以太坊黄皮书精简解读
两个基础编码算法
HP编码
十六进制前缀 Hex-Prefix 编码
主要树节点结构 Merkle Patricia tree （Trie）
RLP编码
递归长度前缀编码 Recursive Length Prefix Encoding
数据保存与传输，将任意格式的数据编码串型
以太坊数据结构
accountSate帐户
| accountSate | 描述说明 |
|---|---|
| nonce | 交易计数;合约账户初始化1 |
| balance | 余额 |
| storageRoot | |
| codeHash | 如果有关联代码就是合约账户 |
transaction交易
| transaction | 描述说明 |
|---|---|
| nonce | 发出交易的账户的nonce |
| gasPrice | 余额 |
| gasLimit | transaction里最多能用费用 |
| to | 接受者地址 |
| value | 转账金额、合约创建初始充值 |
| data | 附加数据 |
| v,r,s | 交易签名 |
receipt收据log
| receipt | 描述说明 |
|---|---|
| medState | 交易之前有其他交易，初始执行完到当前交易的状态 、中间状态 |
| gasUsed | 余额 |
| logBloom | 日志过滤器 数据去重算法 合约地址index日志 |
| logs | 如果有关联代码就是合约账户 |
block区块
| block | 描述说明 |
|---|---|
| parentHash | 交易计数，合约账户初始化1 |
| ommersHash | |
| beneficiary | 挖矿奖励获取人地址 |
| stateRoot | mpt根节点Hash |
| transactionsRoot | mpt根节点Hash |
| receiptsRoot | mpt根节点Hash |
| logsBloom | 区块内所有日志项组成的日志过滤器 |
| difficulty | 难度值 12秒-16秒自动调整 难度炸弹-300万 |
| number | 区块号 |
| gasLimit | 区块内能用的gas 允许矿工可以有5%的上下浮动 |
| gasUsed | 区块内所有交易实际使用的gas |
| timeStamp | 时间戳 |
| extraData | 32字节数组 用途矿工标示 谁挖的 |
| mixHash | 挖矿算法输出 |
| nonce | 挖矿算法输出 |
State Trie全局状态树
| State Trie | value | 描述说明 |
|---|---|---|
| nonce | RLP(accountState) | 关联block的stateRoot |
Transactions Trie区块级交易树
| value Trie | value | 描述说明 |
|---|---|---|
| RLP(transactionIndex) | RLP(transaction) | 关联block的transactionsRoot |
Receipts Trie区块级数据树
| value | value | 描述说明 |
|---|---|---|
| RLP(transactionIndex) | RLP(transactionReceipt) | 关联block的receiptsRoot |
Storage Trie全局存储数
| key | value | 描述说明 |
|---|---|---|
| F(address, storage position,blockNumber) | Storage Data | 关联acountState的storageRoot |
四个Trie 都不在网络传输 ，网络中只传输交易数据
交易执行
交易数据 tx =(nonce,gasPrice,gasLimit,to,value,data)
三种情况
| 数据逻辑条件 | a |
|---|---|
| tx.to 为有效地址，且 tx.data为空 | 普通转账交易 |
| tx.to 为空，且 tx.data不为空 | 合约创建 |
| tx.to 为有效地址，且 tx.data不为空 | 消息调用 |
执行步骤
| 逻辑步骤 | D | |
|---|---|---|
| 1 | 有效性检查 | ECRecover(hash(tx),v,r,s)=sender.address 签名恢复成公钥 公钥160位就是地址 tx.nonce=sender.nonce 交易者交易计数 tx.gas0<=tx.gasLimit sender.balance>=tx.gas0*tx.gasPrice block.gasUsed+tx.gas0<=block.gasLimit |
| 2 | 不可撤销的状态修改 | sender.nonce+=1 sender.balance-=tx.gas0*tx.gasPrice |
| 3 | 转移tx.value (普通转账) | sender.balance-=tx.balue tx.to.balance+=tx.value |
| 3 | 执行合约创建（合约创建交易） | 将tx.data作为EVM字节码进行执行 |
| 3 | 执行消息调用（消息调用交易） | 将tx.data作为ABI编码进行执行 |
执行模型-以太坊虚拟机
存储设计
| 存储结构 | A | A |
|---|---|---|
