目标
本节的目的是了解：
- 区块链是如何组成的
- 区块的数据结构
- 交易的数据结构
介绍
区块链作为Web3生态的核心基础设施，就像一个分布式数据库，在全球范围内存储着交易数据、智能合约、用户身份信息以及各类去中心化应用程序（dApp）的数据。
以太坊区块链从上到下可以分为三个层级：区块链、区块和交易。交易数据、收据数据、状态数据和账户数据都存储在四棵独立的 Merkle 树中。如果你对这些概念还不熟悉，不用担心，本节我们将以以太坊为例，逐层剖析区块链的数据结构。
区块链
区块链是一系列数据块或“区块”，它们以特定方式连接起来形成一条链。每个区块都包含前一个区块的哈希值，称为“父哈希”，它唯一地标识了前一个区块的内容。通过这种方式，每个区块都与前一个区块相连，形成一条从第一个区块（创世区块）到最新区块的连续链——这就是“区块链”。注意：第一个区块不包含父哈希。
堵塞
区块链中的每个区块由两部分组成：区块头（Header）和区块主体（Body）。
- 区块头
区块头包含一个区块的基本信息，主要包括：
- parentHash：记录前一个区块的哈希值。
- 时间戳：记录区块被创建的准确时间。
- nonce：用于工作量证明（PoW）挖矿过程。
- 难度：表示挖矿难度。
- coinBase：标识矿工的账户地址。
另外，区块头记录了三个非常重要的根哈希值：
- stateRoot：表示区块链状态树的根哈希值，记录了所有账户的状态信息，如余额、合约代码等。
- receivedRoot：表示收据树的根哈希值，记录了交易执行的结果，例如交易是否成功，交易费用等。
- transactionRoot：表示交易树的根哈希值，其中包含了区块中的所有交易信息。
2. 块体
区块体存储了该区块的所有交易数据，即所有交易哈希的列表。
交易
在以太坊中，交易代表着将资产或消息从一个账户发送到另一个账户的行为。当用户发起交易时，以太坊客户端或钱包软件会构建交易数据。交易数据主要包含以下字段：
- nonce：发送者账户的交易计数器，统计该账户在此区块链上进行的交易总数。
- gasPrice：发送者愿意为每单位 gas 支付的价格。
- gasLimit：发送者愿意在本次交易中消耗的最大 gas 量。
- to：收件人的账户地址。
- 值：要转移的以太币数量。
- 数据：与智能合约相关的字节码。
- v, r, s：由发送者的私钥生成的交易签名。
钱包构造好交易数据后，使用用户私钥对整个交易进行签名，并将签名结果（v，r，s）添加到交易数据中，然后计算整个交易数据（不包括签名）的哈希值。交易哈希是交易数据的唯一标识，保证交易数据的唯一性和不可篡改性。
例如，如果 Alice 想要向 Bob 发送 1 ETH，Alice 的账户地址是 0x123…ABC，Bob 的账户地址是 0x456…DEF。Alice 的账户已经进行了 5 笔交易，因此她下一笔交易的 nonce 是 6。当前的 gas 价格为 20 Gwei，她将 gas 限制设置为 21000（以太坊转账的标准 gas 费）。Alice 没有调用任何合约，因此数据字段为空。
- 随机数：6
- GasPrice: 20000000000 (20 Wei)
- 气体限制：21000
- 至：0x456…DEF
- 价值：1000000000000000000（1 ETH）
- 数据：0x
- v, r, s：[签名数据]
Alice 的钱包会将这些交易数据打包并签名，然后生成交易哈希，并将这笔交易广播到以太坊网络。矿工会确认这笔交易并将其添加到新的区块中。一旦成功，1 个 ETH 就会从 Alice 的账户转移到 Bob 的账户。
交易收据
在以太坊中，一笔交易一旦完成，就会生成一个“交易收据”（也叫交易确认单），交易收据记录了交易执行的基本信息，是该笔交易被纳入区块链的重要证据。
每张交易收据均包含以下信息：
- transactionHash：交易哈希值，唯一标识一笔交易。
- transactionIndex：交易在其区块中的索引位置。
- blockHash：包含交易的区块哈希值。
- blockNumber：包含交易的区块编号。
- from：发起交易的地址。
- to：交易的目标地址。
- cumulativeGasUsed：当前块中累计使用的Gas。
- gasUsed：本次交易使用的Gas。
- contractAddress：若该交易为创建合约，则为合约地址，否则为null。
- logs：交易过程中产生的事件日志。
- logsBloom：用于快速检索事务日志的布隆过滤器。
- status：交易执行状态码，表示成功或者失败。
Merkle Patricia 树
每天有数百万笔交易，如此大量的交易数据是如何存储在以太坊中的呢？这是通过一种称为 Merkle Patricia Tree（MPT）的数据结构实现的，这是一种特殊的 Merkle 树。让我们首先了解基本的 Merkle 树。
- Merkle Tree又称哈希树，是一种以数据块的哈希值作为叶子节点，非叶子节点则为子节点哈希值拼接后的结果的树，保证了数据的完整性。如图所示，节点值的计算方法为：
哈希A = 哈希（数据A）；
哈希B = 哈希（数据B）；
哈希值 E = 哈希值（哈希值 A + 哈希值 B）；
- Patricia Trie ，又称压缩前缀树，可以利用字符串的公共前缀来减少查找时间，通过压缩没有分支的节点来节省空间。
- Merkle Patricia Tree 兼具了 Merkle Tree 和 Patricia Trie 的优点，既能验证数据的完整性，又能快速检索状态信息，非常适合以太坊的数据存储。每个区块包含一棵 Merkle Patricia Tree，用于存储交易数据、收据数据、状态数据和账户数据。
概括
在本节中，我们对以太坊区块链的数据结构有了基本的了解。可以用下图来总结，这是一个高度复杂且巧妙的设计。整个系统可以安全地记录和验证交易，同时保持网络的去中心化特性。
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提醒
以太坊平台发展迅速，不断升级，本文中的数据结构信息可能不再是最新版本，且不同区块链之间的数据结构可能存在差异，因此强烈建议您及时了解最新的区块链技术动态，并参考最新的官方文档以确保准确性。