区块链技术与应用肖臻老师笔记整理之------16-BTC-匿名性

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了区块链技术与应用肖臻老师笔记整理之------16-BTC-匿名性相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

注:没有全部复原,抽取了主体知识,加入了一些自己的理解,强烈建议去学习肖臻老师的课程,这绝对算得上是国内区块链讲解的顶级教程,纯学术和技术

完成的功能:账户地址->账户状态的映射

​ address->state

​ 地址是160bits 40个16进制的数

状态就是指外部账户与合约账户的状态,包括余额,交易次数nonce,对合约账户还包含代码和存储

  • 对于设计什么样的数据结构来实现这个映射的思考?
    1. 是不是很直观的key-value pair就可以呢(哈希表)?
      • 系统中的全节点维护一个哈希表,每有一个新的账户插入到哈希表里,要查询账户的余额,就直接在哈希表中查询,如果不考虑哈希碰撞,那么查询的时间是常数级别的,更新也可以在哈希表中更新。
        • 问题:如果使用哈希表来提供Merkle proof怎么提供?
        • 希望一个人证明一下其余额,一种方法是把哈希表的内容组成一棵Merkle Tree,求出其根哈希值,保存在block header里
        • Problem在于如果有新区块发布,执行新区块中的交易就必然会使得哈希表的内容进行变化,发布下一个区块的时候再重新将这些哈希表中的内容组织成一棵Merkle tree?代价是不是太大了?其实大多数账户状态是不变的,所以每次都重新构建一棵新的树代价很大。
        • BTC系统中难道不是没出一个区块构建一棵新的Merkle Tree吗?
          • 为什么没有上述问题?那个Merkle-tree是干什么的?BTC的Merkle Tree是干嘛的,是把区块里包含的那些交易组织成一个Merkle Tree。BTC中的Merkle Tree是immutable不变的,每次发布一个新的区块对应一个Merkle Tree,构建完之后是不会再改的,下次发布新的区块再构建一个新的Merkle tree。区块里大概有多少个交易呢?每个区块大小为1M,每个交易大小250B左右,最多4000个左右,不是很大的merkle tree。
          • 如果ETH所有账户都使用Merkle来存储,那规模就太大了,代价也太大
          • Merkle tree 除了提供Merkle proof证明账户上有多少钱之外,Merle tree还可以维护各个全节点之间状态的一致性,这也是为什么BTC把root hash根哈希值写在块头里的原因
    2. 第二种思路:直接用一棵Merkle tree把所有账户放进去
      • 改的时候直接在Merkle tree里改,每次更新都是改一小部分,所以改的也是一小部分
        • Problem1:Merkle tree没有提供一个高效的查找和更新的方法
        • Problem2:这个Merkle tree要不要排序?
          • 不排序的话,一个问题是查找速度慢,另一个问题是叶节点是这些账户的信息,如果不规定账户在叶节点出现的顺序,那么构建出的Merkle tree不是唯一的。每个全节点按照自己的顺序构建Merkle tree,那么叶节点的顺序是乱的,构建出的merkle tree是不一样的,root hash值也不一样。
            • BTC没有这个问题是因为最后获得记账权得节点说了算,自己决定,大家跟随。如果ETH也这样操作,那么需要将账户的状态发布到区块中,那么发布到区块链中的是账户的状态,而账户的状态基本是不变的,这样操作是不可行的,浪费太多空间
          • 排序的话,Sorted Merkle Tree是不是就没有问题了?
            • 插入的话代价太大
      • 所以这两种简单的数据结构都不可以(真的太震惊了,为了引出MPT进行了多少思考)

以太坊使用的数据结构:MPT(Merkle Patricia Tree)

trie: 来源于retrieval(信息检索),前缀树或字典树,也是key-value

特点:

  1. trie中每个节点的分支数目取决于Key值中每个元素的取值范围(16进制0-f)
  2. 键值越长,查找访问内存的次数也就越多,ETH都是40位16进制的数。(ETH和BTC的地址不通用)
  3. trie不会出现碰撞
  4. 输入不变,构造的trie是一样的
  5. 更新操作局部性很友好
  • trie的缺点:
    存储浪费。比如General路径上很多节点都是用不到的,但是都需要单独存储,会浪费空间
  • 如果我们能将这些节点进行合并,那么可以节省存储的开销,同时提高查找的效率。不用一次一个往下找

Patricia Tree/Trie(压缩前缀树)

在这里插入图片描述

  • 优点:
    • 树的高度明显压缩,访问内存的次数就会大大减少,效率就提高了
  • 注意:
    • 如果新加入节点,可能就会弹开,公共部分减少
  • 键值分布比较稀疏的时候,压缩效果比较显著
    • 去中心化系统防止账户冲突的唯一办法:很长的地址,稀疏分布

Merkle Patricia Tree

  • Merkle tree与Binary tree有什么区别,区块链和链表有什么区别

    • 把普通指令换成哈希指令
  • MPT与PT的区别也是一样,将地址转为哈希值,最后生成一个根哈希值

  • root hash的作用?

    1. 防止篡改
    2. Merkle Proof:证明账户上有多少钱,证明某个账户是不存在的
  • 以太坊使用的不是原生版的MPT,用的是Modified MPT

在这里插入图片描述

shared nibble:16进制数,一个nibble就是一个16进制数

三种节点:

  • ​ Extension Node:如果出现了路径压缩,就是Extension Node
  • ​ Branch Node:树枝节点
  • ​ Leaf Node :叶子节点

每一个合约账户的存储都是一个小的MPT

  • 为什么要保留历史状态?
    • 查看历史信息
    • ETH很容易分叉,会进行roll back 回滚,有历史记录才可以做到回滚
    • ETH中有智能合约,执行交易之后没有办法知道之前的状态,所以必须保留

ETH中代码的数据结构:

块头的结构

在这里插入图片描述

  • ParentHash:前一个区块块头的哈希值
  • UncleHash:叔区块可能比父区块大好几个辈分
  • Root:状态树的根哈希值,
  • TxHash:交易树的根哈希值
  • ReciptHash:收据树的根哈希值
  • Bloom:与数据树相关,提供某种高效的查询某种条件的交易的执行结果
  • MixDigest:
  • Nonce:挖矿的随机数

区块的数据结构:

在这里插入图片描述

  • header:指向blockheader的指针
  • uncles:指向叔区块的blockheader的指针,是一个数组,可以有多个叔区块
  • Transactions:交易的列表

在这里插入图片描述

真正在网上发布的就是这些信息

前面讲(key,value)键值对,没有讲Value部分的存储,他需要进行序列化

RPL:Recursive Length Prefix是一种序列化的方法,特点是简单,极简主义,越简单越好,

只支持一种类型,nested array of bytes字节数组,一个一个字节组成的数组,可以嵌套

protocal buffer,protobuf:很有名的做序列化的库

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