區(qū)塊鏈“狀態(tài)”是什么意思？為了讓區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行數據將如何存儲在以太坊網絡？

此文我們會深入討論以太坊數據存儲層。我們會介紹區(qū)塊鏈“狀態(tài)”的概念。同時也會討論Patricia前綴樹結構背后的理論，使用谷歌的leveldb數據庫演示以太坊前綴樹的具體實現(xiàn)。

在存儲層中，我們存儲的是什么？

首先我們需要理解為了讓區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行，我們需要存儲的東西。讓我們簡單地看下關于Alice給Bob轉賬10美金的例子。

我們可以看出，通過執(zhí)行轉賬可以改變其中的狀態(tài)。

我們必須要追蹤余額以及不同人（狀態(tài)）的其他細節(jié)，還有在區(qū)塊鏈之間發(fā)生的細節(jié)（轉賬）。不同的平臺會有不同地處理方法。我們可以看出，比特幣和以太坊是如何處理的。

比特幣

比特幣的狀態(tài)是通過UTXO來實現(xiàn)的。比特幣價值轉移是通過轉賬實現(xiàn)的。更特別地是，比特幣用戶可以通過創(chuàng)建轉賬花費1個或多個UTXO，并且將他們的UTXO作為轉賬輸入。

UTXO模型讓比特幣和以太坊不同。我們可以看這些例子來理解其中的區(qū)別。

首先，比特幣UTXO不能部分花費。如果比特幣用戶花費0.5個比特幣（使用他們僅有的UTXO，價值1比特幣），他們需要特意地發(fā)回0.5個比特幣。如果他們不發(fā)送這部分，那么這個0.5比特幣就會丟失，并且給到挖出轉賬的礦工。

其次，在最基本的層面，比特幣沒有包含用戶賬戶余額。通過比特幣，用戶可以簡單地持有私鑰，在任何時間點都可以進行一個或者多個UTXO。數字錢包看起來像是讓比特幣區(qū)塊鏈能夠自動地存儲和管理用戶賬戶余額，其實不是這樣。

比特幣的UTXO系統(tǒng)工作的很好，這是由于數字錢包能夠完成大多數轉賬任務。其中包括，但是不限于：

a） 處理UTXO

b） 存儲秘鑰

c） 設置轉賬費用

d） 提供返回地址

e）描述UTXO狀態(tài)（展示可行性，待轉賬以及全部的余額）

UTXO模型中的轉賬可以類比為紙幣轉賬。每個賬戶都會追蹤錢包添加的賬單（UTXO）。當我們想要花錢的時候，我們會使用一個或者多個賬單（現(xiàn)在的UTXO），這已經足夠來承擔花銷，或許還會得到一些找零。（新的UTXO）。每個賬單只能花費一次，一旦消費，UTXO就會從資金池移走。

總結下來，我們知道：

? 比特幣區(qū)塊鏈不會持有賬戶余額

? 的秘鑰

? 如果包含在轉賬中，完整的UTXO會被消費（有時候，部分會得到新的UTXO作為找零）

以太坊

和以上的信息相反，以太坊的狀態(tài)能夠管理賬戶余額，以及更多信息。以太坊的狀態(tài)并不是個抽象的概念。它是以太坊底層協(xié)議的部分。根據黃皮書中的描述，以太坊是一個基于轉賬的狀態(tài)機器；基于狀態(tài)機器的轉賬技術能夠被創(chuàng)建。

我們從頭開始來講述。和其他區(qū)塊鏈一樣，以太坊區(qū)塊鏈也是從創(chuàng)世區(qū)塊開始的。從那時候起，例如轉賬，合約和挖礦之類的事情，都會陸續(xù)改變以太坊區(qū)塊鏈的狀態(tài)。在以太坊中，舉例來說就是賬戶余額（存儲在狀態(tài)樹中），這會隨著轉賬而改變，同時和賬戶相關連。

重要地是，例如賬戶余額之類的數據并不是直接存儲在以太坊區(qū)塊鏈的區(qū)塊中。只有根節(jié)點哈希的轉賬，狀態(tài)數據和回執(zhí)數據是直接存儲在區(qū)塊鏈上的?？梢愿鶕聢D看出。

也許你也注意到了，從上面的圖表中，存儲樹的根節(jié)點哈希（所有的智能合約數據存儲在其中）其實都是指向狀態(tài)樹的，從而指向區(qū)塊鏈。接下來，我們會討論更多細節(jié)。

