以太坊區塊鏈 (區塊的資料結構)

以太坊的資料儲存可以分為 3 種:

1. 狀態資料: 以太坊帳戶相關的狀態資料，使用 StateDB 儲存與管理帳戶，每一個帳戶都是一個 StateObject。

2. 區塊鏈: 以太坊的核心資料，跟 bitcoin 很像但又有一點進化。

3. 底層資料: 儲存全部的以太坊資料，以 key-value 的形式存於 LevelDB 中。

Tips:

以太坊資料儲存在 LevelDB 中。

LevelDB 是 Google 推出的一款 key-value database。

目前以太坊中共有 3 個 LevelDB，分別是 BlockDB, StateDB, ExtrasDB。

• BlockDB: 保存區塊主體內容 (包括區塊頭部，與區塊體)。
• StateDB: 保存帳號狀態資料。
• ExtrasDB: 保存交易收據資料以其其他輔助資料。

以太坊資料結構

下圖中是以太坊在 1.0 版本 PoW 時代的資料結構示意圖，有部分欄位在 2.0 PoS 時代已被移除，我會在後續單獨解釋每一個欄位時註明。

狀態資料

狀態資料以 MPT 的形式儲存在 StateDB 中。MPT 是兼具 Merkle Tree & Patricia Tree 特點的一種新的樹狀資料結構。

MPT 特點：

• 可以儲存任意長度的 key-value pairs。
• 具備 Merkle Tree 的特點，可以用於節點快速校驗。
• 能夠很快速的根據 key 查到 value。

MPT 中包含 shortNode，fullNode，valueNode 還有 hashNode 這四種節點。

shortNode 與 fullNode 是分枝節點，他們可以有個自的子節點。但要注意 shortNode 只能有一個子節點，而 fullNode 可以有多個。

valueNode 與 hashNode 是葉子節點。valueNode 用於儲存資料，值為從 root 節點到當前節點的路徑上所有節點的 key 之合。hashNode 用於儲存資料庫中其他節點的 hash 值。

區塊鏈

ETH 區塊鏈的結構有 2 點與 BTC 區塊鏈相同：

1. ETH 區塊鏈也是由父區塊的 hash 值將區塊連接在一起（指向前一個區塊的指針）。

2. ETH 區塊鏈也是由區塊頭跟區塊體組成。區塊頭與區塊體結構如下：

上圖中出現的名詞說明：

• ParentHash: 父區塊的 Hash 值。

• CoinBase: 幣基地址，礦工的錢包地址（挖出區塊的獎勵接收者）。

• UncleHash(適用於 PoW，以太坊 2.0 中已移除): 當前區塊引用的叔叔區塊集合的 Merkle 數根 Hash。叔叔區塊是曾經以太坊 Pow 時期的特色之一。

  當兩個礦工幾乎同時挖出新區塊時，由於網絡傳播的延遲，部分礦工可能首先接收到 A 礦工的區塊，另一些礦工可能先接收到 B 礦工的區塊。結果是網絡中暫時出現兩條區塊鏈分支。

  礦工們通常會遵循它們首先收到的區塊，並將其視為主鏈的一部分，然後礦工們開始繼續在所接收的區塊上進行挖礦，形成兩個分支各自延續的情況。

  比特幣解決分叉的方式：

  • 長鏈原則（Longest Chain Rule）：

    • 比特幣協議規定，節點會認為工作量證明（Proof of Work）最長的鏈是正確的主鏈。

    • 當新的區塊被加入其中一條鏈後，該鏈變得更長，其它節點會切換到該更長的鏈。

  • 孤塊（Orphan Block）：

    • 較短的鏈（即未被選擇的鏈）上的區塊稱為「孤塊」，不再被網絡承認。孤塊中的交易會返回到內存池中，等待重新被打包到主鏈的區塊中。

  • 處理孤塊的影響：

    • 交易不丟失：被包含在孤塊中的交易（未在其他區塊中確認的交易）會被返回到網絡的內存池中，等待其他礦工再次打包。

    • 礦工的損失：挖出孤塊的礦工無法獲得該區塊的區塊獎勵和交易手續費。

    • 網絡一致性：一旦網絡回到單一主鏈，所有節點達成共識，分叉自然消失。

  當兩個礦工幾乎同時挖出區塊時，比特幣網絡會暫時分叉，但基於「長鏈原則」，最終一條分支會被選為主鏈，另一條分支成為孤塊而被放棄。這種機制保證了區塊鏈的一致性和安全性。

  以太坊解決分叉的方式：

  以太坊的叔叔塊是指那些被有效挖出但未成為主鏈一部分的區塊，與比特幣中的「孤塊」不同，叔叔塊仍然能獲得一定的區塊獎勵。

  以太坊遇到暫時性分岔處理過程如下：

  1. 確認主鏈：

     如果出現暫時分叉，礦工最終會選擇基於「長鏈原則」的主鏈。

  2. 叔叔塊獎勵：

     被排除在主鏈之外的叔叔塊仍然可以提交到網絡，並獲得一定比例的獎勵（離主鏈越近的叔叔塊獎勵越高）。
     包含叔叔塊的主鏈區塊的礦工也能獲得額外的獎勵 (一個主鏈區塊最多可以有 2 個 叔叔塊，多少還是要限制一下產量)。

  3. 網絡一致性：

     因為叔叔塊仍然有價值，礦工的算力競爭不會完全浪費，這減少了因分叉導致的資源浪費。

• Root: StateDB 中 MPT 的樹根 Hash 值。MPT 中存有所有以太坊帳戶資料。

• TxHash: 交易集合的 Merkle 數根 Hash，所有交易打包到一個區塊中後會形成這個樹根。

• ReceiptHash: 紀錄所有收據資料的 MPT 樹根 Hash 值，Receipt 中的紀錄包含交易被包在哪個區塊，這筆交易花費多少 Gas，以及一些交易 log。

• Bloom: 用於快速搜尋與判斷一個 log 是否存在於 Receipt 中。

  補充：Bloom Filter 是一種空間效率很高的數據結構，用於快速檢索特定事件是否在交易執行日誌（Logs）中。

• Difficulty(適用於 PoW，以太坊 2.0 中已移除): Pow 共識算法中挖礦難度的 factor。

• Nonce(適用於 PoW，以太坊 2.0 中已移除): 它是礦工通過不斷變化來滿足挖礦條件的隨機數，與 MixHash 一起證明工作量的合法性。

• MixHash(適用於 PoW，以太坊 2.0 中已移除): 挖礦計算過程中生成的最終隨機值，用於驗證這個區塊是否滿足 PoW 要求。

• Number: 區塊編號。

• Time: 生成區塊的時間戳。

• GasLimit: 該區塊可容納的最大 Gas 量，防止單一區塊因過多交易導致處理過於緩慢。

• GasUsed: 區塊中實際消耗的 Gas，通常低於或等於 GasLimit。

• extraData: 留給區塊的建立者紀錄自定義訊息，長度小於 32 bytes。

交易 (Tx) 由下幾個參數組成：

• GasPrice: Gas 的價格，單位是 wei，GasPrice 越高越優先被礦工打包。

• GasLimit: 設置執行合約或交易的資源使用上限，防止無法完成交易時資源浪費。

• Recipient: 交易收據。

• Amount: 交易金額。

• Payload: 包含執行合約的具體資料，對於部署智能合約的交易尤為重要。

• R,S,V: 用戶請求交易的簽名。