什麼是默克爾帕特里夏特里樹？

了解區塊鏈系統中的 Merkle Patricia Trie

1. Merkle Patricia Trie 是一種廣泛用於區塊鍊網絡的基礎數據結構，特別是在以太坊的架構中。它結合了 Merkle 樹和 Patricia 的功能，試圖提供一種有效的、加密安全的方法來存儲和驗證數據。 trie 中的每個節點都可以代表一條信息，例如帳戶狀態、交易詳細信息或智能合約存儲。

2. 其主要優勢之一在於使輕量級客戶端無需下載整個區塊鏈即可驗證特定數據的真實性。通過使用加密哈希，底層數據的每次更改都會生成唯一的根哈希。這允許節點通過僅檢查節點的一小部分（通常稱為 Merkle 證明）來確認區塊中是否存在特定交易或狀態。

3、該結構支持動態插入、刪除、查找操作，開銷相對較低。與需要完整掃描的平面數據庫不同，trie 允許基於路徑的鍵查找，使其能夠高效地處理十六進制編碼的鍵。 trie 的每一層都對應於鍵中的一個字符，這可以實現快速遍歷並通過共享前綴最大限度地減少冗餘。

4. 節點分為不同類型：分支節點、擴展節點、葉子節點。分支節點最多可容納 16 個子引用以及一個可選值，以便於在每個十六進製字符處進行分支。擴展節點和葉節點壓縮不發生分支的路徑，從而減少存儲膨脹並提高訪問速度。所有節點在進行哈希處理之前均使用遞歸長度前綴 (RLP) 編碼進行序列化。

5. Merkle Patricia Trie 的根哈希充當任何給定區塊高度的系統狀態的單一事實來源。單個帳戶餘額或合約存儲項的任何更改都會向上級聯，從而更改根哈希。這確保了篡改證據，並允許共識參與者快速檢測狀態的分佈式副本之間的不一致。

密碼完整性和驗證機制

1. trie 中的每個節點都由其序列化內容的 Keccak-256 哈希值來標識，在父節點和子節點之間形成強大的加密鏈接。這種散列機制確保即使葉節點中的微小修改也會一直傳播到根，從而產生完全不同的根散列。

2.此屬性支持無需信任的驗證：用戶可以僅下載根哈希和沿路徑的幾個同級節點，以確認某個數據屬於數據集。例如，想要檢查帳戶餘額的輕客戶端會收到一個 Merkle 證明，該證明由通向目標葉子的必要內部節點組成。

3. 這些證明是緊湊的，不需要帶寬密集型的完整狀態數據傳輸。它們在去中心化應用程序中尤其有價值，在這些應用程序中，用戶通過資源有限的移動設備或瀏覽器與網絡進行交互。

4. 哈希過程的確定性保證兩個相同的數據集始終會產生相同的根哈希。當礦工和驗證者必須就全局狀態轉換達成一致時，這種一致性在區塊驗證過程中至關重要。

5. 由於哈希值充當地址，因此假設底層哈希函數保持安全，系統本質上可以抵抗衝突攻擊和原像漏洞。這使得 Merkle Patricia Trie 能夠抵禦偽造狀態條目的惡意嘗試。

以太坊生態系統內的應用

1. 以太坊採用 Merkle Patricia Tries 來維護三個主要數據集：世界狀態 trie、交易 trie 和每個區塊的收據 trie。世界狀態樹將以太坊地址映射到帳戶數據，包括餘額、隨機數值和存儲根。

2. 交易 trie 存儲塊中包含的所有交易，並按其位置索引。雖然此 trie 不支持創建後更新，但它仍然受益於 trie 格式提供的有序、可驗證的結構。

3. 收據樹保存每筆交易的執行結果，例如智能合約發出的日誌、狀態代碼和gas使用情況。這些收據對於事件索引和鏈外分析工具至關重要。

4. 智能合約存儲本身是使用每個合約單獨的 Merkle Patricia Trie 來實現的。每個存儲槽都通過 256 位密鑰進行映射，從而允許對大型數據集進行高效的訪問模式和完整性檢查。

5.這些分層的 trie 結構共同確保以太坊執行環境的各個方面都是可審計的、版本化的，並且通過加密承諾來保證安全。狀態回滾、分叉和同步在很大程度上依賴於這些嘗試提供的不變性和可驗證性。

實踐中的優化和挑戰

1. 儘管 Merkle Patricia Trie 有其優點，但由於路徑相關編碼和遞歸散列，它在實現中引入了複雜性。開發人員必須仔細處理半字節序列、前綴壓縮和空節點消除以避免錯誤。

2. 大規模狀態更新期間會出現性能瓶頸，例如涉及數百次存儲更改的複雜智能合約執行所導致的性能瓶頸。每次更新都需要重寫受影響的分支並重新計算直到根的哈希值。

3. 存儲的增長引發了圍繞 Verkle 樹等替代結構的討論，它承諾更短的證明和更好的可擴展性。然而，由於其經過驗證的可靠性和向後兼容性，Merkle Patricia Trie 仍然是以太坊當前設計的核心。

4. 通常採用緩存策略和修剪技術來減輕磁盤 I/O 開銷。許多客戶端實現分層數據庫後端，其中頻繁訪問的節點駐留在內存中，而較舊的節點則存檔。

5. RLP編碼的使用雖然簡單，但缺乏自描述能力並且使與現代序列化格式的互操作性變得複雜。未來的升級可能會考慮在不影響安全性的情況下過渡到更靈活的編碼。

常見問題解答

Merkle Patricia Trie 與標準 Merkle 樹有何不同？與以固定的雙分支層次結構組織數據的二叉 Merkle 樹不同，Merkle Patricia Trie 使用十六進制分支因子（每個節點最多 16 個子節點）並結合了路徑壓縮。這使得它能夠有效地存儲具有共享前綴的鍵值對，同時通過哈希鏈接保持加密完整性。

trie 中如何處理空節點？空節點表示為空值並且對結構沒有貢獻。序列化分支節點時，哈希輸入中會省略空子節點，確保只有現有路徑影響生成的摘要。特殊的佔位符節點（例如空散列）可用於指示不存在而不破壞證明鏈。

Merkle Patricia Trie 可以在以太坊之外使用嗎？是的，該結構適用於任何需要具有加密保證的可驗證鍵值存儲的系統。專注於去中心化身份、供應鏈跟踪或安全審計日誌的項目已經探索了類似的 trie 實現，以實現防篡改的數據管理。