以太坊 Merkle Patricia Trie 是如何工作的

译文出自：登链翻译计划

译者：aisiji

校对：Tiny熊

介绍

MerklePatriciaTrie是以太坊存储层的关键数据结构之一。我希望了解它到底是如何工作的，于是遍寻资料进行了深入研究，实现了这个算法。

在这篇博文里，我将分享我所学到的东西。解释MerklePatriciaTrie究竟是如何工作的，并展示一个Merkle证明生成和验证的demo。

算法的源代码和本博文中使用的例子都是开源的:https://github

funcTestTransactionRootAndProof(t*testing.T){trie:=NewTrie()txs:=TransactionsJSON(t)fori,tx:=rangetxs{//keyistheencodingoftheindexastheunsignedintegertypekey,err:=rlp.EncodeToBytes(uint(i))require.NoError(t,err)transaction:=FromEthTransaction(tx)//valueistheRLPencodingofatransactionrlp,err:=transaction.GetRLP()require.NoError(t,err)trie.Put(key,rlp。//thetransactionrootforblock10467135//https://api.etherscan.io/api?module=proxy&action;=eth_getBlockByNumber&tag;=0x9fb73f&boolean;=true&apikey;=YourApiKeyTokentransactionRoot,err:=hex.DecodeString("bb345e208bda953c908027a45aa443d6cab6b8d2fd64e83ec52f1008ddeafa58")require.NoError(t,err)t.Run("merkleroothashshouldmatchwith10467135'stransactionRoot",func(t*testing.T){//transactionrootshouldmatchwithblock10467135'stransactionRootrequire.Equal(t,transactionRoot,trie.Hash()。)t.Run("amerkleproofforacertaintransactioncanbeverifiedbytheofficaltrieimplementation",func(t*testing.T){key,err:=rlp.EncodeToBytes(uint(30))require.NoError(t,err)proof,found:=trie.Prove(key)require.Equal(t,true,found)txRLP,err:=VerifyProof(transactionRoot,key,proof)require.NoError(t,err)//verifythatiftheverificationpasses,itreturnstheRLPencodedtransactionrlp,err:=FromEthTransaction(txs).GetRLP()require.NoError(t,err)require.Equal(t,rlp,txRLP。。

动态 | 以太坊网站被大量使用 FairWin合同具有严重风险:据以太坊国际新闻消息，最近几周，Ethereum网站被大量使用，以至于ETH的矿商决定将区块的容量提高25%来允许更多的交易发生。调查显示，一份名为“FairWin”的有问题的智能合同受到了广泛的欢迎，消耗了以太坊所有天然气的50%。区块链游戏工作室Horizo??n Games的研发人员Philippe Castonguay最近在Twitter上写道，FairWin合同具有“严重风险，使所有资金都处于风险中”，然后要求其追随者传播这一知识。[2019/9/29]

上述测试案例通过了，并且表明如果我们将10467135区块的所有193个交易加入到trie中，那么trie的哈希值与该区块中公布的transactionRoot相同。而由我们的trie生成的索引为30的交易的merkle证明，被官方的golangtrie认为是有效的实现。

深入MerklePatriciaTrie-Trie节点

现在，让我们来看看Trie的内部实现。

在内部，trie有4种类型的节点。空节点(EmptyNode)、叶节点(LeafNode)、分支节点(BranchNode)和扩展节点(ExtensionNode)。每个节点将被编码并作为键值对存储在键值存储中。

让我们以主网的区块10593417为例，来说明一个TransactionTrie是如何建立的，以及它是如何存储的。

Block10593417只有4个Roothash交易。0xab41f886be23cd786d8a69a72b0f988ea72e0b2e03970d0798f5e03763a442cc.因此，为了将4个交易存储到一个trie，我们实际上是以十六进制字符串的形式存储以下键值对。

(80,f8ab81a5852e90edd00083012bc294a3bed4e1c75d00fa6f4e5e6922db7261b5e9acd280b844a9059cbb0000000000000000000000008bda8b9823b8490e8cf220dc7b91d97da1c54e250000000000000000000000000000000000000000000000056bc75e2d6310000026a06c89b57113cf7da8aed7911310e03d49be5e40de0bd73af4c9c54726c478691ba056223f039fab98d47c71f84190cf285ce8fc7d9181d6769387e5efd0a970e2e9)(01,f8ab81a6852e90edd00083012bc294a3bed4e1c75d00fa6f4e5e6922db7261b5e9acd280b844a9059cbb0000000000000000000000008bda8b9823b8490e8cf220dc7b91d97da1c54e250000000000000000000000000000000000000000000000056bc75e2d6310000026a0d77c66153a661ecc986611dffda129e14528435ed3fd244c3afb0d434e9fd1c1a05ab202908bf6cbc9f57c595e6ef3229bce80a15cdf67487873e57cc7f5ad7c8a)(02,f86d8229f185199c82cc008252089488e9a2d38e66057e18545ce03b3ae9ce4fc360538702ce7de1537c008025a096e7a1d9683b205f697b4073a3e2f0d0ad42e708f03e899c61ed6a894a7f916aa05da238fbb96d41a4b5ec0338c86cfcb627d0aa8e556f21528e62f31c32f7e672)(03,f86f826b2585199c82cc0083015f9094e955ede0a3dbf651e2891356ecd0509c1edb8d9c8801051fdc4efdc0008025a02190f26e70a82d7f66354a13cda79b6af1aa808db768a787aeb348d425d7d0b3a06a82bd0518bc9b69dc551e20d772a1b06222edfc5d39b6973e4f4dc46ed8b196)

