践等，并涵盖多个读者关心的热点主题。

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《区块链核心技术与应用》（邹均）电子书网盘下载免费在线阅读

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书名：区块链核心技术与应用

作者：邹均

豆瓣评分：8.6

出版社：机械工业出版社

出版年份：2018-8-1

页数：388

内容简介：

知名专家联袂推荐，实力专家联合撰写，权威性、全面性、透彻性毋庸置疑。深度讲解区块链核心技术、平台与应用开发，涵盖架构、共识、加密、P2P、比特币、以太坊、Hyperledger、EOS、潜力框架、问题与测评等。本书分为三篇，内容解读如下。

基础篇（第1～6章），着重讲解区块链技术思想、通用架构和核心技术。该部分写作时注意通俗易懂且兼顾全局，是学习基石与蓝图，涵盖区块链思想与价值、通用架构模型、基础概念与核心技术（加密、共识、P2P网络等）。

实战篇（第7～9章），讲解主流的区块链开发平台比特币、以太坊、Hyperledger Fabric的核心机制、技术细节，并给出点对点的电子现金系统、智能合约开发、完整的Fabric网络构建与应用开发三个案例。

进阶篇（10～12章），为进一步提升读者开发能力、眼界与研究方向，涵盖三个方面：① 可能的发展方向，以及一些富有潜力、特色的区块链平台（EOS、Cardano、IOTA等）；② 区块链开发需要考虑的各种问题，包括技术局限、各种安全问题与漏洞、应对措施；③区块链测评，从6个层面和8大类质量指标来设计区块链项目评测点和测试用例。

作者简介：

邹均 于斌 庄鹏 邢春晓 等著：邹均，广电运通区块链科技有限公司CEO、中关村区块链联盟副秘书长。主编技术畅销书《区块链技术指南》，在领先的国际会议和期刊上发表论文20余篇，其中区块链论文获IEEE ICWS最佳论文奖，共识算法论文由国际顶级期刊《Transaction on Service Computing》收录并刊登。曾荣获澳中校友会“杰出校友奖”、麦考瑞大学“校长奖”。

于斌，现任北邮在线教育投资集团总裁、中国电子学会区块链专委会委员、中关村区块链产业联盟专家，是上海财经大学，亚洲财经商学院特聘教授。北京邮电大学通信与信息系统专业博士，主编《金融科技概论》等专著4本，曾获得国家科技进步二等奖，教育部一等奖。网络教育、金融科技、区块链等领域专家。

庄鹏， IBM全球服务金融服务部高级顾问经理、资深架构师。14年金融行业架构设计与战略咨询规划经验。拥有丰富的服务转型、大型企业级分布式系统架构设计、大数据分析、金融支付方面的丰富实施经验。最近三年专注于区块链和分布式账本架构研究，区块链相关应用和数字货币咨询研究，多次作为区块链峰会的讲师、培训专家。

邢春晓，清华大学信息技术研究院和互联网产业研究院副院长，主要研究领域：计算机软件与理论，数据库和数据仓库、大数据管理和分析，知识工程和软件工程、区块链与数字经济、智慧城市（政务，商务，文化和医疗健康）等领域。发表学术论文350余篇，其中SCI 40余篇、EI 150余篇，发明专利40项。

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《以太坊技术详解与实战》（闫莺）电子书网盘下载免费在线阅读

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书名：以太坊技术详解与实战

作者：闫莺

豆瓣评分：7.7

出版社：机械工业出版社

出版年份：2018-4-3

页数：226

内容简介：

以太坊创始人、首席科学家Vitalik Buterin倾力推荐，工业界与学术界区块链专家联合撰写，权威性和实用性毋庸置疑。本书深入剖析以太坊架构、核心部件、智能合约编写与开发案例等关键技术，并涵盖以太坊数据分析、性能优化、隐私与数据安全等前沿实践与进展。

第1章 介绍区块链背景、基本原理与应用，以对区块链有整体性了解。

第2章 详解以太坊架构与组成，涵盖以太坊架构、核心概念与技术、客户端与域名服务等，是后续学习的基础。

第3章 带领读者部署不同网络类型以太坊区块链，含有多种技巧与脚本样例。

第4章 剖析智能合约与以太坊虚拟机的原理，这两者是以太坊的魅力所在，了解后可以更好地开发智能合约。

第5~6章 手把手教学，给出具体编写、编译、部署智能合约的方法和案例，密集锻炼读者智能合约编程与实践能力。

第7章 剖析以太坊上数字资产定义的原理和方法，包括CryptoKitties养猫游戏基于的ERC 721合约标准，到此读者可以编写以太坊应用了。

第8章 会进一步对如何查看、分析以太坊公有链数据的工具和方法进行介绍。

第9~10章 是前沿技术的探讨，涵盖以太坊性能优化和隐私保护技术。这些技术都在比较初级的阶段，读者可以一边阅读一边思考，提出自己的想法和建议。

作者简介：

闫莺 （博士），微软亚洲研究院主管研究员，区块链领域负责人，微软Coco区块链平台中国负责人。中国软件协会区块链创业学院及区块链专委会专家、中国电子学会区块链专家委员。专注与区块链技术、大数据分析、数据库以及云计算的研究。在区块链领域获得多项国际专利，并在数据库和云计算 领域国际顶级会议和期刊发表论文30余篇。参与翻译《区块链项目开发指南》。

