3. 核心数据结构

3.1. 背景

众所周知，程序=数据结构+算法，了解一个程序的数据结构有助于掌握一个程序的关键设计。本文从背景、功能以及各个字段的用意来剖析XuperChain底层核心数据结构，从而方便XuperChain开发者以及用户更深入地了解XuperChain底层框架的核心数据结构的设计缘由，有助于提高XuperChain开发者更高效的开发，有助于XuperChain用户更好的使用XuperChain来服务自己的业务。

3.2. 核心数据结构

涉及到的核心数据结构包括：区块、交易、UTXO、读写集。

3.2.1. 区块

  • 背景：所谓区块链，简单来说就是不同的区块以DAG方式链接起来形成的链。因此，区块是区块链的基本单元。

  • 功能：区块是区块链的基本单元，通常为了提高区块链网络的吞吐，矿工会在一个区块中打包若干个交易。一个区块通常由区块头以及区块体组成。

../_images/block-img.png

  • 代码：区块的Proto如下
  1. message InternalBlock {
  2.     // block version
  3.     // 区块版本
  4.     int32 version = 1;
  5.     // Random number used to avoid replay attacks
  6.     // 随机数，用来避免重放攻击
  7.     int32 nonce = 2;
  8.     // blockid generate the hash sign of the block used by sha256
  9.     // 区块的唯一标识
  10.     bytes blockid = 3;
  11.     // pre_hash is the parent blockid of the block
  12.     // 区块的前置依赖区块ID
  13.     bytes pre_hash = 4;
  14.     // The miner id
  15.     // 矿工ID
  16.     bytes proposer = 5;
  17.     // 矿工对区块的签名
  18.     // The sign which miner signed: blockid + nonce + timestamp
  19.     bytes sign = 6;
  20.     // The pk of the miner
  21.     // 矿工公钥
  22.     bytes pubkey = 7;
  23.     // The Merkle Tree root
  24.     // 默克尔树树根
  25.     bytes merkle_root = 8;
  26.     // The height of the blockchain
  27.     // 区块所在高度
  28.     int64 height = 9;
  29.     // Timestamp of the block
  30.     // 打包区块的时间戳
  31.     int64 timestamp = 10;
  32.     // Transactions of the block, only txid stored on kv, the detail information
  33.     // stored in another table
  34.     // 交易内容
  35.     repeated Transaction transactions = 11;
  36.     // The transaction count of the block
  37.     // 区块中包含的交易数量
  38.     int32 tx_count = 12;
  39.     // 所有交易hash的merkle tree
  40.     repeated bytes merkle_tree = 13;
  41.     // 采用DPOS共识算法时，当前是第几轮
  42.     int64 curTerm = 16;
  43.     int64 curBlockNum = 17;
  44.     // 区块中执行失败的交易以及对应的失败原因
  45.     map<string, string> failed_txs = 18; // txid -> failed reason
  46.     // 采用POW共识算法时，对应的挖矿难度值
  47.     int32 targetBits = 19;
  48.     // 下面的属性会动态变化
  49.     // If the block is on the trunk
  50.     // 该区块是否在主干上
  51.     bool in_trunk = 14;
  52.     // Next next block which on trunk
  53.     // 当前区块的后继区块ID
  54.     bytes next_hash = 15;
  55. }

