深入了解以太坊区块结构与数据存储

你是否曾好奇过比特币和以太坊之间的区块结构和数据存储方式有何不同?或者你可能是一位开发者,想要更深入地理解以太坊的核心数据结构。无论你是哪一类读者,本篇文章将带你深入探讨以太坊的区块结构和数据存储方式。

开篇故事

想象一下,你是一位冒险家,探索着数字货币的未知领域。你曾听说过比特币和以太坊这两个引领加密世界的巨头,但你想要深入了解它们之间的区别。正当你踏上这段探索之旅时,一位老巫师向你透露了一个神秘的秘密:“比特币和以太坊的区块结构就像两种不同的魔法书,每本书都有着自己独特的咒语和符文,让我们一起揭开这些魔法的面纱吧。”

比特币的区块结构

首先,让我们来探讨比特币的区块结构。比特币的区块链采用了工作量证明(PoW)机制,确保每个区块都指向前一个区块。在每个区块内部,有一个独立的梅克尔树(Merkle Tree),用于保证所有交易的不可篡改性。用户的比特币以未经使用的交易输出(UTXO)的方式存储,因此,比特币的交易是不断地消耗现有的UTXO,并产生新的UTXO。

这种结构使得比特币的交易记录变得简洁且易于验证。每个区块通过一个特殊的哈希值称为“梅克尔根”(Merkle Root)将所有交易打包到一起,从而确保了交易的一致性和不可篡改性。这个梅克尔根是区块头中的一个字段,它是根据区块内的所有交易数据计算而得。

以太坊的区块结构

现在,让我们深入了解以太坊的区块结构。与比特币不同,以太坊采用了账户模型。这意味着每个以太坊用户都有一个账户,而不是像比特币那样的UTXO模型。让我们以一个小明的例子来理解以太坊的账户模型:

假设小明在某个区块的账户中拥有1 ETH。当小明向小红转账0.2 ETH后,扣除手续费后,他的账户余额将减少到约0.8 ETH。由于小明的账户地址不变,以太坊的区块结构必须能够持续跟踪和记录小明账户余额的变动。因此,与比特币相比,以太坊的区块数据结构更加复杂。

梅克尔帕特里夏树(Merkle Patricia Tree

以太坊使用的数据结构是梅克尔帕特里夏树(Merkle Patricia Tree,简称MPT),它是改进的梅克尔树。当MPT的每个叶子节点的值确定后,计算出的根哈希值就是完全确定的。例如,在第一个区块中,4个账户的余额确定后,可以得到Root1:

┌ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ┐
           Root1
│          ┌───┐          │
           │   │
│          └───┘          │
             │
│      ┌─────┴─────┐      │
       │           │
│    ┌───┐       ┌───┐    │
     │   │       │   │
│    └───┘       └───┘    │
       │           │
│   ┌──┴──┐     ┌──┴──┐   │
    │     │     │     │
│ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ ┌───┐ │
  │5.5│ │0.2│ │1.7│ │9.0│
│ └───┘ └───┘ └───┘ └───┘ │
 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─

每个区块通过Root Hash完全确定所有账户的状态,因此以太坊可以看作是一个状态机,每个区块都通过记录一个stateRoot来表示一个新的状态。给定某个区块的stateRoot,我们可以完全确定所有账户的余额等信息。因此,stateRoot被称为当前的世界状态。

数据存储优化

也许有些读者担心,如果第一个区块只包含少数账户,随着账户数量的增加,后续区块的数据量会变得庞大。实际上,以太坊并不会将整个逻辑树存储在内存中。每个节点的数据存储在LevelDB中,而内存中仅存储当前活跃的一些账户信息。如果需要操作不在内存中的

账户,以太坊会从LevelDB加载它们。如果内存不足,不活跃的节点将从内存中移除,因为可以通过路径从LevelDB再次加载它们。

账户数据和区块数据

现在,让我们深入了解以太坊的账户和区块数据。

账户数据

一个以太坊账户由以下四部分数据构成:

  1. Nonce(交易次数):这是一个递增的整数,每发送一次交易,Nonce就会递增1,用于记录交易次数。

  2. Balance(余额):余额以wei为单位,1 Ether等于10^18 wei。这个字段记录了账户的余额。

  3. StorageRoot(存储根哈希):对于合约账户,这部分数据存储着合约相关的状态信息。

  4. CodeHash(代码哈希):这部分数据存储着合约的代码的哈希值。对于外部账户,这两部分数据为空。

区块数据

一个以太坊区块由区块头和一系列交易构成。区块头包括以下字段:

  • ParentHash(上一个区块的哈希)
  • StateRoot(世界状态的根哈希)
  • Sha3Uncles(叔块的哈希)
  • TransactionRoot(交易树的根哈希)
  • ReceiptsRoot(交易回执的根哈希)
  • LogsBloom(布隆过滤器,用于查找Log)
  • Difficulty(挖矿难度值)
  • Number(区块高度)
  • Timestamp(时间戳)

其中,TransactionRoot和ReceiptsRoot也是两个MPT树,但它们仅表示当前区块的两棵树,与前面的区块状态无关。

叔块

与比特币类似,以太坊采用了PoW挖矿,这会导致分叉。但以太坊与比特币不同之处在于,它鼓励后续的区块引用先前的废弃区块,这些废弃区块被称为叔块(Uncle Block)。这是为了奖励那些参与挖矿但未获胜的矿工,以避免出现过长的分叉。

叔块是一种非常重要的概念,因为它们帮助维持以太坊的安全性和稳定性。每个区块头都包含了sha3Uncles字段,记录了引用的叔块,一个区块可以引用0到2个叔块,而且叔块的高度必须在前7层之内。

结语

通过本文,我们深入了解了以太坊的区块结构和数据存储方式,以及与比特币的区别。以太坊的数据结构和账户模型使其成为一个功能丰富的智能合约平台,为去中心化应用提供了强大的支持。无论你是对区块链技术感兴趣的初学者还是有经验的开发者,对于以太坊的深入理解都将有助于你更好地利用这个强大的平台。

现在,你已经揭开了以太坊的区块结构和数据存储的面纱,让我们一起探索更多关于这个激动人心的数字世界的知识吧!

本文由作者 王大神 原创发布于 大神网的AI博客。

转载请注明作者:王大神

原文出处:深入了解以太坊区块结构与数据存储

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