理解Substrate数据存储的底层实现Merkle Patricia Trie

深藏阁楼爱情的钟 2022-08-29 05:43 17阅读 0赞

*  [Merkle Tree介绍][Merkle Tree]
 *  [Merkle Patricia Trie原理][Merkle Patricia Trie]
    
     *  [Trie][]
     *  [MPT][]
     *  [Child Trie][]
     *  [区块裁剪][Link 1]
 *  [总结][Link 2]
 *  [引用][Link 3]
 *  [更多][Link 4]

\[TOC\]

通过本文，你会了解到：

*  区块链应用为什么使用Merkle Tree的数据结构；
 *  Substrate采用的Patricia Merkle Trie的特点和应用。

## Merkle Tree介绍 ##

Merkle Tree是一种数据结构，用来验证计算机之间存储和传输数据的一致性，如果不使用这一数据结构，一致性的验证需要消耗大量的存储和网络资源，如比对计算机之间的所有数据；使用Merkle Tree，只需要比对merkle root（根节点）就可以达到相同的效果。整个过程，简单的描述如下：

*  将数据通过哈希之后放置在叶子节点之中；
 *  将相邻两个数据的哈希值组合在一起，得出一个新的哈希值；
 *  依次类推，直到只有一个节点也就是根节点；
 *  在验证另外的计算机拥有和本机相同的数据时，只需验证其提供的根节点和自己的根节点一致即可。

Merke Tree使用了[加密哈希算法][Link 5]来快速验证数据一致性，常用的加密哈希算法有SHA-256，SHA-3，Blake2等，它们可以做到，

*  相同的输入有相同的输出；
 *  对任意数据可以实现快速计算；
 *  从哈希值无法推断出原信息；
 *  不会碰撞（即不同输入对应相同输出）；
 *  输入即使只有很小的改变，输出也会有极大不同。

![merkle\_tree][merkle_tree]

在区块链应用Bitcoin网络中，存储的数据为转移Bitcoin的交易，如“Alice发送给Bob 5个比特币”，通过使用Merkle Tree，除了上面提到的验证各个节点之间的数据一致性，还可以用来快速验证一个交易是否属于某个区块。轻节点只需要下载很少的数据就可以验证交易的有效性，例如下图所示，用户要验证交易T(D)在某个区块之中，需要依赖的数据仅仅是HC, HAB, HEFGH, 和 merkle root即HABCDEFGH。

![spv][]

## Merkle Patricia Trie原理 ##

### Trie ###

[Patria Trie][]也是一种树形的数据结构，也称为Prefix Tree，Radix Tree，或者简称为`Trie`，最早来源于英文单词 re**trie**ve，可以发音为*try*，常用的使用场景包括：

*  搜索引擎的自动补全功能；
 *  IP路由等。

![trie\_autocomplete][trie_autocomplete]

Trie的特点是，**某节点的key是从根节点到该节点的路径**，即不同的key有相同前缀时，它们共享前缀所对应的路径。这种数据结构，可用于快速查找前缀相同的数据，内存开销较少。如以下数据及对应的trie表示为：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>key</th> 
   <th>value</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>to</td> 
   <td>7</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>tea</td> 
   <td>3</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ted</td> 
   <td>4</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ten</td> 
   <td>12</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>A</td> 
   <td>15</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>i</td> 
   <td>11</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>in</td> 
   <td>5</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>inn</td> 
   <td>9</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![trie\_wiki][trie_wiki]

Substrate使用base-16，即每个节点最多有16个子节点：

![base16\_trie][base16_trie]

### MPT ###

Merkle Patricia Trie（下面简称MPT），在Trie的基础上，给每个节点计算了一个哈希值，在Substrate中，该值通过对节点内容进行Blake2运算取得，用来索引数据库和计算merkle root。也就是说，MPT用到了两种key的类型。

**一种是Trie路径所对应的key，由runtime模块的存储单元决定**。使用Substrate开发的应用链，它所拥有的各个模块的存储单元会通过交易进行修改，成为链上状态（简称为state）。每个存储单元的状态都是通过键值对以trie节点的形式进行索引或者保存的，这里键值对的value是原始数据（如数值、布尔）的SCALE编码结果，并作为MPT节点内容的一部分进行保存；key是模块、存储单元等的哈希组合，且和存储数据类型紧密相关，如：

*  单值类型（即Storage Value），它的key是`Twox128(module_prefix) ++ Twox128(storage_prefix)`；
 *  简单映射类型（即map），可以表示一系列的键值数据，它的存储位置和map中的键相关，即`Twox128(module_prefix) + Twox128(storage_prefix) + hasher(encode(map_key))`；
 *  链接映射类型（即linked\_map），和map类似，key是`Twox128(module_prefix) + Twox128(storage_prefix) + hasher(encode(map_key))`；它的head存储在`Twox128(module) + Twox128("HeadOf" + storage_prefix)`；
 *  双键映射类型（即double\_map），key是`twox128(module_prefix) + twox128(storage_prefix) + hasher1(encode(map_key1)) + hasher2(encode(map_key2))`。

