什麼是以太坊中的狀態樹以及它如何有效地存儲所有帳戶數據？

了解以太坊中的狀態特里樹

1. 狀態特里樹是以太坊架構的基本組成部分，充當 Merkle Patricia Trie，存儲網絡上的所有帳戶數據。每個以太坊節點都維護該特里樹的副本，確保整個去中心化系統的一致性和可驗證性。與傳統數據庫不同，狀態特里樹可以對數據完整性進行加密驗證，而無需信任第三方。

2. 以太坊上的每個用戶帳戶和智能合約都有一個映射在狀態樹中的唯一地址。該映射包括賬戶餘額、隨機數、代碼哈希（用於合約）和存儲根等基本信息。這些值會隨著每筆交易或合約的執行而動態更新，使特里樹成為一個不斷發展的結構。

3. trie 在鍵值基礎上運行，其中鍵是帳戶地址的十六進製表示，值是帳戶狀態的 RLP 編碼序列化。通過廣泛使用散列，每次修改都會產生一個新的根散列，它充噹噹時整個狀態的唯一指紋。

4. 狀態特里樹最強大的方面之一是它生成簡潔證明的能力。對於任何給定的帳戶，節點可以提供 Merkle 證明來驗證帳戶的當前狀態，而無需洩露整個數據集。此功能支持輕量級客戶端，並通過最大限度地減少數據傳輸來增強可擴展性。

5. 由於以太坊使用世界狀態模型而不是像 Bitcoin 這樣的 UTXO，因此狀態樹成為任何時間點誰擁有什麼的唯一事實來源。這種設計允許賬戶和合約之間進行複雜的交互，但隨著時間的推移，也會帶來與規模和性能相關的挑戰。

通過加密散列和結構提高效率

1. 狀態特里樹的效率來自於其分層樹結構與加密哈希的結合。 trie 中的每個節點都由其內容的 Keccak-256 哈希值來標識，這意味著即使很小的更改也會產生完全不同的哈希值，從而保持不變性和可追溯性。

2. 在路徑中使用共享前綴減少了冗餘——以相似的半字節（半字節）開頭的地址共享 trie 中的公共分支。這種前綴壓縮最大限度地減少了存儲大量地址所需的節點數量，從而提高了查找速度和存儲效率。

3. trie 中的中間節點（分支節點、擴展節點和葉節點）在進行散列之前使用遞歸長度前綴 (RLP) 編碼進行編碼。這確保了所有以太坊實現的一致序列化，從而實現不同客戶端軟件之間的互操作性。

4. 當交易修改賬戶時，僅需要重新計算受影響的葉子節點到根的路徑。所有其他分支保持不變，並且它們的哈希值被重用，從而大大減少了狀態轉換期間的計算開銷。

5.這種部分更新機制允許以太坊有效地處理頻繁的狀態更改，同時維護每個塊頭中包含的全局可驗證狀態根。節點可以通過將計算出的根與塊中的根進行比較來快速驗證提議的塊是否反映了合法的狀態轉換。

在共識和網絡驗證中的作用

1. 狀態特里樹根嵌入在每個開採區塊的標頭中，將完整狀態錨定到區塊鏈上。這種包含使任何參與者都能夠驗證區塊報告的狀態變化是否與實際交易結果一致。

2. 完整節點在處理事務時從前一個塊的狀態根開始增量計算狀態樹。如果最終的根與新塊頭中的根不匹配，則該塊將被拒絕，從而防止惡意操縱帳戶餘額或合約邏輯。

3. 輕客戶端嚴重依賴狀態樹的屬性以最少的資源進行操作。他們僅下載區塊頭，並在需要時請求特定帳戶的 Merkle 證明，信任加密證據而不是存儲 TB 的狀態數據。

4. trie 的確定性本質確保相同的交易序列在所有誠實節點上產生相同的狀態根，形成對以太坊當前狀態達成共識的基礎。這消除了歧義，並加強了對由於對有效性的解釋不一致而引起的分叉的抵制。

5. 儘管有好處，狀態特里樹規模的不斷擴大也帶來了長期的擔憂。持續擴展增加了運行全節點的硬件要求，如果不採用狀態過期等緩解策略，可能會威脅到去中心化。

常見問題解答

狀態 trie 與存儲 trie 有何不同？每個以太坊賬戶都有自己的存儲樹，其中保存由智能合約寫入的變量和數據。相比之下，狀態特里樹將所有帳戶地址映射到其基本屬性，包括通過存儲根字段指向其各自存儲樹的指針。

可以修剪狀態樹以節省空間嗎？雖然歷史狀態數據可以存檔，但最新的狀態樹必須由全節點完整保留以驗證新塊。一些客戶端支持修剪舊的 trie 版本，但當前的活動狀態保持完整以保證操作準確性。

為什麼狀態特里樹被認為對於長期可擴展性來說效率低下？隨著新帳戶的創建和現有帳戶的更新，特里樹會無限增長，從而導致磁盤使用率和內存壓力增加。如果沒有刪除陳舊或未使用數據的機制，節點運營商將面臨隨著時間的推移不斷增加的資源需求。

如果兩個不同的狀態產生相同的根哈希會發生什麼？由於 Keccak-257 的抗碰撞特性，兩個不同狀態產生相同根的概率可以忽略不計。這種碰撞將破壞以太坊的安全模型，儘管目前這種類型的實際攻擊是不可行的。