以太坊 Merkle Patricia Trie 是如何工作的

解释 Merkle Patricia Trie 究竟是如何工作的，并展示一个 Merkle 证明生成和验证的demo。

Merkle Patricia Trie 是以太坊存储层的关键数据结构之一。我希望了解它到底是如何工作的，于是遍寻资料进行了深入研究，实现了这个算法。

在这篇博文里，我将分享我所学到的东西。解释 Merkle Patricia Trie 究竟是如何工作的，并展示一个 Merkle 证明生成和验证的demo。

算法的源代码和本博文中使用的例子都是开源的:
https://github.com/zhangchiqing/merkle-patricia-trie

好了，我们开始吧。

一个基本的键-值映射

以太坊的 Merkle Patricia Trie 本质上是一种键值映射，它提供以下标准方法。

type Trie interface {
  // methods as a basic key-value mapping
  Get(key []byte) ([]byte, bool) {
  Put(key []byte, value []byte)
  Del(key []byte, value []byte) bool
}

上述 Trie 接口的实现应该通过以下测试案例。

func TestGetPut(t *testing.T) {
	t.Run("should get nothing if key does not exist", func(t *testing.T) {
		trie := NewTrie()
		_, found := trie.Get([]byte("notexist"))
		require.Equal(t, false, found)
	})

	t.Run("should get value if key exist", func(t *testing.T) {
		trie := NewTrie()
		trie.Put([]byte{1, 2, 3, 4}, []byte("hello"))
		val, found := trie.Get([]byte{1, 2, 3, 4})
		require.Equal(t, true, found)
		require.Equal(t, val, []byte("hello"))
	})

	t.Run("should get updated value", func(t *testing.T) {
		trie := NewTrie()
		trie.Put([]byte{1, 2, 3, 4}, []byte("hello"))
		trie.Put([]byte{1, 2, 3, 4}, []byte("world"))
		val, found := trie.Get([]byte{1, 2, 3, 4})
		require.Equal(t, true, found)
		require.Equal(t, val, []byte("world"))
	})
}

(本教程中的测试案例在代码库并已经通过了。)

验证数据的完整性

Merkle patricia trie 与标准映射有什么不同？

Merkle patricia trie 允许我们验证数据的完整性(在本文的其余部分，为了简单起见，我们将称它为trie。)

我们可以用Hash函数计算 trie 的 Merkle root Hash ，如果任何键值对被更新，trie 的Merkle root Hash 就会不同；如果两个 Trie 有相同的键值对，它们应该有相同的 Merkle root Hash。

type Trie interface {
  // compute the merkle root hash for verifying data integrity
  Hash() []byte
}

让我们用一些测试案例来解释这种行为。

// 验证数据的完整性
func TestDataIntegrity(t *testing.T) {
	t.Run("should get a different hash if a new key-value pair was added or updated", func(t *testing.T) {
		trie := NewTrie()
		hash0 := trie.Hash()

		trie.Put([]byte{1, 2, 3, 4}, []byte("hello"))
		hash1 := trie.Hash()

		trie.Put([]byte{1, 2}, []byte("world"))
		hash2 := trie.Hash()

		trie.Put([]byte{1, 2}, []byte("trie"))
		hash3 := trie.Hash()

		require.NotEqual(t, hash0, hash1)
		require.NotEqual(t, hash1, hash2)
		require.NotEqual(t, hash2, hash3)
	})

	t.Run("should get the same hash if two tries have the identicial key-value pairs", func(t *testing.T) {
		trie1 := NewTrie()
		trie1.Put([]byte{1, 2, 3, 4}, []byte("hello"))
		trie1.Put([]byte{1, 2}, []byte("world"))

		trie2 := NewTrie()
		trie2.Put([]byte{1, 2, 3, 4}, []byte("hello"))
		trie2.Put([]byte{1, 2}, []byte("world"))

		require.Equal(t, trie1.Hash(), trie2.Hash())
	})
}

验证是否包含一个键值对

trie 可以验证数据的完整性，但为什么不简单地通过散列整个键值对列表来比较散列，为什么要费力地创建一个 trie 数据结构？

这是因为 trie 还允许我们在不访问整个键值对的情况下验证键值对的包含情况。

这意味着 trie 可以提供一个证明，以证明某个键值对包含在产生某个 merkle 根散列的键值映射中。

type Proof interface {}

type Trie interface {
  // generate a merkle proof for a key-value pair for verifying the inclusion of the key-value pair
  Prove(key []byte) (Proof, bool)
}

