Was ist ein State Trie in Ethereum und wie speichert er Kontodaten?

Den State Trie in Ethereum verstehen

1. Der State Trie ist ein grundlegender Bestandteil der Ethereum-Architektur und fungiert als kryptografische Datenstruktur, die eine vollständige Aufzeichnung aller Kontozustände in einem bestimmten Block verwaltet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Datenbanken verwendet es einen Merkle Patricia Trie, um Daten zu organisieren und so Unveränderlichkeit und Überprüfbarkeit im gesamten Netzwerk sicherzustellen.

2. Jeder Knoten im Statusversuch stellt ein Schlüssel-Wert-Paar dar, wobei der Schlüssel der Keccak-256-Hash einer Ethereum-Adresse und der Wert die RLP-codierte Serialisierung der Kontodaten ist. Dazu gehören Kontostand, Nonce, Code-Hash (für Vertragskonten) und Speicherstamm.

3. Der Root-Hash des Statusversuchs wird im Header jedes Blocks gespeichert, sodass die Integrität des gesamten Status überprüft werden kann, ohne dass alle Kontodaten heruntergeladen werden müssen. Jede Änderung an einem einzelnen Konto führt zu einem neuen Root-Hash und bietet so einen Manipulationsnachweis.

4. Da der Trie deterministisch und kryptografisch gesichert ist, können Light-Clients Beweise für bestimmte Kontozustände von vollständigen Knoten anfordern und diese unabhängig nur mithilfe des Blockheaders validieren.

Wie Kontodaten strukturiert und gespeichert werden

1. Jedes Ethereum-Konto – ob extern oder vertragsbasiert – wird als Vier-Felder-Struktur dargestellt: Nonce, Balance, StorageRoot und CodeHash. Diese Felder werden mithilfe der RLP-Kodierung (Recursive Length Prefix) serialisiert, bevor sie in den Trie eingefügt werden.

2. Bei externen Konten (EOAs) enthält das Feld codeHash den Hash leerer Daten, da EOAs keinen zugehörigen Code haben. Vertragskonten speichern jedoch in diesem Feld den Hash ihres kompilierten Bytecodes.

3. Der storageRoot verweist auf einen anderen Versuch – den Speicherversuch –, der für dieses Konto spezifisch ist. Dieser sekundäre Versuch enthält den internen Speicher des Vertrags und ordnet 256-Bit-Schlüssel 256-Bit-Werten zu und ermöglicht so einen effizienten Zugriff auf Variablen, die in Smart Contracts gespeichert sind.

4. Wenn eine Transaktion ein Konto ändert – etwa die Übertragung von ETH oder die Aktualisierung einer Vertragsvariablen – wird der entsprechende Knoten im Trie aktualisiert und der Pfad von diesem Knoten zur Wurzel neu berechnet, wodurch eine neue Statuswurzel entsteht.

Merkle-Beweise und staatliche Überprüfung

1. Eines der wirkungsvollsten Merkmale des Staatsgerichtshofs ist seine Unterstützung für Merkle-Beweise. Ein Knoten kann einen minimalen Satz von Geschwisterknoten (einen Beweispfad) bereitstellen, der es einem Verifizierer ermöglicht, zu bestätigen, ob ein bestimmtes Konto existiert und über bestimmte Daten verfügt.

2. Dieser Mechanismus ermöglicht eine dezentrale Verifizierung ohne Vertrauen in Dritte und bildet die Grundlage für vertrauenswürdige Light-Clients und Blockchain-Explorer.

3. Während der Synchronisierung oder Validierung verwenden Ethereum-Knoten diese Beweise, um Kontostände, Vertragscode oder Speichereinträge zu überprüfen, indem sie Zweige des Versuchs bis zum bekannten Root-Hash im Blockheader rekonstruieren.

4. Auch wenn nur ein kleiner Teil des Tries verfügbar ist, stellt die kryptografische Verknüpfung sicher, dass jede Änderung der historischen Daten den Root ungültig machen würde, wodurch Betrug sofort erkennbar wird.

Persistenz- und Effizienzherausforderungen

1. Der Zustandsversuch wächst mit jedem neuen Konto und jeder Zustandsänderung, was zu einem steigenden Speicherbedarf für vollständige Knoten führt. Im Gegensatz zu Transaktionsprotokollen muss der Status für die Verarbeitung neuer Blöcke leicht zugänglich gehalten werden.

2. Um Größe und Leistung zu verwalten, setzt Ethereum Bereinigungsstrategien und Caching-Mechanismen ein. Der gesamte Zustand muss jedoch weiterhin durch Archivknoten gepflegt werden, die historische Zustände über alle Blöcke hinweg speichern.

3. Die Aufblähung staatlicher Daten ist nach wie vor ein großes Problem und führt zu Diskussionen über staatliche Mieten und kurzlebige Speichermodelle, um Anreize für die Datenbereinigung zu schaffen.

4. Trotz Optimierungsbemühungen tragen die Rechenkosten für Trie-Traversal und Hashing während Zustandsaktualisierungen zur Blockverarbeitungslatenz bei, insbesondere bei hoher Netzwerkaktivität.

Häufige Fragen zum State Trie von Ethereum

Was passiert mit dem State Trie während einer Hard Fork? Während einer Hard Fork können sich die Regeln zur Interpretation des Zustands ändern, die zugrunde liegende Trie-Struktur bleibt jedoch erhalten. Knoten aktualisieren ihre Software, um neue Konsensregeln durchzusetzen, und der Staat entwickelt sich unter dem neuen Protokoll weiter. Der Root-Hash spiegelt weiterhin den kanonischen Zustand wider, der jetzt durch eine aktualisierte Logik gesteuert wird.

Können zwei verschiedene Zustände dieselbe Trie-Wurzel erzeugen? Nein. Aufgrund der Eigenschaften des Merkle Patricia Trie und der Verwendung von kryptografischem Hashing erzeugt jeder einzigartige Zustand einen einzigartigen Root-Hash. Jeder Unterschied in den Kontodaten – selbst ein einziges Bit – führt zu einer völlig anderen Wurzel und verhindert so Kollisionen im Normalbetrieb.

Wie wirken sich Smart-Contract-Einsätze auf den Staatsversuch aus? Wenn ein Vertrag bereitgestellt wird, wird ein neues Konto mit einer eindeutigen Adresse erstellt, die aus der Adresse und der Nonce des Erstellers abgeleitet wird. Der Kontoeintrag wird zum Status-Trie hinzugefügt, wobei codeHash auf den Hash des bereitgestellten Bytecodes gesetzt und storageRoot auf einen leeren Trie initialisiert wird.

Wird der Statusversuch auf jedem Knoten gespeichert? Ja, alle vollständigen Knoten verwalten eine Kopie des aktuellen Statusversuchs. Archivknoten gehen noch einen Schritt weiter, indem sie historische Versionen des Versuchs für jeden vergangenen Block beibehalten, während bereinigte Knoten nur den neuesten Status behalten, um Speicherplatz zu sparen.