以太坊基础概念详解
本文不讲区块链，也就意味着你有一些区块链的基本认知。
主要讲解以太坊中的一些基本元素，如：区块、账户、状态、交易、费用等。因这些概念之间相互紧密联系，虽描述的时候尽量分出层级，但提醒看官看得时候可以前后翻阅。
对以太坊的解剖按从整体到局部的思路进行：
1、以太坊
以太坊可以用几句话道出其本质：
以太坊是一个基于交易的状态机。
全球就这一台单机（但分布存在），【系统状态】不停的改变。系统状态是一个术语，即后面讲到的world state。
这台单机主要由区块链组成，区块链上保存着状态和交易。
当我们与以太坊交互时，其实就是在执行交易、改变系统状态。
用一个简洁优美的公式表示就是：
σ′ =Υ(σ,T)
Υ是状态转换函数，T是交易，σ是状态，σ′转换后的状态。
借用一张图吧
从创世区块开始，无尽的交易不断的刷新着系统当前状态，每产生一个区块就对当前状态做一次快照（patricia trie根）存入区块头中。
patricia trie是merkle tree的变体，请自行了解merkle tree。
2、区块结构
再看一个公式
B≡ (BH,BT,BU)
意思是区块恒等于(区块头,交易列表,叔块)
所以，区块是由三大部分组成：
区块头，叔块，交易列表。请看图：
1）区块头由15个字段组成。
2）叔块其实就是孤块，因以太坊出块速度很快平均十几秒就会打包生成一个块，所以矿工挖矿的竞争性很高，可能同时产出几个都合法的区块，以太坊为了一些安全性起见，允许竞争块也挂在到主链上，同时给与挖出这些孤块的矿工们少许奖励增加工作的公平性。这些孤块最多允许6个高度，这也是6个区块确认主链说法的来源。
3）交易列表，存储的是本区块中所有的交易内容。
图中的公式后面说。
看一下一个实际的区块信息：
"blocks" : [
{
"blockHeader" : {
"bloom" : "0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"coinbase" : "0x3535353535353535353535353535353535353535",
"difficulty" : "0x020000",
"extraData" : "",
"gasLimit" : "0x05f5e100",
"gasUsed" : "0x014fa1",
"hash" : "0x39f4659b079e257df8fd7e699528531e97a6b8a442ca0d11200c4a2f7433c483",
"mixHash" : "0x7379f33af4ae2db7e293f808a165135d0b1a99572cc96fb9f7d17ef64a751969",
"nonce" : "0x8e08d7aabeee8773",
"number" : "0x01",
"parentHash" : "0xadbef3bf0b3b7b14f6e7b1a45d240ecc863543a279a86c23f60170e8e7a6bcc3",
"receiptTrie" : "0xb21660268480338c0cd0613358315359b619bd527d5850949c4863cddaec316b",
"stateRoot" : "0xde4ce9b5b2f88ab1680962c64281224b1743bdf94bd6a9e390ea779ff616c1f7",
"timestamp" : "0x03e8",
"transactionsTrie" : "0x56445ba866f3e41851154fb8700dcec8556a178f1833021e030b8a47b494769d",
"uncleHash" : "0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347"
},
"rlp" : "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",
"transactions" : [
{
"data" : "0x30c8d1da000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000600000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000230644e72e131a029b85045b68181585d2833e84879b9709143e1f593f0000000",
"gasLimit" : "0x030d40",
"gasPrice" : "0x01",
"nonce" : "0x46",
"r" : "0x21a28cc82b40931239f8653ffa5300e1a506c0ef7fb79a663772cafe6558ab44",
"s" : "0x75af23441f7f176a2770af41142c77b671391209b15d59144e7a1332179b5e14",
"to" : "0xc305c901078781c232a2a521c2af7980f8385ee9",
"v" : "0x1b",
"value" : "0x00"
}
],
"uncleHeaders" : [
]
}
]3、区块头
区块头包含15个字段，介绍如下：
type Header struct {
ParentHash common.Hash //Hp，上一区块全部内容的hash，区块因它而成链！
UncleHash common.Hash //Ho，本区块的ommers（所有叔块）列表的hash
Coinbase common.Address //Hc，成功挖出本区块的矿工地址，用于接收矿工费
Root common.Hash //Hr，本区块所有交易的状态tree的根hash
TxHash common.Hash //Ht，本区块所有交易tree的根hash
ReceiptHash common.Hash //He，本区块所有交易的收据的tree的根hash
Bloom Bloom //Hb，交易收据日志组成的Bloom过滤器
Difficulty *big.Int //Hd，本区块难度级别
Number *big.Int //Hi，区块序号，从创世块0递增
GasLimit uint64 //Hl，每个区块当前的gas limit
GasUsed uint64 //Hg，本区块交易消耗的总gas
Time *big.Int //Hs，本区块创建时的Unix时间戳
Extra []byte //Hx，区块附加数据，<=32字节
MixDigest common.Hash //Hm，256位的hash，与nonce组合证明出块执行了足够的计算
