存儲在增長

區塊鏈節點作為運行在計算機之上系統，需要有地方記錄數據，自然也就需要存儲。

以上是比特幣的磁盤占用隨時間的變化圖（來自bitcoin.com）。可以看到占用空間目前已經到200G，十年200G的數據并不多，但考慮到比特幣的tps只有個位數級別，這個量級的數據已經是相當大的了。

上圖是以太坊的磁盤占用隨時間的變化圖（來自etherscan.io）。目前數據的大小為130多G，雖然沒有比特幣那么大，但是增長迅速。

區塊鏈面臨的最大問題之一是可擴展問題，可能大多數人在看到這個問題的時候都會想到tps，其實，除了tps之外，還有存儲的問題。挖礦節點中由于存儲了所有的歷史交易和區塊，隨著交易的不斷增長，占用的磁盤空間也越來越大，新節點加入到完成同步需要越來越長的時間。而這個問題會因為tps的提高而顯得越來越突出，因為寫入的速度快了，存儲的增長也會對應加快。

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UTXO模型和Account模型

數據模型本身對存儲有較大的影響，與比特幣的UTXO（Unspent Transaction Output）模型不同的是，以太坊采用了Account模型。

什么是UTXO呢？UTXO模型的交易中包含input（輸入）與output（輸出），整個過程有點像我們平時用紙幣購買商品以及找零的過程。比方說，當需要在超市購買價值150元人民幣的商品時，由于沒有50元面值的紙幣，所以給出兩張100元面值的鈔票，這就是兩個input，收銀員找零50元，這其實就是兩個output，一個output是150元給到超市，一個output是50元找零還給買方，為便于理解忽略手續費。UTXO就像錢包的紙幣，一張紙幣就是一個UTXO，不會合并。

產生的output叫做Unspent Transaction Output，用于后續使用，每個output只能使用一次，所以稱為UTXO模型，如下圖所示意（來自http://bitcoin.org）。

相比之下，Account模型的流程更像銀行的轉賬，系統中存著每個賬號對應的余額等關鍵信息（而在UTXO模型中，如果需要知道某賬戶總余額，錢包客戶端需要把屬于這個賬號的所有UTXO累加起來)。

如下圖所示，整個系統中包含一個世界狀態（World State），在處理區塊時（區塊中包含Transaction），世界狀態從一個狀態變到另外一個狀態。

世界狀態中包含所有賬號的信息，每個賬號中的關鍵信息包括nonce、余額balance、storage hash和code hash。其中storage hash可以理解為這個合約存儲的hash，這對于合約賬戶來說很關鍵，因為合約大多涉及存儲讀寫。而code hash則為合約代碼的hash。

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MPT（Merkle Patricia Trie）樹

如上圖，以太坊為代表的賬戶模型中，區塊頭中包含幾個重要信息:

1、tansaction root: 區塊中交易根hash，用于快速驗證交易執行結果是否相同以及證明某個交易的存在。

2、state root: 賬戶狀態（每個賬戶的余額和nonce，合約相關數據等）根hash。

3、receipts root:區塊中合約相關的交易輸出的事件根hash。

MPT全稱Merkle Patricia Trie，是以太坊用來存儲數據的一種數據結構, 它融合了Trie、Patricia Trie、Merkle Tree這3種數據結構的優點，從而實現快速查找并節省存儲空間。

Trie樹，又稱前綴樹或字典樹，是一種用于快速檢索的多叉樹結構，其中的鍵通常是字符串。與二叉查找樹不同，鍵不是直接保存在節點中，而是由節點在樹中的位置決定。一個節點的所有子孫都有相同的前綴，也就是這個節點對應的字符串，而根節點對應空字符串。實際上trie每個節點是一個確定長度的數組，數組中每個節點的值是一個指向子節點的指針，最后有個標志域，標識這個位置為止是否是一個完整的字符串，并且有幾個這樣的字符串。

Trie樹

Patricia樹，或稱Patricia trie，或crit bit tree，壓縮前綴樹，是一種更節省空間的Trie。對于每個節點，如果該節點是唯一的兒子的話，就和父節點合并。

Patricia樹

Merkle Tree，通常也被稱作Hash Tree，顧名思義就是存儲hash值的一棵樹。Merkle樹的葉子是數據塊(例如，文件或者文件的集合)的hash值。非葉節點是其對應子節點串聯字符串的hash。

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MPT樹的結點類型

前面說過MPT樹是Trie、Patricia Trie、Merkle Tree這3種數據結構的結合，它包含4種結點類型：

? 空結點（NULL）

? 分支結點（branch node）：包含16個分支，以及1個value

? 擴展結點（extension node）：只有1個子結點

? 葉子結點（leaf node）：沒有子結點，包含一個value

其中Prefix用于區分擴展節點和葉子節點。

4對key-value的MPT樹

上圖是包含4對key-value（圖中右上角列出）的MPT樹。MPT具有字典書的特征，可以用來高效查找，查找的過程大概如下：key與value均是二進制，在查找時將key的每個字節分為兩半（也就是4bits，nibble），查找時按照nibble為單位進行查找。

以a711355這個key（圖中右上角）為例，從root開始往下查找，由于所有的節點都以a7開始，所以root節點的shared nibble(s)字段包含了a7，這個節點指向一個分支節點（由hash指向而不是指針，這也就是merkle樹特性的體現）。在a711355這個key中，a7之后是1，所以在這個分支節點中找到下標為1的值，這個值指向一個Leaf Node，到這里遍歷完成，value就體現在這個Leaf Node中。

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以太坊中的快速同步

以太坊為了解決節點啟動同步慢的問題，在啟動時可以指定同步的方式（syncmode），選項包括light, fast和full。其中full模式指的是在同步過程中同步全部數據，并依次驗證和執行區塊和交易；light模式只同步區塊頭，具體關心的交易都從全量節點拉取并證明，這種模式適用于輕量錢包客戶端；fast模式除了同步區塊頭之外，也會同步交易以及receipt，與full模式不一樣的是，fast模式并不執行交易。

問題來了，fast模式不執行交易那世界狀態中的數據從哪里來呢？

具體的處理方法為：在快速同步到最新區塊的時候，從別的節點同步世界狀態，由于世界狀態是MPT樹，可以方便地驗證其正確性。當同步完成MPT樹之后，切換到full模式，也即一邊同步之后的區塊，一邊執行交易以更新狀態。

這個方法從一定程度上降低了新節點同步的代價，雖然從網絡同步的數據并沒有減少，但減掉了大部分的執行時間，并且不會產生太多老舊版本的狀態樹（試想每一個區塊的root都是一個不同的樹根）。

到這里我們知道，采用Account模型的系統中，對存儲問題的處理要比UTXO模型更加靈活，因為UTXO中沒有狀態樹，無法用fast模式進行快速同步。甚至Account模型中把老的交易和區塊刪除掉，仍然可以不影響挖礦的過程。

分布式存儲

在Account模型的系統中，使用快速同步之后整個世界狀態樹將不那么大，因為不必要的老的樹節點沒有存下來。事實上也可以通過定期的MPT樹裁剪，使得樹保持相對小。如果是對空間敏感的節點，甚至可以把舊的交易或者區塊刪除掉。但是整個系統中，總需要一些全量的節點保存全量的數據，此時類似于mongodb的分布式存儲就必不可少了。引入分布式存儲的好處在于存儲空間可以動態水平擴展，而且擴展之后對讀寫性能的影響基本可以忽略，這對于數據較大的區塊鏈系統來說，是十分必要的。

總結

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