以太坊技术详解与实战经管

① 002：以太坊简介|《ETH原理与智能合约开发》笔记

待字闺中开发了一门区块链方面的课程：《深入浅出ETH原理与智能合约开发》，马良老师讲授。此文集记录我的学习笔记。

课程共8节课。其中，前四课讲ETH原理，后四课讲智能合约。
第一课分为四部分：

这篇文章是第一部分的学习笔记：以太坊简介。

以太坊是目前公认的区块链2.0，相比于区块链1.0（比特币），其最大的特点是引入了智能合约，从而从单一的数字加密 Token 技术转化为一个区块链分布式应用的平台。以太坊本身不包含任何具体的应用，它主要是提供基础平台和工具，使得开发者可以在其基础之上开发出各种各样的应用。可以说，以太坊有着巨大的潜力，它最终可能会发展出分布式、自动化、自组织的最高形态。

第一，我们可以通过学习以太坊的技术，领会区块链技术发展的脉络，改进的思路/路径，从而紧跟区块链技术发展的前沿，预测下一步的趋势。
第二，DAPP（分布式应用）生态系统目前的发展也是蒸蒸日上，蓬勃发展，据不完全统计，现在有数百种应用之多，显而易见的，对于开发人员的需求也是水涨船高，需要大量的开发人员。目前非常有名的应用有加密猫、各类侧链应用、ERC20 Token如币安币火币等等。

2013年，创始人 Vitalik Buterin 针对比特币存在的一些问题以及局限性，提出把“智能合约”构想应用于区块链领域，希望打造一个基于区块链的多方计算的智能化通用平台，并通过比特币融资进行开发。

2014年，以太坊基金会在瑞士成立，管理并运营整个项目。

前5大矿池占83%的算力，很集中。

目前大约有16000个全节点，其中，美国5461（34%），中国1839（11.5%），俄罗斯963（6%），德国920（5.7%），加拿大875（5.45%）。全节点每天都有动态变化。分布情况也反映出各个国家的参与热度。

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书名：以太坊技术详解与实战

作者：闫莺

豆瓣评分：7.7

出版社：机械工业出版社

出版年份：2018-4-3

页数：226

内容简介：

以太坊创始人、首席科学家Vitalik Buterin倾力推荐，工业界与学术界区块链专家联合撰写，权威性和实用性毋庸置疑。本书深入剖析以太坊架构、核心部件、智能合约编写与开发案例等关键技术，并涵盖以太坊数据分析、性能优化、隐私与数据安全等前沿实践与进展。

第1章 介绍区块链背景、基本原理与应用，以对区块链有整体性了解。

第2章 详解以太坊架构与组成，涵盖以太坊架构、核心概念与技术、客户端与域名服务等，是后续学习的基础。

第3章 带领读者部署不同网络类型以太坊区块链，含有多种技巧与脚本样例。

第4章 剖析智能合约与以太坊虚拟机的原理，这两者是以太坊的魅力所在，了解后可以更好地开发智能合约。

第5~6章 手把手教学，给出具体编写、编译、部署智能合约的方法和案例，密集锻炼读者智能合约编程与实践能力。

第7章 剖析以太坊上数字资产定义的原理和方法，包括CryptoKitties养猫游戏基于的ERC 721合约标准，到此读者可以编写以太坊应用了。

第8章 会进一步对如何查看、分析以太坊公有链数据的工具和方法进行介绍。

第9~10章 是前沿技术的探讨，涵盖以太坊性能优化和隐私保护技术。这些技术都在比较初级的阶段，读者可以一边阅读一边思考，提出自己的想法和建议。

作者简介：

闫莺 （博士），微软亚洲研究院主管研究员，区块链领域负责人，微软Coco区块链平台中国负责人。中国软件协会区块链创业学院及区块链专委会专家、中国电子学会区块链专家委员。专注与区块链技术、大数据分析、数据库以及云计算的研究。在区块链领域获得多项国际专利，并在数据库和云计算 领域国际顶级会议和期刊发表论文30余篇。参与翻译《区块链项目开发指南》。