3.2.2. 交易

  • 背景：区块链网络中的每个节点都是一个状态机，为了给每个节点传递状态，系统引入了交易，作为区块链网络状态更改的最小操作单元。

  • 功能：通常表现为普通转账以及智能合约调用。

  • 代码：交易的Proto如下

  1. message Transaction {
  2.     // txid is the id of this transaction
  3.     // 交易的唯一标识
  4.     bytes txid = 1;
  5.     // the blockid the transaction belong to
  6.     // 交易被打包在哪个区块中
  7.     bytes blockid = 2;
  8.     // Transaction input list
  9.     // UTXO来源
  10.     repeated TxInput tx_inputs = 3;
  11.     // Transaction output list
  12.     // UTXO去处
  13.     repeated TxOutput tx_outputs = 4;
  14.     // Transaction description or system contract
  15.     // 交易内容描述或系统合约
  16.     bytes desc = 6;
  17.     // Mining rewards
  18.     // 矿工奖励
  19.     bool coinbase = 7;
  20.     // Random number used to avoid replay attacks
  21.     // 随机数
  22.     string nonce = 8;
  23.     // Timestamp to launch the transaction
  24.     // 发起交易的时间戳
  25.     int64 timestamp = 9;
  26.     // tx format version; tx格式版本号
  27.     int32 version = 10;
  28.     // auto generated tx
  29.     // 该交易是否属于系统自动生成的交易
  30.     bool autogen = 11;
  31.     // 读写集中的读集
  32.     repeated TxInputExt tx_inputs_ext = 23;
  33.     // 读写集中的写集
  34.     repeated TxOutputExt tx_outputs_ext = 24;
  35.     // 该交易包含的合约调用请求
  36.     repeated InvokeRequest contract_requests = 25;
  37.     // 权限系统新增字段
  38.     // 交易发起者, 可以是一个Address或者一个Account
  39.     string initiator = 26;
  40.     // 交易发起需要被收集签名的AddressURL集合信息，包括用于utxo转账和用于合约调用
  41.     repeated string auth_require = 27;
  42.     // 交易发起者对交易元数据签名，签名的内容包括auth_require字段
  43.     repeated SignatureInfo initiator_signs = 28;
  44.     // 收集到的签名
  45.     repeated SignatureInfo auth_require_signs = 29;
  46.     // 节点收到tx的时间戳，不参与签名
  47.     int64 received_timestamp = 30;
  48.     // 统一签名(支持多重签名/环签名等，与initiator_signs/auth_require_signs不同时使用)
  49.     XuperSignature xuper_sign = 31;
  50. }

3.2.3. UTXO

  • 背景：区块链中比较常见的两种操作，包括普通转账以及合约调用，这两种操作都涉及到了数据状态的引用以及更新。为了描述普通转账涉及到的数据状态的引用以及更新，引入了UTXO(Unspent Transaction Output)。

  • 功能：一种记账方式，用来描述普通转账时涉及到的数据状态的引用以及更新。通常由转账来源数据(UtxoInput)以及转账去处数据(UtxoOutput)组成。

../_images/tx-img.png

  • 代码：UTXO的Proto如下
  1. message Utxo {
  2.     // 转账数量
  3.     bytes amount = 1;
  4.     // 转给谁
  5.     bytes toAddr = 2;
  6.     // 转给谁的公钥
  7.     bytes toPubkey = 3;
  8.     // 该Utxo属于哪一个交易
  9.     bytes refTxid = 4;
  10.     // 该Utxo数据哪一个交易的哪一个offset
  11.     int32 refOffset = 5;
  12. }
  13. // UtxoInput query info to query utxos
  14. // UTXO的转账来源
  15. message UtxoInput {
  16.     Header header = 1;
  17.     // which bcname to select
  18.     // UTXO来源属于哪一条链
  19.     string bcname = 2;
  20.     // address to select
  21.     // UTXO来源属于哪个address
  22.     string address = 3;
  23.     // publickey of the address
  24.     // UTXO来源对应的公钥
  25.     string publickey = 4;
  26.     // totalNeed refer the total need utxos to select
  27.     // 需要的UTXO总额
  28.     string totalNeed = 5;
  29.     // userSign of input
  30.     // UTXO来源的签名
  31.     bytes userSign = 7;
  32.     // need lock
  33.     // 该UTXO是否需要锁定(内存级别锁定)
  34.     bool needLock = 8;
  35. }
  36. // UtxoOutput query results
  37. // UTXO的转账去处
  38. message UtxoOutput {
  39.     Header header = 1;
  40.     // utxo list
  41.     // UTXO去处
  42.     repeated Utxo utxoList = 2;
  43.     // total selected amount
  44.     // UTXO去处总额
  45.     string totalSelected = 3;
  46. }

3.2.4. 读写集

  • 背景：区块链中比较常见的两种操作，包括普通转账以及合约调用，这两种操作都涉及到了数据状态的引用以及更新。为了描述合约调用涉及到的数据状态的引用以及更新，引入了读写集。

  • 功能：一种用来描述合约调用时涉及到的数据状态的引用以及更新的技术。通常由读集(TxInputExt)以及写集(TxOutputExt)组成。

../_images/xupermodel.png

  • 代码：读写集的Proto如下
  1. // 扩展输入
  2. message TxInputExt {
  3.     // 读集属于哪一个bucket
  4.     string bucket = 1;
  5.     // 读集对应的key
  6.     bytes key = 2;
  7.     // 读集属于哪一个txid
  8.     bytes ref_txid = 3;
  9.     // 读集属于哪一个txid的哪一个offset
  10.     int32 ref_offset = 4;
  11. }
  12. // 扩展输出
  13. message TxOutputExt {
  14.     // 写集属于哪一个bucket
  15.     string bucket = 1;
  16.     // 写集对应的key
  17.     bytes key = 2;
  18.     // 写集对应的value
  19.     bytes value = 3;
  20. }