聲明：本文是要點筆記，介紹和系列筆記均收錄在專題：區塊鏈技術與應用
以太坊採用基於賬戶的模式，系統中顯式記錄每個賬戶的餘額。而以太坊這樣一個大型分佈式系統中，是採用的什麼樣的數據結構來實現對這些數據的管理的。
介紹
首先，我們要實現從賬戶地址到賬戶狀態的映射。在以太坊中，賬戶地址爲160字節，表示爲40個16進制數額。狀態包含了餘額(balance)、交易次數(nonce),合約賬戶中還包含了code(代碼)、存儲(stroge)。
直觀地來看，其本質上爲Key-value鍵值對，所以直觀想法便用哈希表實現。若不考慮哈希碰撞，查詢直接爲常數級別的查詢效率。但採用哈希表，難以提供Merkle proof（《02-BTC-數據結構》有講過）。
注意：在BTC和以太坊中，交易保存在區塊內部，一個區塊可以包含多個交易。通過區塊構成區塊鏈，而非交易。
想想如何組織賬戶的數據結構？
1、我們能否像 BTC 中，將哈希表的內容組織爲 Merkle Tree？
但當新區塊發佈，哈希表內容會改變，再次將其組織爲新的 Merkle Tree。如果這樣，每當產生新區塊(ETH中新區塊產生時間爲10s左右)，都要重新組織 Merkle Tree，很明顯這是不現實的。
需要注意的是，比特幣系統中沒有賬戶概念，交易由區塊管理，而區塊包含上限爲4000個交易左右，所以Merkle Tree不是無限增大的。而 ETH 中，Merkle Tree來組織賬戶信息，很明顯其會越來越龐大。
實際中，發生變化的僅僅爲很少一部分數據，我們每次重新構建Merkle Tree代價很大。
2、那我們不要哈希表了，直接使用Merkle Tree，每次修改只需要修改其中一部分即可，這個可以嗎？
實際中，Merkle Tree並未提供一個高效的查找和更新的方案。此外，將所有賬戶構建爲一個大的Merkle Tree，爲了保證所有節點的一致性和查找速度，必須進行排序。
3、那麼經過排序，使用Sorted Merkle Tree可以嗎？
新增賬戶，由於其地址隨機，插入Merkle Tree時候很大可能在Tree中間，發現其必須進行重構。所以Sorted Merkle Tree插入、刪除(實際上可以不刪除)的代價太大。
既然哈希表和 Merkle Tree都不可以，那麼我們看一下實際中以太坊採取的數據結構：MPT。
BTC 系統中，雖然每個節點構建的 Merkle Tree不一致（不排序），但最終是獲得記賬權的節點的 Merkle Tree纔是有效的。
數據結構——trie(字典樹、前綴樹)
上圖爲一個通過5個單詞組成的 trie 數據結構（只畫出key，未畫出value）。它有如下特點：
- trie 中每個節點的分支數目取決於Key值中每個元素的取值範圍(圖例中最多26個英文字母分叉+一個結束標誌位)。
- trie查找效率取決於key的長度。實際應用中（以太坊地址長度爲160byte）。
- 理論上哈希會出現碰撞，而 trie上面不會發生碰撞。
- 給定輸入，無論如何順序插入，構造的 trie 都是一樣的。
- 更新操作局部性較好。
那麼 trie 有缺點嗎？當然有：trie 的存儲浪費。很多節點只存儲一個key，但其子節點只有一個，過於浪費。因此，爲了解決這一問題，我們引入帕特麗夏樹（Patricia tree/trie）。
帕特麗夏樹（Patricia tree）
Patricia trie 就是進行了路徑壓縮的 trie。如上圖例子，進行路徑壓縮後如下圖所示：
需要注意的是，如果新插入單詞，原本壓縮的路徑可能需要擴展開來。那麼，需要考慮什麼情況下路徑壓縮效果較好？樹中插入的鍵值分佈較爲稀疏的情況下，可見路徑壓縮效果較好。
在以太坊系統中，160位的地址存在2^160 種，該數實際上已經非常大了，和賬戶數目相比，可以認爲地址這一鍵值非常稀疏。
因此，我們可以在以太坊賬戶管理種使用Patricia tree這一數據結構！但實際上，在以太坊種使用的並非簡單的PT(Patricia tree)，而是MPT（Merkle Patricia tree）。
MPT（Merkle Patricia tree）
Merkle Tree 和 Binary Tree
區塊鏈和鏈表的區別在於區塊鏈使用哈希指針，鏈表使用普通指針。同樣，Merkle Tree 相比 Binary Tree，也是普通指針換成了哈希指針。
所以，以太坊系統可以這樣，將所有賬戶組織爲一個經過路徑壓縮和排序的 Merkle Tree，其根哈希值存儲於block header中。
注意，BTC 系統中只有一個交易組成的Merkle Tree，而以太坊中有三個(三棵樹)。也就是說，在以太坊的block header中，存在有三個根哈希值。
根哈希值的用處：
- 防止篡改。
- 提供 Merkle proof，可以證明賬戶餘額，輕節點可以進行驗證。
- 證明某個發生了交易的賬戶是否存在。
MPT（Merkle Patricia tree）
以太坊中針對MPT(Merkle Patricia tree)進行了修改，我們稱其爲MPT(Modified Patricia tree)
下圖爲以太坊中使用的 MPT 結構示意圖。右上角表示四個賬戶(爲直觀，顯示較短地址)和其狀態(只顯示賬戶餘額)。（需要注意這裏的指針都是哈希指針）
每次發佈新區塊，狀態樹中部分節點狀態會改變。但改變並非在原地修改，而是新建一些分支，保留原本狀態。如下圖中，僅僅有新發生改變的節點才需要修改，其他未修改節點直接指向前一個區塊中的對應節點。
所以，系統中全節點並非維護一棵MPT，而是每次發佈新區塊都要新建MPT。只不過大部分節點共享。
爲什麼要保存原本狀態？爲何不直接修改？爲了便於回滾。
以太坊中的數據結構
block header 數據結構
解釋：
- parentHash：父區塊的哈希，即前一個區塊的哈希值
- UncleHash：叔父區塊的哈希
- Coinbase：礦工地址
- Root：狀態樹根哈希
- TxHash：交易樹根哈希
- ReceiptHash：收據樹根哈希
- Bloom：布隆過濾器，用於查詢，和收據樹相關
- Difficulty：挖礦難度
- Gaslimit、GasUsed：gas 費相關
- Time：區塊大致產生的時間
- MixDigest、Nonce：和挖礦過程相關
區塊結構
解釋：
- header：執行 block header 的指針
- uncles：指向叔父區塊的指針
- transactions：交易列表
區塊在網上真正發佈時的信息
最後說明
狀態樹中保存Key-value對，key就是地址，而value狀態通過RLP(Recursive Length Prefix，一種進行序列化的方法)編碼序列號之後再進行存儲。