计算key所用到 [Twox128][] 是一种非加密的哈希算法，计算速度非常快，但去除了一些严格的要求，如不会碰撞、很小的输入改变导致极大的输出改变等，从而无法保证安全性，适用于输入固定且数量有限的场景中。`module_prefix`通常是模块的实例名称；`storage_prefix`通常是存储单元的名称；原始的key通过SCALE编码器进行编码，再进行哈希运算，这里的哈希算法是可配置的，如果输入来源不可信如用户输入，则使用Blake2（也是默认的哈希算法），否则可以使用Twox。

**另一种是数据库存储和计算merkle root使用的key**，可以通过对节点内容进行哈希运算得到，在键值数据库（即RocksDB，和LevelDB相比，[RocksDB有更多的性能优化和特性][RocksDB]）中索引相应的trie节点。

Trie节点主要有三类，即叶子节点（Leaf）、有值分支节点（BranchWithValue）和无值分支节点（BranchNoValue）；有一个特例，当trie本身为空的时候存在唯一的空节点（Empty）。根据类型不同，trie节点存储内容有稍许不同，通常会包含header、trie路径的部分key、children节点以及value。下面举一个具体例子。

***Trie路径的key和value如下表所示***：

![trie\_kv\_table][trie_kv_table]

***将上表的数据展示为trie的结构之后得到下图***：

![trie\_visual][trie_visual]

图上所示内容的说明如下：

*  这里使用不同的header值来表示不同的节点类型，即01表示叶子节点，10表示无值的分支节点，11表示有值的分支节点。
 *  为了提高存储和查找的效率，Substrate使用的MPT和基本的trie不同的是，并不是trie path key的每一位都对应一个节点，当key的连续位之间没有分叉时，节点可以直接使用该连续位。对于叶子节点，连续位可以是trie path key的最后几位；对于分支节点，连续位是从当前位开始到出现分叉位结束。
 *  之前提到过，Substrate采用了base-16的trie结构，即一个分支节点最多可以有16个子节点。

***接着，我们来添加每个节点的哈希***：

![trie\_visual\_with\_hash][trie_visual_with_hash]

首先计算出叶子节点的哈希值，它们被上一级的分支节点所引用，用来在数据库中查找对应的节点；然后计算分支节点的哈希值，直至递归抵达根节点，这里用到的哈希算法是Blake2。

*数据库的物理存储大致如下*：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>key</th> 
   <th>value</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Hroot</td> 
   <td>encode(root_node)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>H00</td> 
   <td>encode(node_00)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>H01</td> 
   <td>encode(node_01)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>H02</td> 
   <td>encode(node_02)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>H03</td> 
   <td>encode(node_03)</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>H04</td> 
   <td>encode(node_04)</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

数据库中存储的key是上面所计算的节点哈希；存储的value是节点内容的特定编码，对于节点中保存的值是对应的SCALE编码结果。

RocksDB提供了column的概念，用来存储互相隔离的数据。例如，HEADER column存储着所有的区块头；BODY column存储着所有的区块体，也就是所有的存储单元状态。

### Child Trie ###

Substrate还提供child trie这样的数据结构，它也是一个MPT。Substrate的应用链可以有很多child trie，每个child trie有唯一的标识进行索引，它们可以彼此隔离，提升存储和查询效率。State trie或者main trie的叶子节点可以是child trie的根哈希，来保存对应child trie的状态。Child trie的一个典型应用是Substrate的contracts功能模块，每一个智能合约对应着自己唯一的child trie。

### 区块裁剪 ###

区块的无限增长往往给去中心的节点造成较大的存储消耗，通常只有少数的节点需要提供过往历史数据，大部分节点在能够确保状态最终性之后，可以将不需要的区块数据删除，从而提升节点的性能。Substrate也内置了裁剪的功能，示意图如下：

![pruning][]

在区块13中，只有node-4的值从04变为40，其哈希也跟着改变，而其它节点的数据并没有变化，所以新的区块根节点可以复用原有节点，仅仅更新发生变化的节点。假设区块13已经具有最终性，那么区块12中的node-4就可以删除掉。Substrate默认的区块生成算法是BABE或者Aura，而最终性是通过GRANDPA来决定的，在网络稳定的情况下，仅保留一定数量的最新区块是可行的。

