區塊鏈:科普 | 使用覆蓋層改變以太坊狀態樹的格式_EFI

作者:?GuillaumeBallet

翻譯&校對:?裴奇?&阿劍

來源：以太坊愛好者

賬戶和合約存儲數據的方式是影響以太坊的眾多問題之一。以太坊協議選用了MerklePatriciaTree來組織賬戶及合約數據。盡管這種數據結構在理論上效果很好，但在實際應用中，它帶來的問題卻比它能夠解決的問題多。核心開發者們已經討論多年，想要把這種數據結構換為二叉樹，我將在這篇文章中闡述我對這個問題的看法以及如何實現這種轉變。

我所提議的處理方法包括一段時間的過渡期，在這段時間內，網絡要同時維護兩種樹結構。這樣做的好處是，轉換樹結構的過程不會影響鏈的運行，并且可以確保所有的賬戶都被轉換成了二進制格式。

背景

目前，以太坊的狀態樹是十六叉制的。十六叉制表示每個節點有16個孩子節點。理論上講，這種方式挺好的，因為孩子節點多意味著只需要更少的“層”便可存儲所有數據。

火幣推出《一分鐘讀懂DeFi》系列科普視頻:據官方消息，8月24日，火幣推出《一分鐘讀懂DeFi》系列科普視頻，并與微博財經合作冠名播出，布道DeFi認知，助力行業發展《一分鐘讀懂DeFi》是由火幣成長學院打造的業內首個系統全面講解DeFi的系列科普動畫，繼推出《區塊鏈100問》后的再續佳作。《一分鐘讀懂DeFi》系列動畫對DeFi的發展進行系統梳理，適合想要由淺入深、全面系統了解區塊鏈DeFi的人們輕松了解DeFi。目前視頻已由火幣網官方微博發布。[2020/8/24]

例如，下圖是用十六叉樹表示的鍵值對?(170,v)。十六進制中，170?記作?0xaa，因此你只需要兩層：第一層記錄第一個?a，第二層記錄第二個?a。

現場 | 火幣中國推出數字經濟及區塊鏈產業科普新書:金色財經現場報道，12月6日，由海南省工業和信息化廳主辦，南南合作金融中心協辦，海南生態軟件園、火幣中國承辦的“海南自貿港數字經濟和區塊鏈國際合作論壇”在海口舉行，這是全球首次區塊鏈部長級論壇。

在本次論壇上，火幣中國舉行了“數字經濟及區塊鏈產業科普系列新書發布”儀式，希望通過教材、專業教育、培訓等多種方式，幫助從業者、高校、研究機構深入了解區塊鏈，從而建立起區塊鏈全局性知識模型，真正推動區塊鏈應用落地。火幣中國CEO袁煜明介紹，將聯合機械工業出版社面向普通高等教育推出《區塊鏈導論》、《區塊鏈系統設計與應用》和《區塊鏈新商業模式分析》系列教材，這是國內最早推動的區塊鏈教材之一；火幣中國還積極參與數字經濟的研究，由中信出版社出版的新書《讀懂Libra》已經上市；由火幣中國負責編寫的區塊鏈技術科普讀物《區塊鏈技術進階指南》將于12月面世；首本行業內最全的區塊鏈應用案例集《區塊鏈產業應用100例》在本次論壇進行了首次刊印。[2019/12/6]

-圖1.十六叉樹的例子，展示了值v是如何在在對應鍵0xaa處是存儲的。這棵樹的鍵長度只有2個字節，只有沿著0xaa的子樹被表現出來了。為了簡潔，不相關的子樹替換為“...”-

動態 | 幣安科普MimbleWimble算法:幣安官方推特今日發布隱私算法Mimblewimble的科普貼，在下方留言區大量網友留言猜測是否是基于 Mimblewimble算法的隱私幣Grin或者Beam即將登陸幣安交易所，其中猜測Grin的呼聲更高。[2019/9/2]

可以看出，上圖的樹很矮，而且很寬。給定相同的鍵值對，下圖展示了二叉樹存儲的情形。170?在二叉樹中被表示為?10101010。

-圖2.與圖1相同的鍵值對，存儲在二叉樹中。為了簡潔，不相關的子樹被表示為“...”-

從圖中可見，二叉樹要深得多，也窄得多。

以太坊中，每個區塊包含一個?stateRoot?字段，這是該塊處理完成后表示以太坊全局狀態的MPT的樹根哈希值。總的來說，這個哈希值是對根節點的16個孩子節點的哈希值所組成的列表作哈希運算得到的。這些孩子節點的哈希值又是孩子的16個孩子節點的哈希值所組成的列表做哈希運算得到的，以此類推。