Nonce BlockNonce //Hn，64位的hash，与MixDigest组合证明出块执行了足够的计算
}首先，ParentHash是上一个区块全部内容的hash值，下一个区块总是包含上一个区块全部内容的hash值，这就使得区块成链。
再次，有三个特别的字段保存的是patricia trie的根，Root（状态hash）、TxHash（交易列表hash）、ReceiptHash(收据列表hash)。这个Root就是系统状态hash。系统状态就是以太坊整个网络中所有账户的状态，就是world state，它是一个merkle patricia trie结构。这个树（包括所有patricia trie）并不存在于区块，而存在于节点的levelDB中。只有它的根hash存在于区块头Root中，每一个区块头里的Root都是区块被挖出确认时的快照，而world state指现在所有账户的状态。
world state是跨块存在的，另外两棵树只存储本区块的交易和收据。
4、world state
再说一下world state：
world state是一颗全局状态树，在以太坊里只有一个，它被持续地更新。
这棵树包含了以太坊网络里每一个账户的key/value映射。
所以它表示的是整个以太坊系统所有账户当前的状态。
其折叠函数是：
LS(σ) ≡ {p(a) : σ[a]≠ ∅}
意味着非空p(a)的集合，p(a)就是patrcia 叶子节点的内容：
p(a) ≡ （KEC(a), RLP((σ[a]n, σ[a]b, σ[a]s, σ[a]c))）
这表示一个叶子节点是一个key/value映射，key是KEC(a)即160位的账户地址的哈希(Keccak-256算法)，value是账户（nonce、balance、storageRoot、codeHash）的RLP格式序列化字节。
5、账户
以太坊中有两种账户
1、外部拥有账户（EOA），一般指自然人拥有的账户。
2、合约账户（CA），为智能合约分配的账户。
看一下账户的源码定义：
type Account struct {
Nonce uint64 // σ[a]n ,若为EOA是发送的交易序号，如为CA是合约创建的序号。
Balance *big.Int // σ[a]b ，这个地址的余额。
//merkle root of the storage trie
Root common.Hash // σ[a]s ，账户自身内容RPL编码组成的Merkle Trie的根哈希
CodeHash []byte // σ[a]c ，账户绑定的EVM Code，账户一经创建不可修改。
}- EOA特征
codeHash为空
storageRoot为空
通过私钥控制
发起交易（转移以太币或触发合约代码） - CA特征
不能发起交易，可以被触发执行合约代码（通过EOA发起的交易或者从其他CA接收的消息调用激活）
怎么判断一个账户是空账户？
EMPTY(σ,a)≡ σ[a]c =KEC(()) ∧ σ[a]n =0 ∧ σ[a]b =0
从公式看，一个账户的Root为空且nonce为0且余额为0，则说明这是一个空账户。
6、交易
再回顾一个公式
σ′ =Υ(σ,T)
以太坊是一个基于交易的状态机。
任意两个账户之间的交易都会引起world state的改变。
两个相邻区块之间的状态差别很小，patricia trie这种数据结构能高效的处理整个系统账户变化的部分。
交易基本定义：【从外部拥有账户】发送的加密签名序列化指令。换句话说交易必须是从EOA发起的才能叫交易，CA之间的通信叫消息也有叫内部交易的，现在是有区别，以后这个区别会不会模糊化不知道。
交易类型有两种：
1、消息调用（Td）
2、合约创建（Ti）
从EOA到EOA的交易仅是转账。
EOA到CA可以激活各种操作。
看交易的源码定义：
type txdata struct {
AccountNonce uint64 //Tn
Price *big.Int //Tp
GasLimit uint64 //Tg
Recipient *common.Address //Tt
Amount *big.Int //Tv
Payload []byte //Td || Ti
V *big.Int
R *big.Int
S *big.Int
// This is only used when marshaling to JSON.
Hash *common.Hash
}Tn必须等于发起交易的账户的nonce（翻阅前面说法可知，账户nonce是该账户发起的第几笔交易的序号，如果是创建合约则代表第几次创建合约的序号）
Tp是这笔交易消耗的gas单价
Tg是你愿意为这笔交易最多可以支付的上限
Tt是接收账户的地址，如果为空说明接受账户是一个CA，否则是EOA
Tv是到接收者的额度
Td或Ti，如果交易类型是消息调用则Palload写为Td，表示输入数据，例如消息的参数，假设有一个注册域名的合约服务，则Td就是该服务需要的参数如IP等。如果交易类型是创建合约，则Payload写为Ti，表示一段代码，这段代码用于创建合约账户，这段初始化代码只会被执行一次就丢弃掉，第二次执行的是创建完的合约代码体。
交易的公式：
可以看到当接收账户不同时，区别仅仅是Td和Ti的区别。
另外，一个区块里交易的顺序由装配这个区块的矿工决定。
7、费用
以太坊网络里任何计算都要支付gas（燃料），
思考为什么不直接用eth做费用？
答案是用两个概念gas和eth区别价值和价格，gas是一种固定衡量的价值，而eth是市场上快速变化的价格，很多EVM（以太坊虚拟机）的操作指令都需要消耗固定的费用就用gas来计价，gas的最小单位是wei，1eth = 1018wei = 109gwei。所以eth和gas之间是有汇率的。
GasPrice：燃料单价
GasLimit：愿意支付的燃料上限
GasLimit × GasPrice = 愿意支付的最大费用
10000 × 100gwei = 1015wei = 0.001eth
这图要说明的是：
一笔交易中，你设置的最大费用如果没有消耗完，多出的会返回给你。如果最大费用不够计算的花费，那么交易会终止、已改变的状态会回滚、但是钱被消耗不会退回了。这些已消耗的费用都奖励给矿工了。
计算都是有费用的，初次之外还有一些东西需要缴费：
费用的三种不同构成：
1）计算操作的固定费用
2）交易（合约创建或消息调用）费用
3）存储（内存、存储账户合约数据）费用
着重说一下存储费用：
存储收费是因为假如你的合约使得状态数据库存储增大，所有节点都会增加存储。
以太币是鼓励尽量保持少量存储的。
但是如果有操作是清除一个存储条目，这个操作的费用不但会被免除，而且由于释放空间还会获得退款。
总结
以上就是以太坊里的一些基础元素，没有讲到复杂的交易执行、EVM等，后续再写。
下面是一个区块链小程序，供大家参考：