以太坊中有兩種不同的數據類型：永久數據和暫時數據。永久數據的例子就是轉賬。一旦轉賬確認，就會在區(qū)塊鏈中記錄；然后就再也不可以更改。暫時數據的例子就是特定以太坊賬戶地址的余額。賬戶的余額就會存儲在狀態(tài)樹中，并且當有特定賬戶轉賬的時候，就會改變。永久數據是有意義的，就好像挖礦轉賬，暫時數據，就例如賬戶余額，應該被分開存儲。以太坊會使用數據樹結構來管理數據。

以太坊的數據記錄就好像在銀行。類似使用ATM機器和存儲卡。銀行會追蹤每個借記卡來確保在在完成轉賬之前，有足夠的余額。

UTXO和賬戶方案之間的對比

UTXO模型的好處：

? 擴容性 – 因為可以同時處理多個UTXO，所以能夠完成同步轉賬并且鼓勵擴容創(chuàng)新。

? 隱私 – 盡管比特幣并是不完全的匿名系統(tǒng)，但是UTXO可以提供更高層次的隱私性，只要用戶使用為每個轉賬提供新的地址。如果有需要提高隱私性，更多復雜的結構，例如環(huán)形結構，也可以考慮使用。

賬戶/余額模式的好處：

? 簡單化- 以太坊使用的模型，可以幫助開發(fā)者來進行復雜的智能合約，特別是需要狀態(tài)信息或者包含多方的。

舉例來說，追蹤狀態(tài)的智能合約，并且基于它處理不同的任務。UTXO的無狀態(tài)模型會讓轉賬包含狀態(tài)信息，而且這也不必要地符合合約的設計。

? 效率- 除了簡單化，賬戶/余額模型更加有效，因為每個轉賬都只需要來驗證發(fā)出金額的賬戶是否有足夠的余額來支付轉賬。

賬戶/余額模型的缺陷是雙花攻擊?？梢栽黾舆f增的隨機數來抵消這種類型的攻擊。在以太坊中，每個賬戶都有空開可見的隨機數，每次進行轉賬的時候，隨機數就會增加。這可以幫助防止同樣的轉賬會進行兩次。（注意，這個隨機數并不是工作量證明中的隨機數，這是個隨機數字）

和大多數計算機架構相同，這兩個模型都有自己的好處和壞處。有些區(qū)塊鏈，例如超級賬本，也應用了UTXO，因為他們從比特幣區(qū)塊鏈中獲得創(chuàng)新。接下來，我們來看看更多的基于這兩個模型的技術。

以太坊中的數據樹結構是什么？

我們來深入看看，狀態(tài)，存儲和轉賬的樹結構是怎樣的。

狀態(tài)前綴樹- 是唯一和獨特的。

在以太坊中，只有唯一的網絡狀態(tài)前綴樹。

這個網絡狀態(tài)前綴樹會實時更新。

網絡狀態(tài)前綴樹包含秘鑰和每個賬戶的價值對，這些是在以太坊網絡上。

秘鑰是單個160字節(jié)的認證器（以太坊賬戶的地址）。

網絡狀態(tài)前綴樹的“數值”是通過對以太坊賬戶以下賬戶細節(jié)的編譯得出的：

-隨機數

-余額

-storageRoot

-codeHash

狀態(tài)前綴樹的根節(jié)點（某個時間點，整個網絡狀態(tài)前綴樹的哈希）是用來保證狀態(tài)前綴樹的安全和唯一；網絡狀態(tài)前綴樹根節(jié)點是基于整個內部網絡狀態(tài)前綴樹數據進行加密。

存儲前綴樹，智能合約數據存儲的地方

存儲前綴樹是智能合約數據存儲的地方。每個以太坊賬戶都有自己的存儲前綴樹。存儲前綴樹根節(jié)點是256字節(jié)的哈希值，作為storageRoot的數值存儲在網絡狀態(tài)前綴樹。