| ROM | 用来保存所有EVM程序代码的“只读”存储，由以太坊客户端独立维护 | - |
| Stack | 即所谓的“运行栈”，用来保存EVM指令的输入和输出数据 | 最大深度为1024，其中每个单元是个”字（word）256位 32字节“ |
| Momory | 内存，一个简单的字节数组，用于临时存储EVM代码运行中需要的存取的各种数据 | 基于“字”进行寻址和扩展 |
| Storage | 存储，由以太坊客户端独立维护的持久化数据区域 | 每个账户的存储区域被以“字”为单位划分为若干”槽（slot）“，合约中的“状态变量”会根据其具体类型分别保存到这些“槽”中 |
费用设计
| value | instruction | |
|---|---|---|
| Gzero | 0 | stop, return,revert |
| Gbase | 2 | address, origin,caller,callvalue,calldatasize,codesize,gasprice,coinbase,timestamp, number,difficulty,gaslimit,returndatasize,pop,pc,msize,gas |
| Gverylow | 3 | add, sub,not,lt,gt,slt,sgt,eq,iszero,and,or,xor,byte,calldataload,mload,store,mstore8,push,dup,swap* |
| Glow | 5 | mul,div,sdiv,mod,smod,signextend |
| Gmid | 8 | added,mulmod,jump |
| Ghigh | 10 | jumpier |
| Gextcode | 700 | extcodesize |
| … | … | … |
EVM代码的执行环境
| 环境要素 | A |
|---|---|
| Account State | 当前执行中会接触到所有账户的状态数据，包括nonce、balance等 |
| Storage State | 当前执行中会接触到的所有账户的存储数据，即有以太坊客户端独立维护的“仓储树（storage trie）”中给定账户地址对应的存储数据 |
| Block Information | 即引发当前执行的原始交易所在的区块信息，包括blockhash、coinbase（beneficiary）、timestamp、number、difficulty和gaslimit等 |
| Runtime Environment | 当前执行的一些运行时的参数，包括gasPrice、调用者（直接发起这次调用的地址）和原始调用者（触发这次执行的原始交易发送者地址）等 |
EVM细节
- EVM 代码执行的实际gas消耗与其对内存memory的使用有关，并不是固定的。
- 鼓励最小化使用存储storage，用sstore操作将非0值存储区域重置为0值，会获得实时的gas返还。
- 交易执行的最后会删除执行过程中接触过的所有“空账户”和自毁列表中的账户，这也会返还一定量的gas。
- EVM代码的执行必定会持续到一个正常终止或一个异常终止，但无法用代码直接触发一个异常终止。
- EVM代码执行的异常终止会撤销当前交易中所有对状态的更改，但执行过程中所有消耗的gas不会返还。
合约创建
创建空账户
- nonce=1
- balance=endowment
- storageRoot=()
- codeHash=sha3(())
执行合约创建代码
一次性的bytecode
- 更改账户存储
- 创建其他合约
- 执行消息调用
正常终止
- 保存生成的最终代码 runtime bytecode
- 执行转账
异常终止
- 回退所有状态变动
- 不执行转账
消息调用
设recipient为消息调用的目标地址，sender为消息调用的发起者地址，code address 为消息调用实际执行的代码所属的地址，我们有4种发起消息调用的方法
| 操作码 | A |
|---|---|
| call | 向某个接受者地址发起消息调用，recipient（=code address）与sender可以相同，也可以不同，且会根据recipient地址切换执行环境（包含账户状态，存储状态等程序执行所以来的上下文） |
| callcode | 与call基本等价，但recipient与sender相同且与code address 相同（所以不需要切换执行环境） |
| delegatecall | 与call基本等价，但recipient与sender相同、与code address 不同，不允许进行转账，且执行环境保持不变 |
| staticcall | 与call基本等价，但不允许进行转账，且不允许对状态state进行任何修改 |
GHOST 算法
Greedy Heaviest-Observed Sub-Tree
分支选举协议
比特币是最长量分支 10分钟 ，
以太坊是16秒所以不能最长量
区块定稿
矿工节点
一个区块里可以关联两个ommer，向上找6次
ommer 验证->从交易池中选取交易并顺序执行->激励发放->状态验证 生成区块头->工作量证明 计算
非矿工节点
ommer 验证->顺序执行区块中包含的所有交易->激励发放->状态验证 验证区块头->工作量证明 验证
完整的区块链范式
世界状态->
区块1:{交易：{正常交易,
虚拟机:{交易、合约创建/消息调用、异常终止、正常终止}
},
奖励发放}
区块2
以太坊是一个状态机，最终区块交易的状态就是区块链的状态
