以太坊基础概念详解

本文不讲区块链，也就意味着你有一些区块链的基本认知。
主要讲解以太坊中的一些基本元素，如：区块、账户、状态、交易、费用等。因这些概念之间相互紧密联系，虽描述的时候尽量分出层级，但提醒看官看得时候可以前后翻阅。

对以太坊的解剖按从整体到局部的思路进行：

1、以太坊

以太坊可以用几句话道出其本质：

以太坊是一个基于交易的状态机。

全球就这一台单机（但分布存在），【系统状态】不停的改变。系统状态是一个术语，即后面讲到的world state。

这台单机主要由区块链组成，区块链上保存着状态和交易。

当我们与以太坊交互时，其实就是在执行交易、改变系统状态。

用一个简洁优美的公式表示就是：

σ′ =Υ(σ,T)

Υ是状态转换函数，T是交易，σ是状态，σ′转换后的状态。

借用一张图吧

从创世区块开始，无尽的交易不断的刷新着系统当前状态，每产生一个区块就对当前状态做一次快照（patricia trie根）存入区块头中。

patricia trie是merkle tree的变体，请自行了解merkle tree。

2、区块结构

再看一个公式

B≡ (B_H,B_T,B_U)

意思是区块恒等于(区块头,交易列表,叔块)

所以，区块是由三大部分组成：
区块头，叔块，交易列表。请看图：

1）区块头由15个字段组成。
2）叔块其实就是孤块，因以太坊出块速度很快平均十几秒就会打包生成一个块，所以矿工挖矿的竞争性很高，可能同时产出几个都合法的区块，以太坊为了一些安全性起见，允许竞争块也挂在到主链上，同时给与挖出这些孤块的矿工们少许奖励增加工作的公平性。这些孤块最多允许6个高度，这也是6个区块确认主链说法的来源。
3）交易列表，存储的是本区块中所有的交易内容。

图中的公式后面说。

看一下一个实际的区块信息：

"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、区块头

区块头包含15个字段，介绍如下：

type Header struct {
        ParentHash  common.Hash    //Hp，上一区块全部内容的hash，区块因它而成链！
        UncleHash   common.Hash    //Ho，本区块的ommers（所有叔块）列表的hash
        Coinbase    common.Address //Hc，成功挖出本区块的矿工地址，用于接收矿工费
        Root        common.Hash    //Hr，本区块所有交易的状态tree的根hash
        TxHash      common.Hash    //Ht，本区块所有交易tree的根hash
        ReceiptHash common.Hash    //He，本区块所有交易的收据的tree的根hash
        Bloom       Bloom          //Hb，交易收据日志组成的Bloom过滤器 
        Difficulty  *big.Int       //Hd，本区块难度级别
        Number      *big.Int       //Hi，区块序号，从创世块0递增
        GasLimit    uint64         //Hl，每个区块当前的gas limit
        GasUsed     uint64         //Hg，本区块交易消耗的总gas
        Time        *big.Int       //Hs，本区块创建时的Unix时间戳
        Extra       []byte         //Hx，区块附加数据，<=32字节
        MixDigest   common.Hash    //Hm，256位的hash，与nonce组合证明出块执行了足够的计算
        Nonce       BlockNonce     //Hn，64位的hash，与MixDigest组合证明出块执行了足够的计算
}

首先，ParentHash是上一个区块全部内容的hash值，下一个区块总是包含上一个区块全部内容的hash值，这就使得区块成链。

再次，有三个特别的字段保存的是patricia trie的根，Root（状态hash）、TxHash（交易列表hash）、ReceiptHash(收据列表hash)。这个Root就是系统状态hash。系统状态就是以太坊整个网络中所有账户的状态，就是world state，它是一个merkle patricia trie结构。这个树（包括所有patricia trie）并不存在于区块，而存在于节点的levelDB中。只有它的根hash存在于区块头Root中，每一个区块头里的Root都是区块被挖出确认时的快照，而world state指现在所有账户的状态。

world state是跨块存在的，另外两棵树只存储本区块的交易和收据。

4、world state

再说一下world state：
world state是一颗全局状态树，在以太坊里只有一个，它被持续地更新。
这棵树包含了以太坊网络里每一个账户的key/value映射。
所以它表示的是整个以太坊系统所有账户当前的状态。

其折叠函数是：

L_S(σ) ≡ {p(a) : σ[a]≠ ∅}

意味着非空p(a)的集合，p(a)就是patrcia 叶子节点的内容：

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

这表示一个叶子节点是一个key/value映射，key是KEC(a)即160位的账户地址的哈希(Keccak-256算法)，value是账户（nonce、balance、storageRoot、codeHash）的RLP格式序列化字节。

