《區(qū)塊鏈原理與技術(shù)》學(xué)習(xí)筆記 第五部分

• 5. 以太坊交易
  • 5.1 交易內(nèi)容
  • 5.2 交易費用
  • 5.3 交易的周期
  • 5.4 交易的執(zhí)行類型
• 6. 以太坊的共識機制
  • 6.1 解決以太坊分叉：Ghost協(xié)議
  • 6.2 新的共識機制：PoS
• 7. 以太坊挖礦難度調(diào)整
  • 7.1 自適應(yīng)難度調(diào)整
  • 7.2 難度炸彈
• 8. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與存儲
  • 8.1 區(qū)塊和叔塊
  • 8.2 默克爾前綴樹(Merkle Patricia Trie)
  • 8.3 布隆過濾器(Bloom Filter)

5. 以太坊交易

以太坊中，交易承載了賬戶轉(zhuǎn)賬和合約創(chuàng)建、調(diào)用合約等功能。

5.1 交易內(nèi)容

交易中的數(shù)據(jù)大體分為基本的交易、交易的執(zhí)行參數(shù)、交易的簽名三個部分。

基本交易內(nèi)容

• From：交易發(fā)送者的地址，實際上由簽名中的<r,s,v>計算得到。
• To：交易接收者的地址。創(chuàng)建合約時設(shè)置為0x0000,調(diào)用合約時是合約的地址。
• Value：交易的金額。1Ether = 10^18 Wei。

交易的執(zhí)行參數(shù)

• Input Data：交易附帶數(shù)據(jù)，傳遞創(chuàng)建合約的代碼/構(gòu)造函數(shù)、調(diào)用合約的函數(shù)和參數(shù)。
• Nonce：交易發(fā)送者的Nonce。
• MaxFeePerGas：發(fā)送者為交易愿意付出的最大price
• MaxPriorityFeePerGas：給礦工付出的最大小費
• gasLimit: 交易允許消費的最大gas，解決智能合約不能停機的問題。

交易的簽名

• hash：由以上字段生成的哈希值
• r,s,v：由發(fā)送者的私鑰對交易的哈希做數(shù)字簽名而成，用于確認轉(zhuǎn)賬的合法性。

5.2 交易費用

以太坊中交易的的手續(xù)費由Gas機制計算，主要包括以下概念：

• Gas:計算資源消耗的基礎(chǔ)單位
• GasLimit:允許消耗的最大Gas值
• GasUsed:執(zhí)行后消耗的Gas值
• GasPrice:每個Gas的以太幣價格

其中交易的Gas由基礎(chǔ)的交易Gas加上EVM運行時消耗的Gas值累加得到。當(dāng)GasUsed超過GasLimit,交易執(zhí)行失敗。
交易的GasUsed*GasPrice就是用戶為交易支付的手續(xù)費。

5.3 交易的周期

1.發(fā)起

• 用戶輸入from,to,value,data,gasPrice等
• 用戶確認發(fā)送至以太坊節(jié)點
• 以太坊錢包軟件為用戶補充gasLimit,nonce,使用私鑰得到r,s,v,最后將交易序列化后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

2.廣播

• 節(jié)點收到/發(fā)起交易后，對交易進行驗證
• 節(jié)點驗證為合法交易,將交易加入節(jié)點的交易池中
• 節(jié)點根據(jù)P2P網(wǎng)絡(luò)廣播的策略向相鄰節(jié)點繼續(xù)廣播交易

3.打包與執(zhí)行

• 全節(jié)點將交易打包，并將交易按順序執(zhí)行
• 所有需要打包的交易執(zhí)行后，將交易、狀態(tài)、收據(jù)的信息打包到區(qū)塊中。
• 記賬節(jié)點獲得合法區(qū)塊后，廣播到相鄰節(jié)點