轉賬前綴樹- 每個區(qū)塊都有一個

每個以太坊區(qū)塊都有自己獨立的轉賬前綴樹。一個區(qū)塊會包含很多轉賬。區(qū)塊中的轉賬順序當然是由礦工來決定的。對于轉賬前綴樹中的特殊轉賬路徑，是通過這個轉賬在區(qū)塊中的位置因子。挖礦區(qū)塊不會更新；轉賬在區(qū)塊中的位置不會改變。這意味著一旦你在區(qū)塊轉賬前置樹中定位了轉賬，你可以返回到同樣的路徑來獲得同樣的結果。

分析以太坊數據庫

在以太坊區(qū)塊鏈中，有很多的MPT（Merkle Patricia Tries）（代表每個區(qū)塊）：

? 狀態(tài)前綴樹

? 存儲前綴樹

? 轉賬前綴樹

? 回執(zhí)前綴樹

為了得到某個特定區(qū)塊中的MPT，我們需要獲得它的跟哈希，作為參考。以下的命令可以讓我們獲得狀態(tài)，轉賬和創(chuàng)世區(qū)塊中回執(zhí)的根哈希。

注意：如果你想得到最新區(qū)塊（而不是創(chuàng)世區(qū)塊）的根哈希，請使用以下命令。

安裝npm，節(jié)點，level和ethereumjs

我們會使用nodejs，level和ethereumjs 的結合來檢測leveldb數據庫。以下的命令可以幫助我們準備測試環(huán)境。

cd ~

sudo apt-get update

sudo apt-get upgrade

curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_9.x | sudo -E bash - sudo apt-get install -y nodejs

sudo apt-get install nodejs

npm -v

nodejs -v

npm install levelup leveldown rlp merkle-patricia-tree --save

git clone https://github.com/ethereumjs/ethereumjs-vm.git

cd ethereumjs-vm

npm install ethereumjs-account ethereumjs-util --save

從這時候開始，運行以下代碼會得到以太坊賬戶秘鑰（會存儲在以太坊網絡的狀態(tài)根部）。代碼和以太坊leveldb數據庫連接，進入以太坊的狀態(tài)（從區(qū)塊鏈的區(qū)塊中使用stateRoot數值），并且然后可以使用秘鑰進入到以太坊網絡中的所有賬戶。

//Just imporTIng the requirements

var Trie = require（‘merkle-patricia-tree/secure’）;

var levelup = require（‘levelup’）;

var leveldown = require（‘leveldown’）;

var RLP = require（‘rlp’）;

var assert = require（‘assert’）;

//ConnecTIng to the leveldb database

var db = levelup（leveldown（‘/home/TImothymccallum/gethDataDir/geth/chaindata’））;

//Adding the “stateRoot” value from the block so that we can inspect the state root at that block height.

var root = ‘0x8c77785e3e9171715dd34117b047dffe44575c32ede59bde39fbf5dc074f2976’;

//CreaTIng a trie object of the merkle-patricia-tree library

var trie = new Trie（db， root）;

//Creating a nodejs stream object so that we can access the data

var stream = trie.createReadStream（）

//Turning on the stream （because the node js stream is set to pause by default）

stream.on（‘data’， function （data）{

//printing out the keys of the “state trie”

console.log（data.key）;

}）;

有趣地是，一旦轉賬發(fā)生了，以太坊中的賬戶只是添加到狀態(tài)樹中（和那個特定賬戶相關的）。例如，使用“geth account new”創(chuàng)建新的賬戶不會包含在狀態(tài)樹中包含那個賬戶；甚至在很多區(qū)塊被挖出后。但是，如果成功的轉賬（花費燃料費并且已經包含在挖礦區(qū)塊）是記錄在賬戶中，然后只有它會出現(xiàn)在狀態(tài)樹中。這是很聰明的邏輯，因為會保護欺詐者無法連續(xù)創(chuàng)建新的賬戶以及使得狀態(tài)樹堵塞。

對數據解碼

你已經注意到，查詢leveldb可以回復解碼的結果。這是由于，以太坊使用了自己特定的“修改版的MPT（Merkle Patricia Trie）”，用來和leveldb進行交互。以太坊Wiki提供了設計和部署以太坊MPT（Merkle Patricia Trie）和RLP（Recursive Length Prefix）解碼的信息。簡單地說，以太坊已經在前綴樹數據結構擴展。例如，修改版的MPT（Merkle Patricia Trie）包含一種通過“extension”節(jié)點，來創(chuàng)建快捷方式的方法。