5、账户

以太坊中有两种账户
1、外部拥有账户（EOA），一般指自然人拥有的账户。
2、合约账户（CA），为智能合约分配的账户。

看一下账户的源码定义：

type Account struct {
    Nonce    uint64      // σ[a]n ,若为EOA是发送的交易序号，如为CA是合约创建的序号。
    Balance  *big.Int    // σ[a]b ，这个地址的余额。
     //merkle root of the storage trie
    Root     common.Hash // σ[a]s ，账户自身内容RPL编码组成的Merkle Trie的根哈希
    CodeHash []byte      // σ[a]c ，账户绑定的EVM Code，账户一经创建不可修改。
}

• EOA特征
  codeHash为空
  storageRoot为空
  通过私钥控制
  发起交易（转移以太币或触发合约代码）
• CA特征
  不能发起交易，可以被触发执行合约代码（通过EOA发起的交易或者从其他CA接收的消息调用激活）

怎么判断一个账户是空账户？

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

从公式看，一个账户的Root为空且nonce为0且余额为0，则说明这是一个空账户。

6、交易

再回顾一个公式

σ′ =Υ(σ,T)

以太坊是一个基于交易的状态机。
任意两个账户之间的交易都会引起world state的改变。
两个相邻区块之间的状态差别很小，patricia trie这种数据结构能高效的处理整个系统账户变化的部分。

交易基本定义：【从外部拥有账户】发送的加密签名序列化指令。换句话说交易必须是从EOA发起的才能叫交易，CA之间的通信叫消息也有叫内部交易的，现在是有区别，以后这个区别会不会模糊化不知道。

交易类型有两种：
1、消息调用（T_d）
2、合约创建（T_i）

从EOA到EOA的交易仅是转账。
EOA到CA可以激活各种操作。

看交易的源码定义：

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必须等于发起交易的账户的nonce（翻阅前面说法可知，账户nonce是该账户发起的第几笔交易的序号，如果是创建合约则代表第几次创建合约的序号）
T_p是这笔交易消耗的gas单价
T_g是你愿意为这笔交易最多可以支付的上限
T_t是接收账户的地址，如果为空说明接受账户是一个CA，否则是EOA
T_v是到接收者的额度
T_d或T_i，如果交易类型是消息调用则Palload写为T_d，表示输入数据，例如消息的参数，假设有一个注册域名的合约服务，则Td就是该服务需要的参数如IP等。如果交易类型是创建合约，则Payload写为Ti，表示一段代码，这段代码用于创建合约账户，这段初始化代码只会被执行一次就丢弃掉，第二次执行的是创建完的合约代码体。

交易的公式：

可以看到当接收账户不同时，区别仅仅是T_d和T_i的区别。

另外，一个区块里交易的顺序由装配这个区块的矿工决定。

7、费用

以太坊网络里任何计算都要支付gas（燃料），
思考为什么不直接用eth做费用？
答案是用两个概念gas和eth区别价值和价格，gas是一种固定衡量的价值，而eth是市场上快速变化的价格，很多EVM（以太坊虚拟机）的操作指令都需要消耗固定的费用就用gas来计价，gas的最小单位是wei，1eth = 10¹⁸wei = 10⁹gwei。所以eth和gas之间是有汇率的。

GasPrice：燃料单价
GasLimit：愿意支付的燃料上限

GasLimit × GasPrice = 愿意支付的最大费用
10000 × 100gwei = 10¹⁵wei = 0.001eth

这图要说明的是：
一笔交易中，你设置的最大费用如果没有消耗完，多出的会返回给你。如果最大费用不够计算的花费，那么交易会终止、已改变的状态会回滚、但是钱被消耗不会退回了。这些已消耗的费用都奖励给矿工了。

计算都是有费用的，初次之外还有一些东西需要缴费：

费用的三种不同构成：
1）计算操作的固定费用
2）交易（合约创建或消息调用）费用
3）存储（内存、存储账户合约数据）费用

着重说一下存储费用：
存储收费是因为假如你的合约使得状态数据库存储增大，所有节点都会增加存储。
以太币是鼓励尽量保持少量存储的。
但是如果有操作是清除一个存储条目，这个操作的费用不但会被免除，而且由于释放空间还会获得退款。

总结

以上就是以太坊里的一些基础元素，没有讲到复杂的交易执行、EVM等，后续再写。

下面是一个区块链小程序，供大家参考：