4.驗證與執(zhí)行

• 沒有獲得記賬權(quán)的節(jié)點在收到廣播的區(qū)塊后，對區(qū)塊進行合法性驗證，并進行交易的執(zhí)行。

5.4 交易的執(zhí)行類型

根據(jù)to值的不同，交易的執(zhí)行分為以下3種：

1.創(chuàng)建合約交易
to為空的交易，交易根據(jù)from和nonce值生成合約地址，并執(zhí)行data中的智能合約代碼。EVM會將代碼存儲到合約地址中。

2.調(diào)用合約交易
to為合約賬戶的交易。EVM獲取to地址中的代碼，并執(zhí)行data中的代碼。
本質(zhì)上來說。對合約的調(diào)用就是對合約狀態(tài)的修改。

3.普通轉(zhuǎn)賬交易
to為人控制的賬戶（外部賬戶），交易直接將以太幣從from轉(zhuǎn)到to

6. 以太坊的共識機制

6.1 解決以太坊分叉：Ghost協(xié)議

叔塊
指不在主鏈但被主鏈記錄的滿足難度的區(qū)塊。礦工在打包區(qū)塊時，可以自主選擇合法的0-2個叔塊。
以太坊中規(guī)定,7代以內(nèi)的有共同祖先的都可以認為是叔父塊。

叔父塊的接納和獎勵規(guī)則

• 對于主鏈上的區(qū)塊，每個區(qū)塊最多接納2個叔父塊，每接納一個叔父塊，主鏈區(qū)塊獎勵增加1/32。
• 接納的叔父塊應(yīng)該是主鏈上祖先的直接子塊，且不能重復(fù)接納叔父塊。
• 被接納的叔父塊，獲得出塊獎勵為1-（接納塊高度-叔父塊高度）/8
• 叔父塊中的交易不需要執(zhí)行。

叔父塊可以盡量收縮和統(tǒng)一整個區(qū)塊鏈的主鏈，同時維護礦工的積極性。

6.2 新的共識機制：PoS

權(quán)益證明（Proof-of-Stake）:持有幣的數(shù)量和占有幣數(shù)的時間來決定你獲得本次記賬權(quán)利的概率。持有越多，獲得記賬概率越大。

相比PoW縮短了達成共識時間，節(jié)省能源，但是容易分叉和中心化。

7. 以太坊挖礦難度調(diào)整

挖礦難度的公式為：
$$\begin{gathered} H=0,D(H)=0 \\ D(H)=max(D_0,P(H{)}_{H_d}+x\times {\zeta }_2)+? \end{gathered}$$
其中 $P(H{)}_{H_d}$是父區(qū)塊的難度，$x\times {\zeta }_2$ 用于自適應(yīng)調(diào)節(jié)出塊難度， $?$表示設(shè)定的難度炸彈

基礎(chǔ)部分有下界，最小值為 $D_0=131072$

7.1 自適應(yīng)難度調(diào)整

$$x=?\frac{P(H{)}_{H_d}}{2048}?,{\zeta }_2=max\left(y??\frac{H_s?P(H{)}_{H_s}}{9}?,?99\right)$$
x為調(diào)整的單位，${\zeta }_2$ 為調(diào)整的系數(shù)
如果父區(qū)塊中包含uncle,y為2,否則為1
$H_s$是本區(qū)塊的時間戳，$P(H{)}_{H_s}$是父區(qū)塊的時間戳，并規(guī)定 $H_s>P(H{)}_{H_s}$

7.2 難度炸彈

$$?=?2^{?H_i^{\prime }/100,000??2}?,H_i^{\prime }=max(H_i?30,000,000)$$
$?$ 是2的指數(shù)函數(shù)。每100000塊擴大一倍

