以太坊:科普 | 使用覆盖层改变以太坊状态树的格式

作者:?GuillaumeBallet

翻译&校对:?裴奇?&阿剑

来源：以太坊爱好者

账户和合约存储数据的方式是影响以太坊的众多问题之一。以太坊协议选用了MerklePatriciaTree来组织账户及合约数据。尽管这种数据结构在理论上效果很好，但在实际应用中，它带来的问题却比它能够解决的问题多。核心开发者们已经讨论多年，想要把这种数据结构换为二叉树，我将在这篇文章中阐述我对这个问题的看法以及如何实现这种转变。

我所提议的处理方法包括一段时间的过渡期，在这段时间内，网络要同时维护两种树结构。这样做的好处是，转换树结构的过程不会影响链的运行，并且可以确保所有的账户都被转换成了二进制格式。

背景

目前，以太坊的状态树是十六叉制的。十六叉制表示每个节点有16个孩子节点。理论上讲，这种方式挺好的，因为孩子节点多意味着只需要更少的“层”便可存储所有数据。

动态 | 链客社区联合北京交通广播推出区块链技术科普节目:12月11日15:15—16:00，区块链技术社区——链客区块链技术社区将联合北京交通广播FM103.9从零开始为大众科普解码区块链技术，蜻蜓FM及北京广播网同期进行全球直播。首期做客嘉宾为链客区块链技术社区创始人郄建军和百度区块链产品负责人于雅楠。[2019/12/11]

例如，下图是用十六叉树表示的键值对?(170,v)。十六进制中，170?记作?0xaa，因此你只需要两层：第一层记录第一个?a，第二层记录第二个?a。

-图1.十六叉树的例子，展示了值v是如何在在对应键0xaa处是存储的。这棵树的键长度只有2个字节，只有沿着0xaa的子树被表现出来了。为了简洁，不相关的子树替换为“...”-

声音 | 浪潮集团云南分公司总经理：云南区块链产业发展需从“科普”到“专精”不断深化:据昆明日报消息，浪潮集团云南分公司总经理郑昕表示，云南区块链产业发展需从“科普”到“专精”不断深化。下一步，浪潮将继续加大云南农业产业高质量发展体系建设力度，重点以普洱茶等云南优势产业为切入点，打造云南“绿色、有机农产品高地”的品牌形象，并在此基础上，开展基于区块链的供应链金融服务，解决中小企业贷款难、贷款贵问题。[2019/11/11]

可以看出，上图的树很矮，而且很宽。给定相同的键值对，下图展示了二叉树存储的情形。170?在二叉树中被表示为?10101010。

动态 | 浙江卫视节目科普支付宝区块链防伪溯源产品:昨日，在浙江卫视播出的科普综艺栏目《智造将来》现场，支付宝首次展示了支付宝区块链防伪溯源产品，以接地气的方式公开向大众展示区块链在生活中的应用。[2019/3/4]

-图2.与图1相同的键值对，存储在二叉树中。为了简洁，不相关的子树被表示为“...”-

从图中可见，二叉树要深得多，也窄得多。

以太坊中，每个区块包含一个?stateRoot?字段，这是该块处理完成后表示以太坊全局状态的MPT的树根哈希值。总的来说，这个哈希值是对根节点的16个孩子节点的哈希值所组成的列表作哈希运算得到的。这些孩子节点的哈希值又是孩子的16个孩子节点的哈希值所组成的列表做哈希运算得到的，以此类推。

每次打包交易生成新区块时，矿工都会更新账户树，重新计算根哈希。根哈希存储在新区块的?stateRoot?字段，然后新区块被共识。

声音 | 火星人朋友圈科普RAM:火星人在朋友圈发文称，“什么是RAM？简单来说就是EOS这个国家的土地，所有的经济行为都离不开土地。只要EOS的BP们能投票形成一个稳定的供给预期，并且不改变目前的Bancor算法，那么RAM后续的价格有可能会像北上广深的房价走势。房价下跌不行，房价过快上涨也不行，EOS的生态越来越像某国了，真有意思。”[2018/7/6]

