EthereumのブロックチェーンとState Treeのデータ構造について

1. BitcoinとEthereumの違い
ブロックチェーンとデータ構造
ちゃーりー（@charlie_rebirth）
2016年9月

2. ブロックチェーンの構造のこと
Bitcoinのブロックチェーン構造について
Mastering Bitcoinなどでよくまとまっている
(7章「ブロックチェーン」に詳細が解説）
が、Ethereumのブロックチェーンは解説が世の中にあまりない？
それについて話します

3. Bitcoinのブロックチェーン
・ヘッダー部
・トランザクション部
＊ すべての取引情報（お金のやり取り）はブロックチェーンに書いてある。
ブロックチェーンのデータさえあれば残高わかる

4. ブロックの図
HEADER部：ブロックに関するデータ
timestamp
Difficulty:採掘難度
Nonce: PoWの結果の値
Merkle Root: マークルツリーの根（root)の値
Transactions部：取引データ
ex )
Alice to Bob: 1BTC
Bob to Charlie: 0.5 BTC
etc

5. Merkle Root
ブロックの中のトランザクションデータの要約値
＝ 取引が改ざんされていないことを確認するための値

6. マークルツリー（ハッシュ木）

7. マークル・パス
マークルツリーをたどって特定の取引データにたどり着くための必要最小限の
情報

8. マークルパス
途中のノードのハッシュ値だけでたどることができる

9. Bitcoinのおさらい
Merkle Treeが使われる
取引データの整合性の確認ための木構造データ

10. ・通貨を送るだけのシステムではない。
・ユーザーが任意のプログラムを書いてそれを実行させる（万能チューリング・マシン）
・取引データだけでなく、「状態データ」（State)を記憶しないといけない
（全アカウント・コントラクトの情報）
膨大なデータ量！！！
Ethereumは複雑だった

11. Bitcoin

12. Ethereum

15. Ethereum Architecture
参考ページ
Ethereum block architecture
http://ethereum.stackexchange.com/questions/268/ethereum-block-
architecture

16. > eth.getBlock(2040449)
{
difficulty: 57164803413005,
extraData: "0xe4b883e5bda9e7a59ee4bb99e9b1bc",
gasLimit: 4712380,
gasUsed: 252000,
hash: "0x00a75e75a5a70f7a2550718ae56a34904d63c8a28ef293a18611eb8766a58c92",
logsBloom: "",
miner: "0x61c808d82a3ac53231750dadc13c777b59310bd9",
nonce: "0x5f130ae01311795b",
number: 2040449,
parentHash: "0x5ef63a62aa871d58b8f26cd4acda621557806a943f46ed76e401030f79982b2b",
receiptRoot: "0x42dbcf6a2f8716f63d441459a96b54fdc6d70bc44f6641c144f24647c04c3a97",
sha3Uncles: "0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347",
size: 1896,
stateRoot: "0xb4980433b3f53d0dbfffbe833102e0f37296b60081e9e8170975a05a767d7946",
timestamp: 1470749971,
totalDifficulty: 46140009996266484451,
transactions: ["0xf38046731a2268e0558305449f366c49604bccc0c056efda0dac20207cecd802",
"0x8c10abdf63e369d2db09297de90a9d8b2831ad0b796de36be8ef109643e7d6f5",
"0x0a090cc48494aba9ab587e8e0b4d48e632d27578aab333adc37f85b79dbd1684",
"0xaea8cfbae769dd579d274c0ebbf731b182167decf83ac6dd7c0f42f9d7551acf",
"0x0547b8962b4be66a3636be1ad39221d21f4ad630e203ad62b7ac52ef8e5aabaa",

17. ブロックチェーンに記録されているのはトランザクション情報のみ
✕「ブロックチェーンにコントラクトを書き込んであってすべての変数が保存
されている」
正しくは↓
コントラクトそのものや、内部変数、状態変数のデータは
ブロックチェーン上には無い
大丈夫かそれ？

18. 状態データ、アカウントデータ
各ノードでデータを保持してる
Transactionsを元に、各ノード独自でState Treeを計算して生成
State Tree（全アカウント・コントラクトの状態を記録した木構造のデータ）
容量が大きくなるが、ブロックチェーン本体さえあればいつでも再構築でき
るのがポイント（State Treeを改ざんできない）