// verify the proof for the given key with the given merkle root hash
func VerifyProof(rootHash []byte, key []byte, proof Proof) (value []byte, err error)

这在以太坊中是很有用的。例如，设想以太坊的世界状态是一个键值映射，键是每个账户地址，值是每个账户的余额。

作为一个轻客户端，它不像全节点那样可以访问完整的区块链状态，而只是访问某些区块的 Merkle 根哈希值，它怎么能相信全节点返回的账户余额结果？

答案是，一个完整的节点可以提供一个 merkle 证明，其中包含 merkle 根哈希值、账户密钥及其余额值，以及其他数据。这个 merkle 证明允许轻客户通过自己的方式验证正确性，而不需要访问完整的区块链状态。

让我们用测试案例来解释这种行为。

func TestProveAndVerifyProof(t *testing.T) {
	t.Run("should not generate proof for non-exist key", func(t *testing.T) {
		tr := NewTrie()
		tr.Put([]byte{1, 2, 3}, []byte("hello"))
		tr.Put([]byte{1, 2, 3, 4, 5}, []byte("world"))
		notExistKey := []byte{1, 2, 3, 4}
		_, ok := tr.Prove(notExistKey)
		require.False(t, ok)
	})

	t.Run("should generate a proof for an existing key, the proof can be verified with the merkle root hash", func(t *testing.T) {
		tr := NewTrie()
		tr.Put([]byte{1, 2, 3}, []byte("hello"))
		tr.Put([]byte{1, 2, 3, 4, 5}, []byte("world"))

		key := []byte{1, 2, 3}
		proof, ok := tr.Prove(key)
		require.True(t, ok)

		rootHash := tr.Hash()

		// verify the proof with the root hash, the key in question and its proof
		val, err := VerifyProof(rootHash, key, proof)
		require.NoError(t, err)

		// when the verification has passed, it should return the correct value for the key
		require.Equal(t, []byte("hello"), val)
	})

	t.Run("should fail the verification if the trie was updated", func(t *testing.T) {
		tr := NewTrie()
		tr.Put([]byte{1, 2, 3}, []byte("hello"))
		tr.Put([]byte{1, 2, 3, 4, 5}, []byte("world"))

		// the hash was taken before the trie was updated
		rootHash := tr.Hash()

		// the proof was generated after the trie was updated
		tr.Put([]byte{5, 6, 7}, []byte("trie"))
		key := []byte{1, 2, 3}
		proof, ok := tr.Prove(key)
		require.True(t, ok)

		// should fail the verification since the merkle root hash doesn't match
		_, err := VerifyProof(rootHash, key, proof)
		require.Error(t, err)
	})
}

一个轻量级的客户可以要求得到一个 trie 状态的 merkle root hash，并使用它来验证其账户的余额。如果 trie 被更新了，即使更新的是其他键，验证也会失败。

而现在，轻客户只需要相信 Merkle 根的哈希值，这一小段数据，就可以确定全节点是否为其账户返回了正确的余额。

好吧，但为什么轻客户端要相信 Merkle 根哈希值呢？

由于以太坊的共识机制是工作证明，而世界状态的 merkle 根哈希值包含在每个区块头中，所以计算工作是验证/信任 merkle 根哈希值的证明。

一个小小的 Merkle 根的哈希值可以用来验证一个巨大的键值映射的状态，这非常酷。

我已经解释了 merkle patricia trie 的工作原理。代码库提供了一个简单的实现。但是，怎样才能验证我们的实现呢？

一个简单的方法是用以太坊主网数据和 Trie golang 的官方实现来验证。

以太坊有3个 Merkle Patricia Trie：Transaction Trie 、Receipt Trie 和 State Trie。在每个区块头中，它包括3个 Merkle 根哈希值：transactionRoot, receiptRoot和stateRoot。

由于 transactionRoot 是区块中所有交易的 Merkle 根哈希值，可以通过获取所有交易来验证我们的实现，然后将它们存储在我们的 trie 中，计算其 Merkle 根哈希值，最后与区块头中的 transactionRoot 进行比较。

例如，我挑选了主网10467135区块，并将所有193个交易保存到transactions.json文件中。

由于块10467135的交易根是[0xbb345e208bda953c908027a45aa443d6cab6b8d2fd64e83ec52f1008ddeafa58](https://api.etherscan.io/api?module=proxy&action=eth_getBlockByNumber&tag=0x9fb73f&boolean=true&apikey=YourApiKeyToken)。我可以创建一个测试案例，将10467135区块的193个交易添加到我们的Trie中并进行检查。