动态 | 以太坊未确认交易35881笔:据Etherscan.io数据显示，以太坊未确认交易35881笔。以太坊全网算力为164.81 TH/s，当前挖矿难度2079.75 TH，交易处理能力9.0 TPS。[2019/6/5]

80是无符号整数0的RLP编码结果的十六进制形式：RLP(uint(0))。01是RLP(uint(1))的结果，以此类推。

密钥80的值是第一个交易的RLP编码的结果。键值01是第二个交易的值，以此类推。

因此，我们将把上述4个键值对添加到trie中，让我们看看添加每一个键值对时，trie的内部结构如何变化。

为了更直观，我将用一些图来解释它的工作原理。你也可以通过在测试案例中添加日志来检查每一步的状态。

EmptyTrie

trie结构只包含一个根字段，指向一个根节点。而节点类型是一个接口，它可以是4种类型的节点之一。

typeTriestruct{rootNode}

当一个trie被创建时，根节点指向一个EmptyNode。

添加第一笔交易

当添加第一个交易的键值对时，一个叶节点(LeafNode)被创建，交易数据存储在其中。根节点被更新以指向该叶节点(LeafNode)。

添加第二笔交易

当添加第2个交易时，根部的叶节点(LeafNode)将变成一个分支节点(BranchNode)，有两个分支指向2个叶节点(LeafNode)。左边的叶节点(LeafNode)持有剩余的nibbles-1，以及第2个交易的值。

而现在根节点正指向新的分支节点(BranchNode)。

添加第三笔交易

添加第3个交易将使左侧的叶节点(LeafNode)变成一个分支节点(BranchNode)，与添加第2个交易的过程类似。虽然根节点没有改变，但它的根哈希值已经改变了，因为它的0分支指向了不同的节点，有不同的哈希值。

添加第四笔交易

添加最后一个交易与添加第三个交易类似。现在我们可以验证根哈希值是否与区块中包含的transactionRoot相同。

获得第三笔交易的默克尔证明

第3笔交易的Merkle证明只是通往存储第3笔交易值的叶节点(LeafNode)的路径。在验证证明时，可以从根哈希值开始，解码Node，匹配nibbles，然后重复，直到找到匹配所有剩余nibbles的Node。如果找到了，那么这个值就是与密钥配对的那个值；如果没有找到，那么Merkle证明就无效了。

更新trie的规则

在上面的例子中，我们已经建立了一个有3种类型节点的trie。空节点、叶节点和分支节点。然而，我们没有机会使用扩展节点(ExtensionNode)。请找到其他使用ExtensionNode的测试案例。

一般来说，该规则是：

当停在一个空节点时，用一个新的叶子节点替换它的剩余路径。

当停在一个叶节点(LeafNode)时，将其转换为一个ExtensionNode并添加一个新的分支和一个新的叶节点(LeafNode)。

当停在一个扩展节点时，将其转换为另一个具有较短路径的扩展节点，并创建一个新的分支节点指向该扩展节点。

有相当多的细节，如果你有兴趣，你可以阅读源代码。

摘要

MerklePatriciaTrie是一个存储键值对的数据结构，就像一个地图。除此之外，它还允许我们验证数据的完整性和键值对的包容性。

本翻译由CellNetwork赞助支持。

来源：https://medium.com/@chiqing/merkle-patricia-tri-explained-ae3ac6a7e123

参考资料

登链翻译计划:https://github.com/lbc-team/Pioneer

aisiji:https://learnblockchain.cn/people/3291

Tiny熊:https://learnblockchain.cn/people/15

代码库:https://github.com/zhangchiqing/merkle-patricia-trie

代码库:https://github.com/zhangchiqing/merkle-patricia-trie

主网10467135区块:https://etherscan.io/block/10467135

transactions.json:https://github.com/zhangchiqing/merkle-patricia-trie/blob/master/transactions.json

10593417:https://etherscan.io/block/10593417

Block10593417:https://etherscan.io/block/10593417

0xab41f886be23cd786d8a69a72b0f988ea72e0b2e03970d0798f5e03763a442cc:https://api.etherscan.io/api?module=proxy&action;=eth_getBlockByNumber&tag;=0xa1a489&boolean;=true&apikey;=YourApiKeyToken

源代码:https://github.com/zhangchiqing/merkle-patricia-trie/blob/master/trie.go#L62

CellNetwork:https://www.cellnetwork.io/?utm_souce=learnblockchain

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