郑凯 （博士），电子科技大学教授，博士生导师，澳大利亚昆士兰大学计算机科学博士。主要研究领域为区块链数据管理，以及时空数据挖掘、不确定数据库、内存数据库、图数据库等。在数据库、数据挖掘等领域的重要会议和期刊发表论文100余篇，被累积引用1500余次。2013年获澳大利亚优秀青年基金，2015年获数据库顶级会议ICDE最佳论文奖。担任数据库领域知名国际会议的程序主席和联合执行主席，国际SCI期刊客座编委，以及数十个国际等级会议的程序委员。

郭众鑫 微软亚洲研究院研发工程师，微软Coco区块链平台核心开发者。专注于区块链技术、大数据分析、分布式系统等方面的研究和开发。

③ 一文读懂以太坊—ETH2.0，是否值得长期持有

这几天一直在看关于ETH伦敦升级方面的资料，简单的聊一下，在加密货币的世界里，无论是投资机构、区块链应用开发者、矿机商，还是个人投资者、硬件供应商、 游戏 行业从业者等等，提起以太坊，或多或少都会有一些了解。

一方面取决于以太坊代币 ETH 本身的造富效应。从 2014 年首次发行以来，投资回报率已经超过 7400 倍。

另一方面，以太坊作为应用最广泛的去中心应用编程平台，引来无数开发者在其之上开发应用。这些应用不仅产生了巨大的商业价值，伴随 DEFI 生态、NFT 生态、DAO 生态蓬勃发展，也给 ETH 带来了更多使用者。

随着“伦敦升级计划”临近，ETH 再次聚集所有人的关注目光。

以太坊 2.0 到底是什么？包含哪些升级？目前进展如何？

以太坊 2.0 到来，会对现有以太坊生态的去中心化应用产生哪些影响？

ETH 是否值得持续投资？看完相信你会有自己的判断。

如果将搭建应用比作造房子，那么以太坊就提供了墙面、屋顶、地板等模块，用户只需像搭积木一样把房子搭起来，因此在以太坊上建立应用的成本和速度都大大改善。以太坊的出现，迅速吸引了大量开发者进入以太坊的世界编写出各类去中心应用，极大丰富人们对去中心应用场景的需求。

以太坊应用开发模型示意

以太坊与ETH

现有市场的加密货币，只是在区块链技术应用在某一场景下的单一代币。

以太坊也不例外，它的完整项目名称是“下一代智能合约与去中心化应用平台”，Ether（以太币）是其原生加密货币，简称 ETH。

ETH 除了可以用来与各种类型数字资产之间进行有效交换，还提供支付交易费用的机制，即我们现在做链上操作时所支付的 GAS 费用。GAS 费用机制的出现，即保护了以太坊网络上创建的应用不会被恶意程序随意滥用，又因为 GAS 收入归矿工所有，让更多的用户参与到以太坊网络的记账当中成为矿工，进一步维护了以太坊网络安全与生态发展。

与 BTC 不同的是，ETH 并没有采用 SHA256 挖矿算法，避免了整个挖矿生态出现由 ASIC（专用集成电路）矿机主导以至于大部分算力被中心化机构控制所带来的系统性风险。

以太坊最初采用的是 PoW（Proof of Work）的工作量证明机制，人们需要通过工作量证明以获取手续费回报。我们经常听说矿工使用显卡挖矿，他们做的就是 POW 工作量证明。显卡越多，算力越大，那么工作量就越大，收入也就越高。

当前，整个以太坊网络的总算力大约为 870.26 TH/s，用我们熟悉的消费级显卡来对比，英伟达 RTX 3080 的显卡算力大约为 92-93 MH/s，以太坊网络相当于 936 万张 3080 显卡算力的总和。

