什么是默克尔帕特里夏特里树？

了解区块链系统中的 Merkle Patricia Trie

1. Merkle Patricia Trie 是一种广泛用于区块链网络的基础数据结构，特别是在以太坊的架构中。它结合了 Merkle 树和 Patricia 的功能，试图提供一种有效的、加密安全的方法来存储和验证数据。 trie 中的每个节点都可以代表一条信息，例如帐户状态、交易详细信息或智能合约存储。

2. 其主要优势之一在于使轻量级客户端无需下载整个区块链即可验证特定数据的真实性。通过使用加密哈希，底层数据的每次更改都会生成唯一的根哈希。这允许节点通过仅检查节点的一小部分（通常称为 Merkle 证明）来确认区块中是否存在特定交易或状态。

3、该结构支持动态插入、删除、查找操作，开销相对较低。与需要完整扫描的平面数据库不同，trie 允许基于路径的键查找，使其能够高效地处理十六进制编码的键。 trie 的每一层都对应于键中的一个字符，这可以实现快速遍历并通过共享前缀最大限度地减少冗余。

4. 节点分为不同类型：分支节点、扩展节点、叶子节点。分支节点最多可容纳 16 个子引用以及一个可选值，以便于在每个十六进制字符处进行分支。扩展节点和叶节点压缩不发生分支的路径，从而减少存储膨胀并提高访问速度。所有节点在进行哈希处理之前均使用递归长度前缀 (RLP) 编码进行序列化。

5. Merkle Patricia Trie 的根哈希充当任何给定区块高度的系统状态的单一事实来源。单个帐户余额或合约存储项的任何更改都会向上级联，从而更改根哈希。这确保了篡改证据，并允许共识参与者快速检测状态的分布式副本之间的不一致。

密码完整性和验证机制

1. trie 中的每个节点都由其序列化内容的 Keccak-256 哈希值来标识，在父节点和子节点之间形成强大的加密链接。这种散列机制确保即使叶节点中的微小修改也会一直传播到根，从而产生完全不同的根散列。

2.此属性支持无需信任的验证：用户可以仅下载根哈希和沿路径的几个同级节点，以确认某个数据属于数据集。例如，想要检查帐户余额的轻客户端会收到一个 Merkle 证明，该证明由通向目标叶子的必要内部节点组成。

3. 这些证明是紧凑的，不需要带宽密集型的完整状态数据传输。它们在去中心化应用程序中尤其有价值，在这些应用程序中，用户通过资源有限的移动设备或浏览器与网络进行交互。

4. 哈希过程的确定性保证两个相同的数据集始终会产生相同的根哈希。当矿工和验证者必须就全局状态转换达成一致时，这种一致性在区块验证过程中至关重要。

5. 由于哈希值充当地址，因此假设底层哈希函数保持安全，系统本质上可以抵抗冲突攻击和原像漏洞。这使得 Merkle Patricia Trie 能够抵御伪造状态条目的恶意尝试。

以太坊生态系统内的应用

1. 以太坊采用 Merkle Patricia Tries 来维护三个主要数据集：世界状态 trie、交易 trie 和每个区块的收据 trie。世界状态树将以太坊地址映射到帐户数据，包括余额、随机数值和存储根。

2. 交易 trie 存储块中包含的所有交易，并按其位置索引。虽然此 trie 不支持创建后更新，但它仍然受益于 trie 格式提供的有序、可验证的结构。

3. 收据树保存每笔交易的执行结果，例如智能合约发出的日志、状态代码和gas使用情况。这些收据对于事件索引和链外分析工具至关重要。

4. 智能合约存储本身是使用每个合约单独的 Merkle Patricia Trie 来实现的。每个存储槽都通过 256 位密钥进行映射，从而允许对大型数据集进行高效的访问模式和完整性检查。

5.这些分层的 trie 结构共同确保以太坊执行环境的各个方面都是可审计的、版本化的，并且通过加密承诺来保证安全。状态回滚、分叉和同步在很大程度上依赖于这些尝试提供的不变性和可验证性。

实践中的优化和挑战

1. 尽管 Merkle Patricia Trie 有其优点，但由于路径相关编码和递归散列，它在实现中引入了复杂性。开发人员必须仔细处理半字节序列、前缀压缩和空节点消除以避免错误。

2. 大规模状态更新期间会出现性能瓶颈，例如涉及数百次存储更改的复杂智能合约执行所导致的性能瓶颈。每次更新都需要重写受影响的分支并重新计算直到根的哈希值。

3. 存储的增长引发了围绕 Verkle 树等替代结构的讨论，它承诺更短的证明和更好的可扩展性。然而，由于其经过验证的可靠性和向后兼容性，Merkle Patricia Trie 仍然是以太坊当前设计的核心。

4. 通常采用缓存策略和修剪技术来减轻磁盘 I/O 开销。许多客户端实现分层数据库后端，其中频繁访问的节点驻留在内存中，而较旧的节点则存档。

5. RLP编码的使用虽然简单，但缺乏自描述能力并且使与现代序列化格式的互操作性变得复杂。未来的升级可能会考虑在不影响安全性的情况下过渡到更灵活的编码。

常见问题解答

Merkle Patricia Trie 与标准 Merkle 树有何不同？与以固定的双分支层次结构组织数据的二叉 Merkle 树不同，Merkle Patricia Trie 使用十六进制分支因子（每个节点最多 16 个子节点）并结合了路径压缩。这使得它能够有效地存储具有共享前缀的键值对，同时通过哈希链接保持加密完整性。

trie 中如何处理空节点？空节点表示为空值并且对结构没有贡献。序列化分支节点时，哈希输入中会省略空子节点，确保只有现有路径影响生成的摘要。特殊的占位符节点（例如空散列）可用于指示不存在而不破坏证明链。

Merkle Patricia Trie 可以在以太坊之外使用吗？是的，该结构适用于任何需要具有加密保证的可验证键值存储的系统。专注于去中心化身份、供应链跟踪或安全审计日志的项目已经探索了类似的 trie 实现，以实现防篡改的数据管理。