## 总结 ##

本文介绍了区块链应用必不可少Merkle Tree，以及Substrate采用的Patricia Merkle Trie的不同之处。需要说明的是，Substrate还提供了强大的cache功能，来提升读写效率。

## 引用 ##

[Deep Dive - Substrate Storage][]

[Allow updating configuration of changes tries][]

[Trie Data Structure | Insert and search][Trie Data Structure _ Insert and search]

[Wiki Trie][]

[Trying to Understand Tries][]

[Implement Trie (Prefix Tree)][Implement Trie _Prefix Tree]

[Level DB - Quick Cheat Sheet][]

[Understanding the ethereum trie][]

[Diving into Ethereum’s world state][Diving into Ethereum_s world state]

[Merkle Tree & Merkle Root Explained][Merkle Tree _ Merkle Root Explained]

## 更多 ##

Substrate官方文档：[https://substrate.dev/][https_substrate.dev]

Parity介绍：[https://www.parity.io/][https_www.parity.io]

Substrate源码：[https://github.com/paritytech/substrate][https_github.com_paritytech_substrate]

Polkadot源码：[https://github.com/paritytech/polkadot][https_github.com_paritytech_polkadot]

[Merkle Tree]: https://whisperd.tech/post/trie/#merkle-tree%E4%BB%8B%E7%BB%8D
[Merkle Patricia Trie]: https://whisperd.tech/post/trie/#merkle-patricia-trie%E5%8E%9F%E7%90%86
[Trie]: https://whisperd.tech/post/trie/#trie
[MPT]: https://whisperd.tech/post/trie/#mpt
[Child Trie]: https://whisperd.tech/post/trie/#child-trie
[Link 1]: https://whisperd.tech/post/trie/#%E5%8C%BA%E5%9D%97%E8%A3%81%E5%89%AA
[Link 2]: https://whisperd.tech/post/trie/#%E6%80%BB%E7%BB%93
[Link 3]: https://whisperd.tech/post/trie/#%E5%BC%95%E7%94%A8
[Link 4]: https://whisperd.tech/post/trie/#%E6%9B%B4%E5%A4%9A
[Link 5]: https://en.wikipedia.org/wiki/Cryptographic_hash_function
[merkle_tree]: /images/20220829/d69aa2e4c354494d8bd30b62029ca7c0.png
[spv]: /images/20220829/cf6d4385e34341a6beb0f82fbde78426.png
[Patria Trie]: https://en.wikipedia.org/wiki/Radix_tree
[trie_autocomplete]: /images/20220829/ef8bce58849847e9aa6c4ae92501ff91.png
[trie_wiki]: /images/20220829/523a40f1da294701949c974a85a8efc9.png
[base16_trie]: /images/20220829/c6c86171572c4d28b4f687489c8b93c5.png
[Twox128]: https://cyan4973.github.io/xxHash/
[RocksDB]: https://github.com/facebook/rocksdb/wiki/Features-Not-in-LevelDB
[trie_kv_table]: /images/20220829/dc19be6772f44fc39873c706f2ba5f27.png
[trie_visual]: /images/20220829/0ef258c4b99f420ca751b0d862091350.png
[trie_visual_with_hash]: /images/20220829/1e4591eec617466a975f4866cb948674.png
[pruning]: /images/20220829/ef7925562f2842baabccd557cde3c042.png
[Deep Dive - Substrate Storage]: https://www.youtube.com/watch?v=9S8rmW8LD5o&t=3s
[Allow updating configuration of changes tries]: https://github.com/paritytech/substrate/pull/3201
[Trie Data Structure _ Insert and search]: https://www.ideserve.co.in/learn/trie-insert-and-search
[Wiki Trie]: https://en.wikipedia.org/wiki/Trie
[Trying to Understand Tries]: https://medium.com/basecs/trying-to-understand-tries-3ec6bede0014
[Implement Trie _Prefix Tree]: https://leetcode.com/articles/implement-trie-prefix-tree/
[Level DB - Quick Cheat Sheet]: https://www.slideshare.net/aniruddha.chakrabarti/level-db-quick-cheat-sheet
[Understanding the ethereum trie]: https://easythereentropy.wordpress.com/2014/06/04/understanding-the-ethereum-trie/
[Diving into Ethereum_s world state]: https://medium.com/cybermiles/diving-into-ethereums-world-state-c893102030ed
[Merkle Tree _ Merkle Root Explained]: https://www.mycryptopedia.com/merkle-tree-merkle-root-explained/
[https_substrate.dev]: https://substrate.dev/
[https_www.parity.io]: https://www.parity.io/
[https_github.com_paritytech_substrate]: https://github.com/paritytech/substrate
[https_github.com_paritytech_polkadot]: https://github.com/paritytech/polkadot