以太坊白皮书内非常明确提到之后会将 PoW 工作证明的账本机制升级为 POS （Proof of Stake）权益证明的账本机制。

ETH经济模型

与 BTC 总量 2100 万枚不同，ETH 的总量并没有做上限，而是在首次预售的 ETH 数量基础上每年增发，增发数量为 0.26x（x 为发售总量）。

但也不用担心 ETH 会无限通胀下去，长期来看，每年增发币的数量与每年因死亡或者粗心原因遗失币的数量大致相同，ETH 的“货币供应增长率”是趋近于零的。

ETH 分配模型包含早期购买者，早期贡献值，长期捐赠与矿工收益，具体分配比例如下表。

现在每年将有 60,102,216 * 0.26 = 15,626,576 个 ETH 被矿工挖出，转成 PoS 后，每年产出的 ETH 将减少。

目前，市场上流通的 ETH 总量约为 116,898,848 枚，总市值约为 2759 亿美元。

以太坊发展历程

1. 边境阶段（2015年）：上线后不久进行了第一次分叉，调整未来挖矿的难度。此版本处于实验阶段，技术并未成熟，最初只能让少部分开发者参与挖矿，智能合约也仅面向开发者开发应用使用，并没有用户参与，以太坊网络处于萌芽期。

边境阶段 ETH 价格：1.24 美元。

2. 家园阶段（2016年）：以太坊主网于 2016 年 3 月进行了第二次分叉，发布了第一个稳定版本。此版本是第一个成熟的正式版本，采用 100% PoW 证明，引入难度炸弹，随着区块链数量的增加，挖矿难度呈指数增长，网络的性能大幅提升，以太坊项目也进入到快速成长期。在”家园“版本里，还发生了著名的”The DAO 攻击事件“，以太坊被社区投票硬分叉为以太坊（ETH）与以太经典（ETC）两条链，V 神站在了 ETH 这边。

家园阶段 ETH 价格：12.50 美元。

3. 都会阶段（2017~2019年）：都会的开发又分为三个阶段，升级分成了三次分叉，分别是 2017 年 10 月的“拜占庭”、2019 年 2 月底的“君士坦丁堡“、以及 2019 年 12 月的“伊斯坦布尔”。这些升级主要改善智能合约的编写、提高安全性、加入难度炸弹以及一些核心架构的修改，以协助未来从工作量证明转至权益证明。

在都会阶段，以太坊网络正式显现出其威力，正式进入成熟期。智能合约让不同链上的加密货币可以互相交易，ERC-20 也在 2017 代币发行的标准，成千上万个项目在以太坊网络进行募资，被称作“首次代币发行（ICO）”，相信很多币圈的老人都是被当时 ICO 造富效应带进来的。到 2019 年，随着DeFi 生态的崛起，金融产品正式成为以太链上最大的产业。

都会阶段 ETH 价格：151.06 美元。

4. 宁静阶段（2020-2023年）：与都会分三阶段开发相同，宁静阶段目前预计分成三次分叉：柏林（已完成）、伦敦（即将到来）、以及后面的第三次分叉。“宁静”阶段又称为“以太坊 2.0”，是项目的最终阶段，以太坊将从工作量证明方式正式转向权益证明，并开发第二层扩容方案，提高整个网络的运行效率。

宁静阶段可以说是以太坊网络的集大成之作，如果说前个三阶段只是让以太坊的愿景展现的实验平台，宁静阶段之后的以太坊，将正式成为完全体，不仅有完备的生态应用，超级快的处理速度，众多网络协同发展，而且 PoS 机制会非常节约能源，真正代表了区块链技术逐渐走向成熟的标志。

宁静阶段 ETH 价格：2021 年 4 月 15 日完成的柏林阶段，当天价格为 2454 美元。

即将到来的伦敦协议升级

以太坊生态

以太坊的生态发展，从属性划可分为两大类：一是以太坊网络生态应用建设，二是以太坊网络扩容建设。两者相互融合，互相成就，应用需要更健壮强大的网络作为承载，网络需要功能完善的应用场景服务用户。