19. Merkle Patricia Tree
データの整合性(改ざんへの耐性）のためのMerkle Tree
×
データの効率的保持のためのState Tree（Patricia Tree)
↓
融合合体

20. マークルツリー（ハッシュ木）

21. Radix Tree (基数木、トライ：Trie）
・検索が高速
・必要なノード（節）の数が
多い
⇨
深くなるほどデータ容量が
O(N^2）で増える
非効率
※ハッシュ値は長い文
字列なので非効率

22. Patricia Tree(パトリシア木）
通常のトライ木と異なり、
辺には1つの文字だけでなく文字の並びが
ラベルとして付与される。
これは長い文字列の集合や
長い接頭部を共有する文字列の集合などで
効果を発揮する。

23. パトリシア木
・必要なノード（節）の数
が少なくできる。
⇨データ容量を減らせる
・だが、実装は複雑になる

24. Merkle Patricia Trie
● Patricia Treeのように効率よくデータを格納・取り出しができる
● Merkle Treeのようにハッシュ値を元にしたツリー構造で改ざんされてい
ない証明ができる
（ツリーのどこかのデータが変わるとState Root値が変わってしまう）
⇨ State Treeにも暗号学的な改ざんへの耐性がある（PoWに基づく）

25. State tree
● state root から分岐する木構造
● 各ノードはハッシュ値を保持し、子ノードのハッシュ値は親ノードのハッシュ値に影響を与
える
● いずれかのノード内の値を変えると、ハッシュ値が変更⇨親ノードのハッシュ値が変更⇨root
hashが変更される
● root hashが与えられた時、そのハッシュ値と整合性のあるState treeのみが正しい。
⇨ 不正な変更は見つかる

27. Ethereum wiki / Ethereum Development Tutorialより

28. Ethereum Scalability and Decentralization Updates

29. Merkle Patricia tree のノードの種類
1. NULL (空文字) [ null ]
2. key-value型 [ key, value]
3. 配列型 [ v0 ... v15, vt ]
例
＜以下のkey:valueを記録する場合＞
('dog', 'puppy'), ('horse', 'stallion'), ('do', 'verb'), ('doge', 'coin')
key を16進数の値（ASCIIコード）に変換し、配列にする。（その配列は対応するvalueまで辿る経
路を表す）
[ 6, 4, 6, 15, 16 ] : 'verb'
[ 6, 4, 6, 15, 6, 7, 16 ] : 'puppy'
[ 6, 4, 6, 15, 6, 7, 6, 5, 16 ] : 'coin'
Ethereum

30. 基数木（Radix Tree)で値を保存する場合
存在する全経路・分岐でノードを作成する必要が
ある
⇨
分岐（ノード）が多く、深くなればなるだけ記憶
容量をとってしまう。

31. Merkle Patricia Tree
Patricia Tree状になるように計算（key の値はRLPエンコーディングというもので変換
されている）
ROOT: [ '¥x16', A ]
A: [ '', '', '', '', B, '', '', '', C, '', '', '', '', '', '', '', '' ]
B: [ '¥x00¥x6f', D ]
D: [ '', '', '', '', '', '', E, '', '', '', '', '', '', '', '', '', 'verb' ]
E: [ '¥x17', F ]
F: [ '', '', '', '', '', '', G, '', '', '', '', '', '', '', '', '', 'puppy' ]
G: [ '¥x35', 'coin' ]
C: [ '¥x20¥x6f¥x72¥x73¥x65', 'stallion' ]
この時、子ノードへの参照であるA,B,C,D,E,F,Gは
ハッシュ関数 sha3([..... ]) によって算出される。
そのため、値が変わると参照値が変更され、Rootのハッシュ値も変更される。

32. Patricia Treeにvalueを格納する図
必要なノード数が少ない
⇨ 記憶容量の節約

33. 詳細は
Understanding the ethereum trie
https://easythereentropy.wordpress.com/2014/06/04/understanding-the-ethereum-trie/
または
Ethereum wiki のPatricia Treeの項目参照

34. まとめ
● Ethereumでは、ブロックチェーンに全データを保持していなくても、改
ざん不可能なデータ構造を各クライアントに保持させることができる。
● 外部記録を有効に活用することで、ブロックチェーンのサイズの肥大化は
抑えられているみたいだー。