以太坊的记忆藏在哪里？深度解析以太坊状态的存储之谜

以太坊，作为全球领先的智能合约平台，不仅仅是一个交易网络，更是一个庞大的、去中心化的“世界计算机”，这个世界计算机能够持续运行、记忆状态并执行复杂逻辑，其核心在于“状态”（State）的概念，这个支撑着整个以太坊生态运转的“状态”，究竟存在于何处？它并非虚无缥缈，而是有明确的物理（或者说，分布式网络）载体,本文将深入探讨以太坊状态的存储位置。

什么是以太坊的“状态”？

在探讨存储位置之前，我们首先要明确什么是以太坊的状态，以太坊的状态是在特定时间点，以太坊区块链上所有账户信息（账户余额、nonce、代码存储等）和合约存储数据的总和，它就像是一个巨大的分布式数据库，记录了这个世界计算机在每一刻的“快照”。

状态主要包括两大类：

1. 外部账户（EOA, Externally Owned Account）状态：也就是我们通常说的用户账户，包括地址、余额、nonce（交易计数器）等。
2. 合约账户（Contract Account）状态：智能合约账户的状态更为复杂，除了类似EOA的地址、nonce外，还包括：
   • 代码（Code）：智能合约的Solidity字节码。
   • 存储（Storage）：合约变量持久化存储的数据，例如uint256、string、mapping等类型的数据。

以太坊状态的核心存储：Merkle Patricia Trie（默克尔帕特里夏树）

以太坊的状态并非简单地以键值对形式散落在网络中，而是通过一种精巧的、被称为Merkle Patricia Trie（MPT，默克尔帕特里夏树）的数据结构进行组织和存储，这种结构对于以太坊的安全性、效率和数据完整性至关重要。

• 状态树（State Trie）：这是顶层的数据结构，它以账户地址为键，以账户状态（包括余额、nonce、根哈希、代码哈希）的RLP编码为值，构成一个MPT，整个以太坊的状态就根植于这棵状态树的根哈希（State Root）中，这个状态根哈希会被打包进每一个区块头中,作为验证状态完整性的关键依据。

  

• 存储树（Storage Trie）：对于每一个智能合约账户，其“存储”部分（即合约变量数据）也会单独构建一棵MPT，称为存储树，这棵树的根哈希（Storage Root）会作为该合约账户状态的一个字段，存储在状态树中，这意味着每个合约都有自己独立的存储空间,通过各自的存储树来管理。

  

• 交易树（Transactions Trie）和收据树（Receipts Trie）：除了状态树，区块中还包含交易树和收据树，它们分别存储了区块内的交易信息和交易执行后的收据（日志、状态变更等），这三棵树的根哈希共同构成了区块头,确保了区块内所有数据的不可篡改性。

从数据结构层面看，以太坊状态存储在由多棵Merkle Patricia Trie组成的树状结构中。

物理层面：状态数据实际存在哪里？

Merkle Patricia Trie是一种逻辑上的数据组织方式，那么这些树中的具体数据（节点）实际上存储在以太坊网络的什么地方呢？答案是：以太坊客户端的本地数据库中，并通过P2P网络进行同步和验证。

1. 以太坊客户端（如Geth, Nethermind, Besu等）的数据库： 当一个节点运行以太坊客户端时，客户端会在本地维护一个数据库（历史上使用过LevelDB，现在Geth等主要使用Google的BadgerDB，其他客户端也有类似选择），这个数据库的核心作用就是存储状态树的各个节点、存储树的各个节点以及其他链上数据。

   • 状态数据：状态树和所有存储树的节点（键值对）都会被持久化存储在客户端的数据库中，当你查询一个账户的余额或一个合约的某个变量时，客户端会从本地数据库中读取相应的节点，逐层向上构建,最终计算出所需的数据。
   • 区块数据：区块头、区块体等数据也会存储在本地数据库中。

2. P2P网络同步与验证： 以太坊是一个去中心化的网络，没有中央服务器，新节点加入或现有节点需要同步最新状态时,它们会通过P2P网络从其他节点获取数据。

   • 状态同步：节点可以通过“状态同步”（State Sync）或“快照同步”（Snap Sync）等方式从其他节点获取最新的状态数据片段，并存储到自己的本地数据库中，状态同步机制允许节点不必从创世块开始逐个同步所有区块，而是直接获取最近的某个状态根对应的完整状态数据,大大提高了同步效率。
   • 数据验证：由于Merkle树的存在，节点可以高效地验证获取到的状态数据是否正确，当你从某个节点获取了某个账户的状态，你可以计算其哈希，并与状态树根哈希进行比较（通过中间路径的哈希验证），如果匹配，说明数据是完整且未被篡改的，这种验证机制确保了即使从不同节点获取数据,也能保证状态的一致性和安全性。

状态存储的挑战与演进：以太坊的“分层”思考

以太坊状态数据的庞大是众所周知的，随着时间推移，状态数据量持续增长，给全节点存储带来了巨大压力（目前已有数TB级别），这也是以太坊社区积极探索“分层”（Layer 2）解决方案的重要原因之一。

• Layer 1（主链）的负担：主链需要保证状态的安全性和最终性，因此状态数据必须由足够多的全节点存储和维护，全节点需要存储完整的区块历史和状态数据，这对节点的硬件（尤其是存储空间）要求很高。
• Layer 2（ rollups等）的缓解：Layer 2解决方案（如Optimistic Rollups, ZK-Rollups）通过在主链上仅提交交易数据（或交易证明和状态根），而不是所有状态变更的详细信息，极大地减轻了主链的状态存储压力，大部分状态的计算和存储可以在Layer 2网络中完成，主链则扮演最终的仲裁和结算角色，这使得Layer 2可以拥有更高的吞吐量和更低的成本,同时仍然能从主链的安全性中受益。

以太坊的状态并非存储在某个单一的中心化服务器上,而是：

1. 逻辑结构上：通过Merkle Patricia Trie（状态树、存储树等）进行组织，确保数据的完整性、可验证性和高效查询。
2. 物理存储上：主要存储在以太坊全节点的本地数据库（如Geth的BadgerDB）中。
3. 网络同步上：通过P2P网络进行数据的同步、分发和验证,确保去中心化和状态一致性。