先说应用生态，以太坊的生态我们又可以分为以下几大类：

1. 去中心化自制组织（DAO）生态

什么是去中心化自制组织？还是以我们熟悉的比特币举例：比特币目前市值七千多亿美金，在全球资产市值类排名第九，但比特币并不是某一公司发布的产品，也没有特定公司组织招聘人员进行维护。比特币现有的一切，都源于比特币持有者、比特币矿工自发形成的分布式组织，他们通过投票方式规划比特币发展路线，自发参与维护比特币程序与网络 —这仅仅因为只要拥有比特币，所有人都是比特币网络建设中的受益者，一切维护都源于自身的利益关系。

比特币的发明与成功运行，突破了由荷兰人创建、至今流行 400 多年的公司商业架构，开创出一种全新的、无组织架构的、全球分布式的商业模式，这就是 DAO。

再说回以太坊，以太坊的 DAO 可以由智能合约编写，用户自定义应用场景。简单说就是我们规定出程序执行条件与执行范围，真实世界里只要触发设定好的条件，程序就会自动执行运行，且所有过程都会在以太坊的网络上进行去中心化公开验证，不需要经过人工或者任何第三方组织机构确认。

以太坊 DAO 生态演化出许多商业场景，有慈善机构使用 DAO 建立公开透明的捐款与使用机制，有风投机构使用 DAO 建立公平分配的风险基金。

以太坊生态的很多项目都采用 DAO 自治，代表项目有：Uniswap，AAVE，MakerDAO，Compound，Decred，Dash 等。

2. 去中心化金融（DEFI）生态

在传统商业世界里，我们如果需要借钱、存钱，或者买某一公司股票，或者做企业贷款、融资，只要是进行金融活动，总离不开与银行、证券机构、会计事务所这些金融机构打交道。

而在去中心的世界里，区块链本质就是集合所有人交易记录且公开的大账本，我们可以非常容易的追溯到每一个钱包地址发生过的每一笔交易，查询到任意一个钱包地址的余额信息，从而对钱包地址里的资产做评估。

举个例子：全世界个人贷款最贵的国家是印度，印度的年轻人房贷利率目前是 8.8%，最高曾经到过 20%；与此对应，全世界个人存款利率最低的国家是日本，日本政府为了鼓励民众消费，在很长一段时间里银行存款利率是负值，日本人在银行存款不仅没有利息，还要给银行交保管费。理论上，如果日本人将自己的存款借与印度人，双方都能获得利益最大化，但现实生活中这样的场景很难发生。一是每个国家都有外汇管制，日本人的钱并不容易能给到印度人，二是印度人的信用如何日本人也不好评估，大家没有统一标准，万一借出去的钱无法归还，不能没了收益还要蒙受损失。

但在去中心的世界里，这样的事情就简单的多。

如果印度人的钱包地址里有比特币，我们就可以利用智能合约，印度人将自己的比特币质押进去，根据比特币当时的价格，系统自动给印度人一个授信额度，印度人就可以拿着这个额度去和日本人借款，并规定好还款的周期与利率。如果印度人违约，合约自动将印度人质押进去的比特币扣除，优先保障日本的权利，这样，日本人不用担心安全问题放心享受收益，印度人也有了更多的款项做为流动资金。

