以太坊区块-Block

以太坊可以视为一个数据库，数据库数据的变更由交易催化。为了有效、有序管理交易，必须将一笔或多笔交易组成一个数据块，才能提交到数据库中。这个数据块即区块(Block)。一个区块不但包含了多笔交易，还记录一些额外数据，以便正确提交到数据库中。

下图是以太坊区块数据结构与关系，讲解区块数据结构时不得不将其他数据一并呈现，只有掌握区块中各项数据来源才能真正了解区块链数据。

区块分为两部分：区块头(Header)和区块体(Body)。区块头信息量非常丰富，不但和上一个单元建立联系还记录了一些交易执行情况信息和矿工工作信息。在上图中涉及一个非常重要的概念 Trie，全名是默克尔压缩前缀树，这需要独立讲解。

区块头数据解释

各个字段数据如下：

parentHash

是一个哈希值，记录此区块直接引用的父区块哈希值。通过此记录，才能完整的将区块有序组织，形成一条区块链。并且可以防止父区块内容被修改，因为数据修改，区块哈希必然发生变化，因此一个区块直接或间接的强化了所有父辈区块，通过加密算法保证历史区块不可能被修改。

sha3Uncles

是一个哈希值，表示区块引用的多个叔辈区块。在区块体中也包含了多个叔辈的区块头信息，而sha3Uncles则是叔块集的 RLPHASH 哈希值。在比特币中只有成功挖出区块并被其他节点接受时才能获得奖励，是所有矿工在争取记账权和连带的奖励。而以太坊稍有不同，不能成为主链一部分的孤儿区块，如果有幸被后来的区块收留进区块链就变成了叔块。收留了孤块的区块有额外的奖励。孤块一旦成为叔块，该区块统一可获得奖励。通过叔块奖励机制，来降低以太坊软分叉和平衡网速慢的矿工利益。

miner

是一个地址，表示区块是此账户的矿工挖出，挖矿奖励将下发到此账户。

stateRoot

是一个哈希值，表示执行完此区块中的所有交易后以太坊状态快照ID。因为以太坊描述为一个状态机系统，因此快照ID称之为状态哈希值。又因为状态哈希是由所有账户状态按默克尔前缀树算法生成，因此称为状态默克尔树根值。

transactionsRoot

是一个哈希值，表示该区块中所有交易生成一颗默克尔树根节点哈希值。是一个密码学保证交易集合摘要。通过此Root可以直接校验某交易是否包含在此区块中。

receiptRoot

是一个哈希值，同样是默克尔树根节点哈希值。由区块交易在执行完成后生成的交易回执信息集合生成。

logsBloom

是一个256长度Byte数组。提取自receipt，用于快速定位查找交易回执中的智能合约事件信息。

difficulty

是 big.Int 值，表示此区块能被挖出的难度系数。

number

是 big.Int 值，表示此区块高度。用于对区块标注序号，在一条区块链上，区块高度必须是连续递增。

gasLimit

是 uint64 值，表示此区块所允许消耗的Gas燃料量。此数值根据父区块进行动态调整，调整的目的是调整区块所能包含的交易数量。

gasUsed

是 uint64 值，表示此区块所有交易执行所实际消耗的Gas燃料量。

timestamp

是 uint64 值，表示此区块创建的UTC时间戳，单位秒。因为以太坊平均14.5s出一个区块(白皮书中研究是 12秒)，因此区块时间戳可以充当时间戳服务，但不能完全信任。

extraData

是一个长度不固定的Byte数组，最长32位。完全由矿工自定义，矿工一般会写一些公开推广类内容或者作为投票使用。

mixHash

是一个哈希值。用于校验区块是否正确挖出。实际上是区块头数据不包含nonce时的一个哈希值。

nonce

是一个8长度的Byte，实际是一个 uint64 值。用于校验区块是否正确挖出，mixHash 只有用一个正确的 nonce 才能进行PoW工作量证明。

区块体数据解释

区块体 Body 中只有两项数据：交易集合和叔辈区块头集合。是交易促使以太坊世界态进行转变。

从创世状态开始，每一个区块中的交易执行促使了以太坊世界态的转变。下一个状态是在上一个状态中执行交易或其他操作使得状态由A状态转变为B状态。

而交易则为状态转变的催化酶，一个区块中的所有交易执行完成后，将使得以太坊进入一个新的状态。状态转变过程中记录了一些起始变量和结果数据，分别是交易默克尔哈希值transactionsRoot、交易回执默克尔哈希值 receiptRoot、事件布隆值logsBloom、新状态的默克尔哈希值stateRoot。

其他概念

有三个重要概念尚未解释，是因为篇幅有限，后续将逐一讲解。

1. MPT：默克尔压缩前缀树， Merkle Patricia Tree，是一种经过改良的、融合了默克尔树和前缀树两种树结构优点的数据结构，是以太坊中用来组织管理账户数据、生成交易集合哈希的重要数据结构。
2. Receipt，是方便对交易进行零知识证明、索引和搜索，将交易执行过程中的一些特定信息编码为交易收据。
3. 工作量证明，以太坊设计的的ETHHASH。

关键代码

下面是以太坊代码中定义的区块头和区块体结构定义代码，所有核心代码均在core/types/block.go文件中：

//core/types/block.go:70
type Header struct {
   ParentHash  common.Hash    `json:"parentHash"       gencodec:"required"`
   UncleHash   common.Hash    `json:"sha3Uncles"       gencodec:"required"`
   Coinbase    common.Address `json:"miner"            gencodec:"required"`
   Root        common.Hash    `json:"stateRoot"        gencodec:"required"`
   TxHash      common.Hash    `json:"transactionsRoot" gencodec:"required"`
   ReceiptHash common.Hash    `json:"receiptsRoot"     gencodec:"required"`
   Bloom       Bloom          `json:"logsBloom"        gencodec:"required"`
   Difficulty  *big.Int       `json:"difficulty"       gencodec:"required"`
   Number      *big.Int       `json:"number"           gencodec:"required"`
   GasLimit    uint64         `json:"gasLimit"         gencodec:"required"`
   GasUsed     uint64         `json:"gasUsed"          gencodec:"required"`
   Time        uint64         `json:"timestamp"        gencodec:"required"`
   Extra       []byte         `json:"extraData"        gencodec:"required"`
   MixDigest   common.Hash    `json:"mixHash"`
   Nonce       BlockNonce     `json:"nonce"`
}
type Body struct {
	Transactions []*Transaction
	Uncles       []*Header
}

创建一个区块需要调用函数 NewBlock：

func NewBlock(header *Header, txs []*Transaction, uncles []*Header, receipts []*Receipt) *Block {
   b := &Block{header: CopyHeader(header), td: new(big.Int)}

   // TODO: panic if len(txs) != len(receipts)
   if len(txs) == 0 {
      b.header.TxHash = EmptyRootHash
   } else {
      b.header.TxHash = DeriveSha(Transactions(txs))
      b.transactions = make(Transactions, len(txs))
      copy(b.transactions, txs)
   }

   if len(receipts) == 0 {
      b.header.ReceiptHash = EmptyRootHash
   } else {
      b.header.ReceiptHash = DeriveSha(Receipts(receipts))
      b.header.Bloom = CreateBloom(receipts)
   }

   if len(uncles) == 0 {
      b.header.UncleHash = EmptyUncleHash
   } else {
      b.header.UncleHash = CalcUncleHash(uncles)
      b.uncles = make([]*Header, len(uncles))
      for i := range uncles {
         b.uncles[i] = CopyHeader(uncles[i])
      }
   }

   return b
}