-图3.区块头中的状态根字段，指向十六叉树的树根-

问题在于：如果要对所有节点做哈希，重新计算根哈希的时间就太长了，因此，为了计算根节点的哈希，矿工将从数据库中检索?同层节点的兄弟哈希值。虽然后者花费的时间没有前者那么多，这个操作还是很耗时。因为每个哈希都必须从数据库中取出。

在十六叉树中，通常每一层你都需要取出15个兄弟哈希值。在上面那个我构造的例子中，就需要30个哈希值。

尽管二叉树层次更深一点，但在每一层只需要一个兄弟哈希值。在上述例子中，仅仅需要8个哈希值！这就是为什么在实际中二叉树更优。

财政部副部长朱光耀：数字经济还处在发展的过程中，要以科普、推动的态度来推进数字经济发展:今日，在中国发展高层论坛2018年会上，财政部副部长朱光耀表示：“数字经济还处在发展的过程中，要以科普、推动的态度来推进数字经济发展。也要关注数字经济的其他影响，包括税收征管、反监管措施等要跟上。”[2018/3/25]

覆盖层转变方法

不幸的是，转换为二叉树并不简单。需要转换的数据?太多了，执行转换花费的时间将多于15秒的区块生成时间。

除此以外，设想你要翻译一本5000页的书，作者还在不停地告诉你他们对故事做了些修改，并且这些修改会影响你已经翻译过的页……那这个过程就没完没了。转换状态树的格式也是一样的问题：可能你刚完成某个地址的格式转换，用户就使用了该地址，那你又得从头转换一遍。

解决这个问题的办法是增加一个过渡期，过渡期间，在十六叉树基层上建立一棵覆盖树。这棵覆盖树是二叉树格式的，它的作用是保存状态上发生的所有变化，直到基层十六叉树完全转换为二叉树。转换分为3步进行。

第1步——转换

在这种方法下，区块高度为?

H1?时肯定会有?

两个?状态根：一个是“基层”十六叉树状态根，一个是“覆盖层”二叉树状态根。

-图4.转换过程中，区块拥有两个状态根：一个是传统十六叉树的只读根，一个是覆盖二叉树的可读写根-

十六叉树被设置为只读，因此对状态的任何更新都将在覆盖树上进行。

当一笔交易读取或者更新一个账户时，系统首先会搜索覆盖树。如果在覆盖树中找不到账户，接着将会在旧的十六叉树中搜索值。

与此同时，十六叉树在后台进行转换。此时不需要担心值插入的问题，因为所有的改变都会存储在上层的覆盖树中。

第2步——基层树切换

当后台转换过程完成，矿工对外宣告，他们已经准备好用转换结果来替换只读的十六进制基层树根。对状态的读写与步骤1阶段是一样的。

-图5.转换的第二个阶段，矿工在区块头使用转换所得二叉树的树根替换十六叉树根，向网络示意他们已经准备好了-

当足够多的一系列区块对转换所得的二叉基层树根给出了相同的值，意味着大多数矿工都完成了转换，并且认可转换后的树。合并过程则开始。

第3步——合并两棵树

合并过程不断推进：每产生一个新的区块，就从覆盖树上删除n个键，把它们重新插入二叉基层树。此过程一直持续，直到所有的键都从覆盖树上移除。到达这步时，区块头就不再保留覆盖状态树的树根。

整个步骤的核心只有一个：如果交易执行时要写的键存在于覆盖树上，这个键就会从覆盖树上删除，写操作直接在二叉基层树上进行。

下一步

为了估计完成转换所需要的时间，我已经做了一个低转换率的原型系统。我们确信，整个过程花费的时间不会太离谱，也就是说几天时间就够了。我们会随着算法的改进而公布更多细节。

致谢

此提议得益于AlexeyAkhunov、VitalikButerin、AnnaGeorge、SinaMahmoodi、TomaszStanczak以及MartinH.Swende的宝贵意见。

原文链接:https://medium.com/@gballet/ethereum-state-tree-format-change-using-an-overlay-e0862d1bf201

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