这个例子就是去中心金融的简单应用，实际上，这就是我们参与 DEFI 挖矿是质押理财的原理 —— 当然真正应用实现算法与场景要复杂的多。

DEFI 根据场景不同，又可以分为很多赛道，比如稳定币、预言机、AMM 交易所、衍生品、聚合器等等。

DEFI 代表项目有：Dai，Augur，Chainlink，WBTC，0x，Balance，Liquity 等。

3. 非同质化代币（NFT）生态

世界名画《蒙娜丽莎》，只有达·芬奇的原版可以展览在法国卢浮宫博物馆，哪怕现代的技术可以无比精细地复刻出来，仿品都不具备原版的收藏价值。

这就是 NFT 的应用场景。NFT是我们可以用来表示独特物品所有权的代币，它们让我们将艺术品、收藏品甚至房地产等现实事物唯一代币化。虽然文件（作品）本身是可以无限复制，但代表它们的代币在链上可以被追踪，并为买家提供所有权证明。

相比现实中实物版权、物权的双重交割相比，NFT 只需要交割描述此物品的唯一代币。NFT 作品往往存储在如 IPFS 这样的分布式存储网络里，随用随取，永不丢失，加之交割简单方便，很快吸引了大量玩家与投资者收藏转卖，NFT 出现也给艺术家提供了全新的收入模式。

类似 DEFI 生态，NFT 生态根据应用场景不同也产生了不同赛道，目前比较火热的赛道有 NFT 交易平台，NFT 游戏 平台，NFT 艺术品平台， NFT 与 DEFI 结合在一起的金融平台。

NFT 代表项目有：CryptoKitties，CryptoPunks，Meebits，Opensea，Rally，Axie Infinity，Enjin Coin，The Sandbox 等。

4. 标准代币协议（ERC-20）生态

与 NFT 非同质化代币所对应的，就是同质化代币。比如我们使用的人民币就是一种同质化代币，我们可以用人民币进行价值交换，即使序号不同也不影响其价值，如果面额相同，不同的钞票序号对持有者来说没有区别。

BTC，ETH 和所有我们熟知的加密货币，都属于同质化代币。同种类的一个比特币和另一个比特币没有任何区别，规格相同，具有统一性。在交易中，只需关注代币交接的数量即可，其价值可能会根据交换的时间间隔而改变，但其本质并没有发生变化。

以太坊的 ERC-20 就是定义这种代币的标准协议，任何人都可以使用 ERC-20 协议，通过几行代码，发布自己在以太坊网络上的加密货币。

现在，以太坊网络上运行的代币种类有上百万个，上边提到的项目，大多也在以太坊网络中发布了自己的同质化代币。

ERC-20 代表项目有：USDT，USDC，WBTC 等。

以太坊网络扩容性

我们先引入一个概念：区块链的不可能三角，即无论何种方法，我们都无法同时达到可扩展、去中心化、安全，三者只能得其二。

这其实很好理解，如果我们要去中心化和安全，就需要更多有节点参与网络进行验证，从而导致验证人增多、网络效率降低，扩展性下降。网络性能建设就是在三者之间找到平衡点。

用数据举例，目前比特币可处理转账 7 笔 / 秒，以太坊是 25 笔 / 秒，而 VISA 平均为 4500 笔 / 秒，峰值则达每秒上万笔。这种业务处理能力的差别，我们就可以简单理解为是「吞吐量」的差距。而想要提高吞吐量，则需要扩展区块链的业务处理能力，这就是所谓的扩展性。

根据优化方法不同，以太坊网络性能扩容方案可以分为：

1. Layer 1 链上扩展，所有交易都保留在以太坊上的扩展解决方案，具有更高的安全性。

链上扩展的本质还是改进以太坊主链本身，使整个系统拥有更高的拓展性与运行效率。一般的方法有两种，要么改变共识协议，比如 ETH 将从 PoW 转变为 PoS；要么使用分片技术，优化方法使网络具有更高效率。

2. Layer 2 链下扩展，在以太坊协议之上分层单独做各场景解决方案，具有更好的扩展性。

链下扩展可以理解为把计算、交易等业务处理场景拿到以太坊主链之外计算，最后将计算好的结果传回主链，主链只反映最终的结果而不用管过程，这样，无论多么复杂的应用都不会对主链产生影响。