聲音 | ETC Labs主管：科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰:ETCLabs主管Darin Kotalik認為，科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰，人們必須要對區塊鏈有基本的認識，分清楚公鏈和私鏈的區別。[2019/8/25]

每次打包交易生成新區塊時，礦工都會更新賬戶樹，重新計算根哈希。根哈希存儲在新區塊的?stateRoot?字段，然后新區塊被共識。

-圖3.區塊頭中的狀態根字段，指向十六叉樹的樹根-

問題在于：如果要對所有節點做哈希，重新計算根哈希的時間就太長了，因此，為了計算根節點的哈希，礦工將從數據庫中檢索?同層節點的兄弟哈希值。雖然后者花費的時間沒有前者那么多，這個操作還是很耗時。因為每個哈希都必須從數據庫中取出。

聲音 | 火星人朋友圈科普RAM:火星人在朋友圈發文稱，“什么是RAM？簡單來說就是EOS這個國家的土地，所有的經濟行為都離不開土地。只要EOS的BP們能投票形成一個穩定的供給預期，并且不改變目前的Bancor算法，那么RAM后續的價格有可能會像北上廣深的房價走勢。房價下跌不行，房價過快上漲也不行，EOS的生態越來越像某國了，真有意思。”[2018/7/6]

在十六叉樹中，通常每一層你都需要取出15個兄弟哈希值。在上面那個我構造的例子中，就需要30個哈希值。

盡管二叉樹層次更深一點，但在每一層只需要一個兄弟哈希值。在上述例子中，僅僅需要8個哈希值！這就是為什么在實際中二叉樹更優。

覆蓋層轉變方法

不幸的是，轉換為二叉樹并不簡單。需要轉換的數據?太多了，執行轉換花費的時間將多于15秒的區塊生成時間。

除此以外，設想你要翻譯一本5000頁的書，作者還在不停地告訴你他們對故事做了些修改，并且這些修改會影響你已經翻譯過的頁……那這個過程就沒完沒了。轉換狀態樹的格式也是一樣的問題：可能你剛完成某個地址的格式轉換，用戶就使用了該地址，那你又得從頭轉換一遍。

解決這個問題的辦法是增加一個過渡期，過渡期間，在十六叉樹基層上建立一棵覆蓋樹。這棵覆蓋樹是二叉樹格式的，它的作用是保存狀態上發生的所有變化，直到基層十六叉樹完全轉換為二叉樹。轉換分為3步進行。

第1步——轉換

在這種方法下，區塊高度為?

H1?時肯定會有?

兩個?狀態根：一個是“基層”十六叉樹狀態根，一個是“覆蓋層”二叉樹狀態根。

-圖4.轉換過程中，區塊擁有兩個狀態根：一個是傳統十六叉樹的只讀根，一個是覆蓋二叉樹的可讀寫根-

十六叉樹被設置為只讀，因此對狀態的任何更新都將在覆蓋樹上進行。

當一筆交易讀取或者更新一個賬戶時，系統首先會搜索覆蓋樹。如果在覆蓋樹中找不到賬戶，接著將會在舊的十六叉樹中搜索值。

與此同時，十六叉樹在后臺進行轉換。此時不需要擔心值插入的問題，因為所有的改變都會存儲在上層的覆蓋樹中。

第2步——基層樹切換

當后臺轉換過程完成，礦工對外宣告，他們已經準備好用轉換結果來替換只讀的十六進制基層樹根。對狀態的讀寫與步驟1階段是一樣的。

-圖5.轉換的第二個階段，礦工在區塊頭使用轉換所得二叉樹的樹根替換十六叉樹根，向網絡示意他們已經準備好了-

當足夠多的一系列區塊對轉換所得的二叉基層樹根給出了相同的值，意味著大多數礦工都完成了轉換，并且認可轉換后的樹。合并過程則開始。

第3步——合并兩棵樹

合并過程不斷推進：每產生一個新的區塊，就從覆蓋樹上刪除n個鍵，把它們重新插入二叉基層樹。此過程一直持續，直到所有的鍵都從覆蓋樹上移除。到達這步時，區塊頭就不再保留覆蓋狀態樹的樹根。

整個步驟的核心只有一個：如果交易執行時要寫的鍵存在于覆蓋樹上，這個鍵就會從覆蓋樹上刪除，寫操作直接在二叉基層樹上進行。

下一步

為了估計完成轉換所需要的時間，我已經做了一個低轉換率的原型系統。我們確信，整個過程花費的時間不會太離譜，也就是說幾天時間就夠了。我們會隨著算法的改進而公布更多細節。

致謝

此提議得益于AlexeyAkhunov、VitalikButerin、AnnaGeorge、SinaMahmoodi、TomaszStanczak以及MartinH.Swende的寶貴意見。

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

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