郑凯 （博士），电子科技大学教授，博士生导师，澳大利亚昆士兰大学计算机科学博士。主要研究领域为区块链数据管理，以及时空数据挖掘、不确定数据库、内存数据库、图数据库等。在数据库、数据挖掘等领域的重要会议和期刊发表论文100余篇，被累积引用1500余次。2013年获澳大利亚优秀青年基金，2015年获数据库顶级会议ICDE最佳论文奖。担任数据库领域知名国际会议的程序主席和联合执行主席，国际SCI期刊客座编委，以及数十个国际等级会议的程序委员。

郭众鑫 微软亚洲研究院研发工程师，微软Coco区块链平台核心开发者。专注于区块链技术、大数据分析、分布式系统等方面的研究和开发。

6. 以太坊C++源码解析（九）区块头

区块头定义位于libethcore\BlockHeader.h文件中，是一个非常简单的类，我们来看看它包含哪些重要数据：

7. 以太币的发行

以太币

天天在说的以太币，到底是怎么产生和发行的，这里做个简单介绍。

首先以太坊币是以太坊发行的一种数字货币，这个我想大多数人都清楚。

以太币来源

那么以太币的来源包括以下几部分：

矿前奖励：预付款给与贡献者6000万个以太币

区块的奖励：目前挖出一个区块奖励5个以太币给矿工。

叔块奖励：这个和比特币不同，矿工在挖出一个区块后，但是并不是在主链上，那么这个区块叫做叔区。如果这个叔区块在后续挖矿中作为叔区块被引用了，那么挖出这个区块的矿工获得7/8的区块奖励，也就是4.375个以太币，且另外引用这个区块的矿工获得0.15个以太币，注意，这里的引用最多两个。

比特币的总量是2100万个，那么以太币也不是无限生成的，每年以太币发行1800万。之前笔者文章中有提到过，这个数字货币因为密钥的丢失，所以每年的发行和意外的丢失会达到一个动态的平衡。并不是你看官方数据有多少就真正有多少在流通，这个应该能理解。

以太坊在不久将来会采用casper的机制，这个和目前的GHOST机制不一样。具体的机制还待看。

矿工角度来看

从矿工的角度来看待以太币，那么就分为三块：

挖矿的奖励，这个还是5个以太币。（固定收益）

交易的手续费，之前就有人一直在问万一哪天比特币2100万挖完之后，挖矿如何获得收益，那么交易费就是其中的一项收益，以太坊上交易都会带上交易费用，那么这个也就是矿工的一部分所得。（动态收益）

叔区块收益，上文就提到过的，这个区块如果有叔区块，那么从叔区块中获得1/32个以太币也就是0.15个以太币的收益。且每个区块至多引用两个叔区块，被引用过的区块不能再被引用。（动态收益）

以太币的单位：

基本单位为wei，下表具体是各个比例：

单位维度个数 (wei)

wei1 wei1000

Kwei1e3 wei1000000

Mwei1e6 wei1000000000

Gwei1e9 wei1000000000000

microether1e12 wei10000000000000000

milliether1e15 wei10000000000000000000

ether1e18 wei10000000000000000000000

叔区块奖励

回过头感觉有必要再说下叔区块的奖励： 

叔区块顾名思义是区块的父区块的兄弟区块。那么区块链只有一条主链，故叔区块不在主链上，导致叔区块的原因，由于是网络的延迟没有同步，那么一个叔区块如果引用在有效的主链上，挖出叔区块的矿工获得4.375个以太币（区块奖励的7/8）。上文说到叔区块的引用获得奖励，那么这个奖励对挖到叔区块的矿工也是有一个间隔层数的关系。具体如下：

间隔的层数获取的比例以太币

17/84.375

26/83.75

35/83.125

44/82.5

53/81.875

62/81.25

参考：《以太坊技术详解与实战》

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书名：以太坊技术详解与实战

作者：闫莺

豆瓣评分：7.7

出版社：机械工业出版社

出版年份：2018-4-3

页数：226

内容简介：

以太坊创始人、首席科学家Vitalik Buterin倾力推荐，工业界与学术界区块链专家联合撰写，权威性和实用性毋庸置疑。本书深入剖析以太坊架构、核心部件、智能合约编写与开发案例等关键技术，并涵盖以太坊数据分析、性能优化、隐私与数据安全等前沿实践与进展。

作者简介：

闫莺 （博士），微软亚洲研究院主管研究员，区块链领域负责人，微软Coco区块链平台中国负责人。中国软件协会区块链创业学院及区块链专委会专家、中国电子学会区块链专家委员。专注与区块链技术、大数据分析、数据库以及云计算的研究。在区块链领域获得多项国际专利，并在数据库和云计算 领域国际顶级会议和期刊发表论文30余篇。参与翻译《区块链项目开发指南》。

郑凯 （博士），电子科技大学教授，博士生导师，澳大利亚昆士兰大学计算机科学博士。主要研究领域为区块链数据管理，以及时空数据挖掘、不确定数据库、内存数据库、图数据库等。在数据库、数据挖掘等领域的重要会议和期刊发表论文100余篇，被累积引用1500余次。2013年获澳大利亚优秀青年基金，2015年获数据库顶级会议ICDE最佳论文奖。担任数据库领域知名国际会议的程序主席和联合执行主席，国际SCI期刊客座编委，以及数十个国际等级会议的程序委员。

郭众鑫 微软亚洲研究院研发工程师，微软Coco区块链平台核心开发者。专注于区块链技术、大数据分析、分布式系统等方面的研究和开发。

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