我们并不需要明白具体技术实现，只需知道：相比 Layer 1 方案，Layer 2 方案网络不会干扰底层区块链协议，可以替 Layer 1 承担大部分计算工作，从而降低主网络的负担提高网络业务处理效率，是目前公认比较好的扩容方案。

以太坊2.0

终于讲到以太坊 2.0，回到主题。

通过回顾以太坊的发展 历史 ，以太坊 2.0 并不是新项目，它只是以太坊开发进程的最后一个阶段，它将由整个以太坊生态多个团队协同完成，目标是使以太坊更具可扩展性、更安全和更可持续，最终成为主流并为全人类服务。

ETH2建设目标:

1. 更具可扩展性。每秒支持 1000 次交易，以使应用程序使用起来更快、更便宜。

2. 更安全。以太坊变得更加安全，以抵御所有形式的攻击。

3. 更可持续。提高网络性能的同时减少对能源的消耗，更好地保护环境。

最重要的变化，ETH2 将从 ETH1 使用的 PoW（Proof of Work）工作量证明机制升级为 POS （Proof of Stake）权益证明机制。不再以算力做为验证方式，而是通过质押加密货币的数量做为验证手段。矿工不需要显卡也能挖矿，既节省了时间成本与电力成本，又提高了 ETH 的利用率，非常类似钱存在银行获得利息。

ETH2 主要使用的技术是分片分层技术实现整个网络扩容。

ETH2 升级将分为三个阶段进行：

1. 阶段0（正在进行）：信标链的创建与合并。信标链是 ETH2 的主链，如同人类的大脑，是 ETH2 得以运行的基础。

2. 阶段1（预计2022年）：分片链的创建与应用。当信标链与 ETH1 合并完成后，就进入分片链的开发阶段。分片链可以理解为将 ETH2 主链的整块数据按一定规则拆分存放，单独建立新链处理，用来分担主链上的数据压力，目前规划是建立 64 条分片链。

举个例子，从北京到上海，原来的交通工具只有一条公路，所有的车辆都需要在上边运行，就会非常拥挤；现在通过分片技术，多出来高铁、飞机等交通方式，分流的车辆同时到达速度更快，这就是分片链起到的作用。

分片链与主链交互示意图

3. 阶段2（预计2023年）：整个网络功能的融合。到了此阶段，整个系统的功能全面开始融合，分片链的功能会更加强大，新的处理机制开始支持账户、智能合约、开发工具的创建，新的生态应用等。

此阶段是以太坊网络的最终形态，网络性能得到全面提升，生态应用全面爆发。但要服务全人类，ETH2 每秒 1000 次的交易效率显然还是远远不够，以太坊也会为它的目标持续优化下去。

ETH2对于大家有什么影响？

1. 对于以太坊生态开发者。ETH2 在部署应用的时候，是需要选择应用在哪条分片网络进行部署，造成这种差异的原因是跨分片通信不同步，这就意味着开发者需要根据自己发展计划做不同的组合。

2. 对与 ETH 持币者。ETH2 与 ETH1 数据完全同步，代币也不会有任何变化，你可以继续使用现在的钱包地址继续持有 ETH。

3. 对于矿工。虽然 PoW 与 PoS 还会并行一段时间，可以预计的 PoW 矿机的产出会越来越少，应该开始减少 PoW 矿机的投资，开始转向 PoS 机制。

4. 对于用户。ETH2 速度更快，交易手续费更低，网络体验会非常好，唯一值得注意的是，由于 Dapp 部署在不同的分片网络上，可能需要手动选择应用的网络选项。

ETH是否值得投资？

ETH 是除了 BTC 以外市场的风向标，明确了解 ETH2 非常有助于我们理解其他区块链项目，理解二级市场。

简单总结几个点吧：

1. 通过以太坊的项目分析，我们可以清晰地看到：在比特币之后，以太坊项目的发展史就是目前区块链应用生态的发展史。无论 DEFI 生态，NFT 生态，DAO 生态还是代币、合约、协议生态，其实在以太坊发布白皮书时已有预见，后来出现的项目，都是围绕以太坊做验证。

