什么是以太坊中的状态树以及它如何有效地存储所有帐户数据？

了解以太坊中的状态特里树

1. 状态特里树是以太坊架构的基本组成部分，充当 Merkle Patricia Trie，存储网络上的所有帐户数据。每个以太坊节点都维护该特里树的副本，确保整个去中心化系统的一致性和可验证性。与传统数据库不同，状态特里树可以对数据完整性进行加密验证，而无需信任第三方。

2. 以太坊上的每个用户帐户和智能合约都有一个映射在状态树中的唯一地址。该映射包括账户余额、随机数、代码哈希（用于合约）和存储根等基本信息。这些值会随着每笔交易或合约的执行而动态更新，使特里树成为一个不断发展的结构。

3. trie 在键值基础上运行，其中键是帐户地址的十六进制表示，值是帐户状态的 RLP 编码序列化。通过广泛使用散列，每次修改都会产生一个新的根散列，它充当当时整个状态的唯一指纹。

4. 状态特里树最强大的方面之一是它生成简洁证明的能力。对于任何给定的帐户，节点可以提供 Merkle 证明来验证帐户的当前状态，而无需泄露整个数据集。此功能支持轻量级客户端，并通过最大限度地减少数据传输来增强可扩展性。

5. 由于以太坊使用世界状态模型而不是像 Bitcoin 这样的 UTXO，因此状态树成为任何时间点谁拥有什么的唯一事实来源。这种设计允许账户和合约之间进行复杂的交互，但随着时间的推移，也会带来与规模和性能相关的挑战。

通过加密散列和结构提高效率

1. 状态特里树的效率来自于其分层树结构与加密哈希的结合。 trie 中的每个节点都由其内容的 Keccak-256 哈希值来标识，这意味着即使很小的更改也会产生完全不同的哈希值，从而保持不变性和可追溯性。

2. 在路径中使用共享前缀减少了冗余——以相似的半字节（半字节）开头的地址共享 trie 中的公共分支。这种前缀压缩最大限度地减少了存储大量地址所需的节点数量，从而提高了查找速度和存储效率。

3. trie 中的中间节点（分支节点、扩展节点和叶节点）在进行散列之前使用递归长度前缀 (RLP) 编码进行编码。这确保了所有以太坊实现的一致序列化，从而实现不同客户端软件之间的互操作性。

4. 当交易修改账户时，仅需要重新计算受影响的叶子节点到根的路径。所有其他分支保持不变，并且它们的哈希值被重用，从而大大减少了状态转换期间的计算开销。

5.这种部分更新机制允许以太坊有效地处理频繁的状态更改，同时维护每个块头中包含的全局可验证状态根。节点可以通过将计算出的根与块中的根进行比较来快速验证提议的块是否反映了合法的状态转换。

在共识和网络验证中的作用

1. 状态特里树根嵌入在每个开采区块的标头中，将完整状态锚定到区块链上。这种包含使任何参与者都能够验证区块报告的状态变化是否与实际交易结果一致。

2. 完整节点在处理事务时从前一个块的状态根开始增量计算状态树。如果最终的根与新块头中的根不匹配，则该块将被拒绝，从而防止恶意操纵帐户余额或合约逻辑。

3. 轻客户端严重依赖状态树的属性以最少的资源进行操作。他们仅下载区块头，并在需要时请求特定帐户的 Merkle 证明，信任加密证据而不是存储 TB 的状态数据。

4. trie 的确定性本质确保相同的交易序列在所有诚实节点上产生相同的状态根，形成对以太坊当前状态达成共识的基础。这消除了歧义，并加强了对由于对有效性的解释不一致而引起的分叉的抵制。

5. 尽管有好处，状态特里树规模的不断扩大也带来了长期的担忧。持续扩展增加了运行全节点的硬件要求，如果不采用状态过期等缓解策略，可能会威胁到去中心化。

常见问题解答

状态 trie 与存储 trie 有何不同？每个以太坊账户都有自己的存储树，其中保存由智能合约写入的变量和数据。相比之下，状态特里树将所有帐户地址映射到其基本属性，包括通过存储根字段指向其各自存储树的指针。

可以修剪状态树以节省空间吗？虽然历史状态数据可以存档，但最新的状态树必须由全节点完整保留以验证新块。一些客户端支持修剪旧的 trie 版本，但当前的活动状态保持完整以保证操作准确性。

为什么状态特里树被认为对于长期可扩展性来说效率低下？随着新帐户的创建和现有帐户的更新，特里树会无限增长，从而导致磁盘使用率和内存压力增加。如果没有删除陈旧或未使用数据的机制，节点运营商将面临随着时间的推移不断增加的资源需求。

如果两个不同的状态产生相同的根哈希会发生什么？由于 Keccak-257 的抗碰撞特性，两个不同状态产生相同根的概率可以忽略不计。这种碰撞将破坏以太坊的安全模型，尽管目前这种类型的实际攻击是不可行的。