以太坊作为全球领先的智能合约平台，其底层数据结构设计一直是区块链技术的核心亮点之一。其中，默克尔帕特里夏树（Merkle Patricia Trie，简称 MPT） 在存储、检索和验证区块链数据时发挥了至关重要的作用。而在 MPT 中，Hex-Prefix（HP）编码 则是解决路径存储歧义问题的关键技术。本文将带你深入了解这一知识框架，解析为什么需要 HP 编码、它的工作原理以及如何利用这一机制区分奇偶半字节的路径。
1. 默克尔帕特里夏树（MPT）简介
MPT 是以太坊中用于存储账户、交易及状态数据的核心数据结构。它结合了默克尔树和字典树（Trie）的特点，实现了数据的高效存储、快速检索以及不可篡改性。MPT 的主要优点在于：
- 高效验证：通过计算根哈希，快速验证整个数据集的完整性。
- 数据共享：利用公共前缀合并存储，相似数据只存储一次，节省空间。
2. 路径编码的挑战
在 MPT 中，路径通常由十六进制字符表示，每个字符代表 4 位二进制，也就是一个 半字节（nibble）。然而，路径长度并不总是偶数个半字节，例如，路径 [1,2,3,4,5] 就只有 5 个半字节。当将数据以 bytes 格式存储时，每个字节必须存储完整的 8 位信息，也就是说，奇数个半字节的数据在存储时会被“凑齐”，导致以下问题：
- 歧义问题：单个半字节
1与两个半字节0,1在存储时都表现为<01>。这就产生了歧义，无法直接区分究竟是一个半字节还是两个半字节中的后者。
为了解决这个问题，我们需要一种机制来明确指示路径中半字节的实际数量及其奇偶性。
3. Hex-Prefix 编码（HP 编码）的解决方案
HP 编码正是在这种背景下诞生的，其设计目标是：
- 区分奇偶：通过在编码中嵌入标记位来明确路径长度的奇偶性。
- 标识节点类型：同时指明当前节点是叶子节点还是扩展节点（这对于 MPT 的操作也十分关键）。
3.1 编码规则
HP 编码采用如下规则：
- 标记位设置
- 在路径编码的最前面添加一个半字节，其中低两位用于存储标记信息：
- 第 1 位：指示路径长度的奇偶性（0 表示偶数，1 表示奇数）。
- 第 2 位：指示节点类型（通常，0 表示扩展节点，1 表示叶子节点）。
- 在路径编码的最前面添加一个半字节，其中低两位用于存储标记信息：
- 路径补齐
- 如果原始路径的半字节数为奇数，编码时会在路径末尾添加一个值为 0 的半字节，以使最终存储的数据总是偶数个半字节，确保每个字节能够完整地存储 8 位数据。
3.2 示例解析
假设我们有以下两组路径数据：
- 路径 A：
[1,2,3,4,5]（5 个半字节，奇数） - 路径 B：
[0,1,2,3,4,5]（6 个半字节，偶数）
对路径 A 的处理：
- 原始路径：
[1, 2, 3, 4, 5] - 标记位添加：由于路径长度为奇数，标记位会设置奇偶性为 1（标识奇数），同时根据节点类型（例如假设为叶子节点，标记为 1），得到一个标记半字节，比如
1（具体数值可能会因实现细节有所不同）。 - 路径补齐：由于原路径奇数个半字节，在编码过程中会在末尾添加一个
0补齐。 - 最终编码：编码后的结果类似于
[标记, 1, 2, 3, 4, 5, 0]。计算机在解析时会首先读取标记半字节，根据标记信息得知后续数据中有效的路径长度是 5 个半字节。
对路径 B 的处理：
- 原始路径：
[0, 1, 2, 3, 4, 5] - 标记位添加：路径长度为偶数，所以标记位的奇偶性为 0。节点类型标记根据具体情况设置。
- 无需补齐：因为路径长度已经为偶数，所以直接编码即可。
- 最终编码：编码后的结果为
[标记, 0, 1, 2, 3, 4, 5]。
通过上述方式，计算机在存储时将所有数据以 bytes 格式保存，同时在解析时，通过标记半字节的值准确区分出原始路径的真实半字节数量，避免了单个半字节 1 与补齐后的 0,1 混淆的问题。
4. 总结与展望
Hex-Prefix 编码 为以太坊的默克尔帕特里夏树提供了一种高效而优雅的路径存储方案。通过在路径前添加标记位，不仅解决了奇数个半字节存储时的歧义问题，还为区分叶子节点与扩展节点提供了必要的信息。这一设计确保了整个 MPT 在数据存储和检索时既高效又准确，同时也为区块链数据不可篡改性和透明性提供了有力支持。
随着区块链技术的不断演进，类似 MPT 和 HP 编码的底层技术将继续发挥重要作用，为各种去中心化应用提供坚实的基础。理解这些核心技术不仅有助于开发者优化系统架构，也为未来新技术的探索提供了宝贵的理论支持。
希望这篇博客能帮助你更深入地了解以太坊中默克尔帕特里夏树和 Hex-Prefix 编码的细节。如果你对区块链的底层技术感兴趣，欢迎继续关注我，探讨更多前沿技术动态！
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