2. 以太坊的联合创始人里，只有 V 神还在为以太坊事业做贡献，但这并不影响以以太坊繁荣发展。以太坊初始团队只是创建了它，后续的发展是社区、开发者、矿工与用户共同建立的结果，现在的以太坊早已不是某一个人的思维，它是所有以太坊生态参与者共同的结晶，它属于全人类。

3. 以太坊在过去的几年一直沿着既定的开发轨迹发展，虽然中途一度出现过危机，以太坊“被死亡”了好几百次，以太坊还是顽强的发展下来，并且拥有了繁荣生态。ETH2 还要两三年时间才能落地，中间也充满变数，比如其他的公链抢占先机，但可以预见，ETH2 后的以太坊会更加健壮。

4. 不要在抱有任何 BTC 会死亡，区块链行业会消失这样的伪命题。BTC、ETH 让我们看到了突破原有公司组织架构，一种全新无组织架构的商业模式存在，这种商业模式显然更符合这个时代的发展需求，无论项目地发起团队在不在，无论各国政府如何打压，只要技术对人类有贡献，就会由人员自发组织维护，区块链技术是革命。

5. ETH2 的上线，短期看 PoW 奖励与 PoS 奖励并行，可能会让 ETH 总通胀率短期内飙升，长期看 ETH 通胀率始终保持平衡。加上 ETH 本身的生态与应用场景，ETH是值得投资的，目前看不到有其他公链代替以太坊公链的可能性，ETH2 的上线，甚至会对其他公链造成“虹吸效应”，万链归一。

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④ 以太坊技术系列-以太坊数据结构

本篇文章和大家介绍一下以太坊的数据结构，上篇文章我们提到，以太坊为了实现智能合约这一功能，使用了基于账户的模型。我们来看看以太坊中数据结构。

既然是基于账户的模型，我们需要通过账户地址找到账户的状态。就像通过银行卡号可以找到你在银行中的各种信息一样。最简单的想法当然是一个简单的哈希表 key是账户地址 value是账户状态。但这里有个问题解决不了。