在以太坊中，單個的修改版的MPT（Merkle Patricia Trie）節(jié)點是：

? 空的字節(jié)（對應NULL）

? 包含17個對象的數組（對應分支）

? 包含2個對象的數組（對應樹葉）

? 包含2個對象的數組（對應擴展）

以太坊前綴樹是通過固定的規(guī)則來設計和創(chuàng)建的，最好的檢測方法是使用電腦代碼。接下來的例子使用了ethereumjs。Ethereumjs很容易安裝和使用；它是完美地可以快速對接到以太坊leveldb數據庫。

下面的代碼（當提供一個特定的區(qū)塊stateRoot以及以太坊賬戶地址）會以可讀的形式返回賬戶的正確余額。

//Mozilla Public License 2.0

//As per https://github.com/ethereumjs/ethereumjs-vm/blob/master/LICENSE

//Requires the following packages to run as nodejs file https://gist.github.com/tpmccallum/0e58fc4ba9061a2e634b7a877e60143a

//Getting the requirements

var Trie = require（‘merkle-patricia-tree/secure’）;

var levelup = require（‘levelup’）;

var leveldown = require（‘leveldown’）;

var utils = require（‘ethereumjs-util’）;

var BN = utils.BN;

var Account = require（‘ethereumjs-account’）;

//Connecting to the leveldb database

var db = levelup（leveldown（‘/home/timothymccallum/gethDataDir/geth/chaindata’））;

//Adding the “stateRoot” value from the block so that we can inspect the state root at that block height.

var root = ‘0x9369577baeb7c4e971ebe76f5d5daddba44c2aa42193248245cf686d20a73028’;

//Creating a trie object of the merkle-patricia-tree library

var trie = new Trie（db， root）;

var address = ‘0xccc6b46fa5606826ce8c18fece6f519064e6130b’;

trie.get（address， function （err， raw） {

if （err） return cb（err）

//Using ethereumjs-account to create an instance of an account

var account = new Account（raw）

console.log（‘Account Address： ’ + address）;

//Using ethereumjs-util to decode and present the account balance

console.log（‘Balance： ’ + （new BN（account.balance））.toString（））;

}）

結論

我們已經表現(xiàn)出以太坊有能力來管理狀態(tài)。這種超前的設計有很多好處。

可移動性

假設移動設備和物聯(lián)網設備是很普遍的，未來電商就取決于安全，穩(wěn)定和快速的移動應用。

我們認知到了可移動性的優(yōu)勢，我們也知道區(qū)塊鏈大小的逐漸增加是難以置信的。將整個區(qū)塊鏈存儲在移動設備是不可能的。

快速，并且不會損失安全性

以太坊狀態(tài)的設計以及對于修改版的MPT（Merkle Patricia Trie）的使用，提供了很多機會。以太坊前綴樹上的每個功能都使用了加密哈希。而且，前綴樹根據節(jié)點的特殊加密哈?？梢杂脕碜C明前綴樹沒有被欺詐。

例如，任何對于前綴樹的修改，都會完全改變根部哈希。這個加密功能會為輕客戶端提供一個機會（那些沒有存儲整個區(qū)塊鏈的設備），從而可以快速地訪問區(qū)塊鏈。也就是說，賬戶“0x … 4857”是否有足夠的資金來完成對于區(qū)塊高度“5044866”的轉賬？

速度限制

以太坊描述了個很有趣的問題，就是存儲賬戶的概念。想象這種場景，兩個用戶都可以每天從賬戶中拿出全部余額的1%。這個觀點只在未來規(guī)劃中提到，但是它卻獲得了很多興趣，因為理論上來說，它可以作為以太坊基礎協(xié)議層的一部分（和必須要作為第二層和第三方錢包相反）。也許你想起了我們之前討論的比特幣UTXO。UTXO對于區(qū)塊鏈數據是盲目的，比特幣區(qū)塊鏈沒有存儲用戶的賬戶余額。因此，比特幣的底層協(xié)議層基本上不可能完成任何類型的每日速度限制。

消費者的信心

我們看到了關于輕客戶端的很多開發(fā)，更為特別地是，安全、穩(wěn)定、快速的移動應用，可以和區(qū)塊鏈技術交互。

電子商務的區(qū)塊鏈成功部署，一定會支持速度，安全和可用性。這能夠提高消費者的信心，同時也通過聰明的設計，提供更高的可用性，安全性和性能，進而提高了主流的接受能力。