• merkle 根哈希值是否为bb345e208bda953c908027a45aa443d6cab6b8d2fd64e83ec52f1008ddeafa58。
• 从我们的 trie 实现中产生的某个交易的 merkle 证明是否能被官方实现所验证。

但交易列表的键和值是什么？键是无符号整数的 RLP 编码，从索引0开始；值是相应交易的 RLP 编码。

好的，让我们看看测试案例:

import (
	"github.com/ethereum/go-ethereum/common"
	"github.com/ethereum/go-ethereum/core/types"
	"github.com/ethereum/go-ethereum/trie"
)
// use the official golang implementation to check if a valid proof from our implementation can be accepted
func VerifyProof(rootHash []byte, key []byte, proof Proof) (value []byte, err error) {
	return trie.VerifyProof(common.BytesToHash(rootHash), key, proof)
}
// load transaction from json
func TransactionJSON(t *testing.T) *types.Transaction {
	jsonFile, err := os.Open("transaction.json")
	defer jsonFile.Close()
	require.NoError(t, err)
	byteValue, err := ioutil.ReadAll(jsonFile)
	require.NoError(t, err)
	var tx types.Transaction
	json.Unmarshal(byteValue, &tx)
	return &tx
}
func TestTransactionRootAndProof(t *testing.T) {
	trie := NewTrie()
	txs := TransactionsJSON(t)
	for i, tx := range txs {
		// key is the encoding of the index as the unsigned integer type
		key, err := rlp.EncodeToBytes(uint(i))
		require.NoError(t, err)
		transaction := FromEthTransaction(tx)
		// value is the RLP encoding of a transaction
		rlp, err := transaction.GetRLP()
		require.NoError(t, err)
		trie.Put(key, rlp)
	}
	// the transaction root for block 10467135
	// https://api.etherscan.io/api?module=proxy&action=eth_getBlockByNumber&tag=0x9fb73f&boolean=true&apikey=YourApiKeyToken
	transactionRoot, err := hex.DecodeString("bb345e208bda953c908027a45aa443d6cab6b8d2fd64e83ec52f1008ddeafa58")
	require.NoError(t, err)
	t.Run("merkle root hash should match with 10467135's transactionRoot", func(t *testing.T) {
		// transaction root should match with block 10467135's transactionRoot
		require.Equal(t, transactionRoot, trie.Hash())
	})
	t.Run("a merkle proof for a certain transaction can be verified by the offical trie implementation", func(t *testing.T) {
		key, err := rlp.EncodeToBytes(uint(30))
		require.NoError(t, err)
		proof, found := trie.Prove(key)
		require.Equal(t, true, found)
		txRLP, err := VerifyProof(transactionRoot, key, proof)
		require.NoError(t, err)
		// verify that if the verification passes, it returns the RLP encoded transaction
		rlp, err := FromEthTransaction(txs[30]).GetRLP()
		require.NoError(t, err)
		require.Equal(t, rlp, txRLP)
	})
}

上述测试案例通过了，并且表明如果我们将10467135区块的所有193个交易加入到 trie 中，那么 trie 的哈希值与该区块中公布的 transactionRoot 相同。而由我们的 trie 生成的索引为30的交易的 merkle 证明，被官方的 golang trie 认为是有效的实现。

深入 Merkle Patricia Trie - Trie 节点

现在，让我们来看看Trie的内部实现。

在内部，trie 有4种类型的节点。空节点(EmptyNode)、叶节点(LeafNode)、分支节点(BranchNode)和扩展节点(ExtensionNode)。每个节点将被编码并作为键值对存储在键值存储中。

让我们以主网的区块10593417为例，来说明一个Transaction Trie是如何建立的，以及它是如何存储的。

Block 10593417只有4个 Root hash 交易。0xab41f886be23cd786d8a69a72b0f988ea72e0b2e03970d0798f5e03763a442cc.因此，为了将4个交易存储到一个 trie ，我们实际上是以十六进制字符串的形式存储以下键值对。