轻节点如何校验账户合法性？

上篇我们说过，区块链中有2类节点，全节点和轻节点，轻节点只会存储block header，所以轻节点如何才能校验账号是否合法呢？

这个思路和我们平时用的md5校验一致，我们会对区块内的信息进行hash运算从而得出区块内信息唯一确定的值，区块链所有节点中这个值都是相同的。

在这个过程中我们用到了一种数据结构Merkle Tree（哈希树），我们先看下Merkle Tree（哈希树）的示意图。

上篇文章说到区块链中的链表(哈希链)和我们平时常见链表不同的是将指针从地址改为了hash指，这里也一样，哈希树和二叉树的区别有2个

1.将地址改为了哈希值

2.只有叶子节点存储数据

回到之前的问题轻节点是如何校验1个账户或交易是否是在链上的呢？

整个流程如上图所示

1.轻节点需要判断1个账号是否合法

2.轻节点由于只存储block header，所以拿到1个账号的时候会向全节点发出请求

3.全节点存储了所有账户状态，将账户路径中的需要计算用到的hash值返回给轻节点

4.轻节点本地进行计算根hash值，如果计算结果和自己存储一致则账户合法，不一致则不合法。

那以太坊中的账户信息的数据结构就是这样吗？

直接用这样的数据结构来存储账户信息会有2个问题

查找困难

生成hash值不确定

第1个问题应该比较容易发现，在这个树中寻找1个账号需要的复杂度是O(n),因为没有任何顺序。

第2个问题其实也是因为无序导致的，无序的组合每个节点针对同一批账户生成的hash值不一致，这就导致无法达成共识。

既然2个问题都和顺序有关，那我们类似二叉排序树一样，使用哈希排序树是不是就可以解决问题了呢？

使用排序树后会带来另外1个问题

插入困难

因为要维持树是有序的，很可能带来树结构的很大变动。

以太坊中使用了另外一种数据结构字典树。和哈希树不同，字典树应该是很多地方都有使用。我们简单来看下字典树的结构。

字典树能够较好地解决哈希树的2个缺点1.查找困难 2.生成的hash值不确定以及排序二叉树的1个缺点 插入困难。

但字典树我们可以看到可能树的深度可能由于部分元素导致整棵树深度非常深。

这时我们可以进一步优化，将相同路径进行压缩。这就是压缩字典树。

将哈希树和压缩字典树结合，就可以得到以太坊存储账户的最终数据结构-MPT。

将压缩字典树里面的指针从地址改为指针，并且将数据存储在叶子节点中即可。

介绍完状态树的数据结构，我们接下来讨论1个问题，区块中存储的账户状态是什么样的范围。有2种选择。

只保存当时区块中产生交易的账户状态。

保存全局所有的账户。

我们可以看下这2种方式，无非就是空间和时间的平衡，只保存当前区块产生的交易意味着是做懒加载(需要的时候才去寻找账户)，在区块链中这个代价是非常大的，因为寻找的账户之前从未交易过，这样会遍历整个区块链。另外一种保存全局的账户方式虽然看起来空间消耗较大，但查找快捷，而且空间的问题我们可以通过其他方式优化。所以最终以太坊选择了第2种每个区块都报错全局所有账户的方式。

我们来看下以太坊中是如何保存状态树的。

可以看到以太坊中虽然每个区块都保存了全部账户，但是会将未发生变化的账户状态指向前1个节点，本身只存储发生变化的状态，这样可以较大程度优化空间占用。

介绍完以太坊中比较复杂的状态树后，我们继续来看看以太坊中的另外两棵树，交易树和收据树。

首先介绍一下，为什么需要交易树&收据树。

1.交易树

虽然以太坊是基于账户的模型，但是就像银行不仅会存储银行卡的余额，还会存储卡中的每笔钱怎么来的以及怎么花的。交易树中就存储着当前区块中的包含的所有交易。

2.收据树

由于智能合约的引入增加了不少复杂性，所以以太坊用收据树存储着一些交易操作的额外信息。比如交易过程中执行日志就包含在收据树中方便查询。收据树和交易树是一一对应的。每发生一次交易就会有一次收据。

和状态树不同交易树和收据树只维护当前区块内发生的交易，因为当时区块发生交易时不需要再去查找另外1个交易，也就之前需要可能遍历整个区块链的查找操作了。

由于以太坊中的出块速度较快，我们进行一些查询一些符合条件交易的时候会面临大量数据遍历困难的问题。收据树中引入了布隆过滤器可以帮助我们有效缓解这一困难。

布隆过滤器将大集合中每个元素进行hash运算映射到1个较小的集合，这时再来1个元素要判断是否在大集合的时候，不需要遍历整个大集合，而是去进行hash运算去小集合中寻找是否存在，如果不存在，肯定不在大集合中，如果存在则不能说明任何问题。

如上图所示，布隆过滤器只能证明某1个元素不在集合中，不能证明1个元素在结合中。

以太坊中如果我们要在较多区块中寻找某1个交易，则可以利用布隆过滤器，过滤掉肯定不存在目标交易的区块，然后进入收据树内继续利用布隆过滤器筛选，剩下的才是可能的目标交易的交易，进行一一比对即可。

我们介绍了以太坊的核心数据结构，状态树&交易树&收据树，他们都是使用相同的数据结构-哈希压缩字典树。但状态树是维护1颗全局账户树，交易树和收据树则是维护本区块内的交易或收据。

介绍完数据结构后，后面我们会用几篇文章来介绍以太坊中的一些核心算法，比如共识机制，挖矿算法等。