Clark Cui

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区块链存储模型 ​

本文档深入分析区块链的数据存储模型，涵盖 Ethereum 的 MPT、Cosmos 的 IAVL、以及 Verkle Trie 等前沿存储结构。

一、数据分类 ​

类型数据描述
无状态数据（输入数据）Block区块数据
Transaction交易数据
状态数据（输出数据）Account如 ETH 的账户
Contract Storage如 ETH 中合约状态
Tx Receipt如 ETH 中的 event
UTXO如 BTC 中 Unspent TX Output

无状态数据存储 ​

简单的 KV 存储：

  • Block 的 KV：hash → Block 和 height → hash
  • Transaction 的 KV：txhash → Transaction

大部分区块链使用 KV 数据库：LevelDB、RocksDB、Berkeley DB 等。

二、状态数据存储模型 ​

区块链本质上是一个状态机，状态数据是最核心的数据。主要分两类：

模型代表
KV 存储Bitcoin 的 UTXO
MerkleTree + KV 存储Ethereum（Account, Contract Storage）、Cosmos（Account）

为什么采用 MerkleTree + KV？ ​

优势说明
共识状态数据Merkle Root 放入 Block Header，保证共识一致性
状态数据可验证支持 Merkle Proof，证明某个状态数据存在
易于回滚分叉后直接切换到对应高度的树
历史数据查询从对应高度的树查询

补充知识点 ​

Merkle Tree：

  • 节点值 = hash(所有子节点值之和)
  • Tree Root 相当于树的指纹
  • 可验证某个节点值是否存在

Compact Trie（压缩字典树）：

  • 每个节点表示一或多个字符
  • 显著减少存储空间
  • 提高查询和遍历效率

三、Ethereum 状态数据存储（MPT） ​

3.1 三棵树 ​

树存储内容Root 位置
Account Tree账户数据Block Header（state root）
Storage Tree合约存储数据账户中（storage root）
Receipt Tree交易执行结果Block Header（receipt root）

3.2 MPT 树（Merkle Patricia Trie） ​

本质是 Merkle Tree + Compact Trie。

  • Key 是 hex 编码，每个节点最多 16 个分支（16 叉树）
  • Account Tree 的 key = hash(address)
  • Storage Tree 的 key = hash(storage key)

3.3 持久化 ​

  • 将 MPT 每个节点序列化，key 为序列化数据的 hash，value 为序列化数据，存入 KV DB
  • 所有高度的树节点都存到 DB 中，但相同部分不重复存储
  • 查询某一高度的状态：获取该高度 header 中的 stateroot → 从 DB 获取根节点 → 按 key 查询叶子节点

Patricia 树通过减少查找路径的长度来提高数据查找效率。

四、Cosmos 状态数据存储（IAVL） ​

4.1 IAVL 树 ​

全称 Immutable AVL+ Tree，本质是 Merkle Tree + AVL 平衡二叉树。

4.2 IAVL vs MPT 对比 ​

特性IAVLMPT
树结构二叉树16 叉树
深度较高较低
磁盘 IO较多较少
更新耗时需要平衡操作，较高较低
读写一致性多次读/写耗时相同取决于路径
确定性相同数据不同插入顺序，树结构不同相同数据结构相同

4.3 关键问题 ​

由于 IAVL 是平衡二叉树，相同数据不同写入顺序会导致不同的 root hash。这意味着：交易并行执行时打乱顺序，可能导致 stateRoot 不一致。

4.4 为什么 Cosmos 选择 IAVL 而非 MPT？ ​

Cosmos 生态侧重轻量级和模块化设计，IAVL 与其 Tendermint 共识更好集成，且多次读写时间消耗一致。

五、Verkle Trie ​

5.1 背景 ​

当前 MPT 中验证一个账户的 witness（Merkle Proof）约 3KB，最坏可达 10KB。假设每块 6000 个账户更新，无状态客户端需下载约 18MB 数据。

Verkle Trie 可将 witness 降低至约 200B，大幅减少数据量。

5.2 核心特性 ​

  • 使用向量承诺（Pedersen 承诺 + IPA）替代传统哈希
  • 树结构类似 MPT，但证明更紧凑

5.3 节点特性 ​

节点类型说明
InnerNode中间节点，最多 256 个子节点
LeafNode叶子节点，存储 256 个 32 字节值
  • 字典压缩树，每个节点代表一或多个字符
  • Key 为 32 字节：前 31 字节为树的路径，最后 1 字节为 LeafNode 中值的位置
  • 最大深度 31，最大宽度 256

5.4 Verkle 对以太坊的影响 ​

影响说明
✅ 状态数据可在 P2P 网络传递无状态客户端成为可能
✅ 节点同步速度更快witness 数据大幅减小
✅ 运行节点硬件要求降低可能在手机上运行
❌ 不直接提高 TPS主要改善状态验证
❌ 不直接降低 L2 成本L2 batch 不存储在 Verkle Tree 中

总结 ​

graph TB
    subgraph "存储模型演进"
        A["KV 存储<br/>Bitcoin UTXO"] --> B["MPT + KV<br/>Ethereum"]
        B --> C["IAVL + KV<br/>Cosmos"]
        B --> D["Verkle Trie<br/>Ethereum 未来"]
    end

    subgraph "核心权衡"
        E["树宽度 ↑"] --> F["IO 次数 ↓"]
        G["树深度 ↑"] --> H["IO 次数 ↑"]
        I["确定性"] --> J["并行执行兼容性"]
    end

区块链存储模型的核心是在查询效率、存储空间、共识一致性之间寻找平衡。MPT 适合以太坊的账户模型，IAVL 适合 Cosmos 的模块化架构，Verkle Trie 则是面向无状态客户端的未来方向。