設(shè)置難度炸彈是為了降低遷移到PoS協(xié)議時發(fā)生fork的風(fēng)險，引導(dǎo)礦工有意愿遷移到PoS。

8. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與存儲

8.1 區(qū)塊和叔塊

以太坊區(qū)塊的區(qū)塊頭包括：

• 記錄以太坊狀態(tài)的狀態(tài)根
• 交易列表、收據(jù)列表、父塊和叔塊的哈希值
• 區(qū)塊號、難度、礦工地址、時間戳、Nonce值
• gas上限、交易gas之和、工作量證明摘要
• 可變長度字段

以太坊區(qū)塊體的內(nèi)容：

• 由交易組成的TX列表
• 有交易執(zhí)行信息組成的收據(jù)列表
• 用于改進以太坊共識過程的叔塊列表

世界狀態(tài)
以太坊中所有賬戶的狀態(tài)的匯總，也就是區(qū)塊頭的狀態(tài)根，通過一個特殊的樹狀哈希數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

收據(jù)
對應(yīng)交易的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，代表交易執(zhí)行的一些中間狀態(tài)寫入和交易的執(zhí)行結(jié)果等信息。
收據(jù)的內(nèi)容包括：

• 以太坊的智能合約向EVM輸出的執(zhí)行日志
• 智能合約執(zhí)行的Gas
• 單個交易執(zhí)行完畢后以太坊的狀態(tài)根
• 如果交易創(chuàng)建合約，收據(jù)中寫入新建合約的地址

8.2 默克爾前綴樹(Merkle Patricia Trie)

由于以太坊潛在的賬戶數(shù)量巨大，單使用Merkle Tree無法存儲數(shù)據(jù)，且修改成本高，因此以太坊使用了十六叉壓縮前綴樹，作為地址到賬戶的索引，然后利用Merkle Tree將每一層節(jié)點合并計算節(jié)點的哈希值，最后得到根哈希值。

壓縮前綴樹
普通的字典樹（Trie）為每一個字母作為樹的節(jié)點，這樣導(dǎo)致樹的高度太高，浪費存儲空間；壓縮前綴樹（Patricia Trie）將共同的前綴部分組成一個子樹，逐級向下劃分，提高了查找效率。

MPT
在MPT中，“單詞”對應(yīng)賬戶的哈希值，“指針”對應(yīng)哈希指針。葉子節(jié)點記錄（前綴+賬戶哈希值）的哈希值，父節(jié)點的哈希值為（前綴+子分支）的哈希值。

以下圖為例：
H1=H(“”+賬戶1的哈希值)，H3=H(d+賬戶3的哈希值)
H5=H(bc+H1+H2+“”+“”+…+“”)
H6=H(b+H4+…+“”+H3+“+”“)
H_root=H(”“+…+”“+H5+…+”“+H6+”")

狀態(tài)樹
以太坊的狀態(tài)樹記錄各個賬號的狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)改變后只會影響對應(yīng)分支的狀態(tài)，區(qū)塊存儲對應(yīng)狀態(tài)樹的狀態(tài)根。

合約存儲樹
合約賬戶存儲樹也使用了MPT來記錄存儲地址到存儲值的映射，映射表的哈希值叫做存儲根（storage root）。
由于合約存儲空間中的一個單位剛好為256位，所以可以直接當(dāng)葉子節(jié)點

交易樹和收據(jù)樹
這兩棵樹通過交易/收據(jù)在區(qū)塊中的序號來構(gòu)建MPT,收據(jù)和交易的信息一一對應(yīng)。

8.3 布隆過濾器(Bloom Filter)

布隆過濾器可以檢索一個值是否在一個集合中，以太坊用來對收據(jù)的日志進行索引、查找。
在容忍一定錯誤率的情況下，它的效率很高。

原理：用多個哈希函數(shù)將鍵值映射到一個位圖中。對于一個鍵值，若在同樣的哈希函數(shù)映射下，沒有在位圖中出現(xiàn)標記位，則鍵值一定不在集合中。

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-517202.html

到了這里，關(guān)于《區(qū)塊鏈原理與技術(shù)》學(xué)習(xí)筆記（五） ——以太坊的交易、共識機制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！