(80, f8ab81a5852e90edd00083012bc294a3bed4e1c75d00fa6f4e5e6922db7261b5e9acd280b844a9059cbb0000000000000000000000008bda8b9823b8490e8cf220dc7b91d97da1c54e250000000000000000000000000000000000000000000000056bc75e2d6310000026a06c89b57113cf7da8aed7911310e03d49be5e40de0bd73af4c9c54726c478691ba056223f039fab98d47c71f84190cf285ce8fc7d9181d6769387e5efd0a970e2e9)
(01, f8ab81a6852e90edd00083012bc294a3bed4e1c75d00fa6f4e5e6922db7261b5e9acd280b844a9059cbb0000000000000000000000008bda8b9823b8490e8cf220dc7b91d97da1c54e250000000000000000000000000000000000000000000000056bc75e2d6310000026a0d77c66153a661ecc986611dffda129e14528435ed3fd244c3afb0d434e9fd1c1a05ab202908bf6cbc9f57c595e6ef3229bce80a15cdf67487873e57cc7f5ad7c8a)
(02, f86d8229f185199c82cc008252089488e9a2d38e66057e18545ce03b3ae9ce4fc360538702ce7de1537c008025a096e7a1d9683b205f697b4073a3e2f0d0ad42e708f03e899c61ed6a894a7f916aa05da238fbb96d41a4b5ec0338c86cfcb627d0aa8e556f21528e62f31c32f7e672)
(03, f86f826b2585199c82cc0083015f9094e955ede0a3dbf651e2891356ecd0509c1edb8d9c8801051fdc4efdc0008025a02190f26e70a82d7f66354a13cda79b6af1aa808db768a787aeb348d425d7d0b3a06a82bd0518bc9b69dc551e20d772a1b06222edfc5d39b6973e4f4dc46ed8b196)

80是无符号整数0的 RLP 编码结果的十六进制形式：RLP(uint(0))。01是RLP(uint(1))的结果，以此类推。

密钥80的值是第一个交易的 RLP 编码的结果。键值01是第二个交易的值，以此类推。

因此，我们将把上述4个键值对添加到trie中，让我们看看添加每一个键值对时，trie的内部结构如何变化。

为了更直观，我将用一些图来解释它的工作原理。你也可以通过在测试案例中添加日志来检查每一步的状态。

Empty Trie

trie 结构只包含一个根字段，指向一个根节点。而节点类型是一个接口，它可以是4种类型的节点之一。

type Trie struct {
	root Node
}

当一个 trie 被创建时，根节点指向一个 EmptyNode。

添加第一笔交易

当添加第一个交易的键值对时，一个叶节点(LeafNode)被创建，交易数据存储在其中。根节点被更新以指向该叶节点(LeafNode)。

添加第二笔交易

当添加第2个交易时，根部的叶节点(LeafNode) 将变成一个分支节点(BranchNode)，有两个分支指向2个叶节点(LeafNode) 。左边的叶节点(LeafNode) 持有剩余的 nibbles（nibbles是一个单一的十六进制字符）-1，以及第2个交易的值。

而现在根节点正指向新的分支节点(BranchNode)。

添加第三笔交易

添加第3个交易将使左侧的叶节点(LeafNode) 变成一个分支节点(BranchNode) ，与添加第2个交易的过程类似。虽然根节点没有改变，但它的根哈希值已经改变了，因为它的0分支指向了不同的节点，有不同的哈希值。

添加第四笔交易

添加最后一个交易与添加第三个交易类似。现在我们可以验证根哈希值是否与区块中包含的 transactionRoot 相同。

获得第三笔交易的默克尔证明

第3笔交易的 Merkle 证明只是通往存储第3笔交易值的叶节点(LeafNode) 的路径。在验证证明时，可以从根哈希值开始，解码 Node，匹配 nibbles ，然后重复，直到找到匹配所有剩余 nibbles 的 Node。如果找到了，那么这个值就是与密钥配对的那个值；如果没有找到，那么 Merkle 证明就无效了。

更新 trie 的规则

在上面的例子中，我们已经建立了一个有3种类型节点的trie。空节点、叶节点和分支节点。然而，我们没有机会使用扩展节点(ExtensionNode) 。请找到其他使用 ExtensionNode 的测试案例。

一般来说，该规则是：

• 当停在一个空节点时，用一个新的叶子节点替换它的剩余路径。
• 当停在一个叶节点(LeafNode) 时，将其转换为一个 ExtensionNode 并添加一个新的分支和一个新的叶节点(LeafNode) 。
• 当停在一个扩展节点时，将其转换为另一个具有较短路径的扩展节点，并创建一个新的分支节点指向该扩展节点。

有相当多的细节，如果你有兴趣，你可以阅读源代码。

Merkle Patricia Trie 是一个存储键值对的数据结构，就像一个地图。除此之外，它还允许我们验证数据的完整性和键值对的包容性。

本翻译由 Cell Network 赞助支持。

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• 分类：以太坊