谈到区块链的存储，我们很容易联想到它的链式存储结构，然而区块链从比特币发展到今日当红的EOS，技术形态已经演化了10年之久。目前的EOS的存储除了确认结构的链式存储以外，在状态存储方面有了很大的进步，尤其是引入了MongoDB plugin以后，可以将功能有限的状态库搭上大数据的班车。本文将全面介绍EOS的存储技术。
EOS 存储，Merkle Tree，mongodb，chainbase，源码学习，context_free_actions
EOS的链式存储结构
EOS的区块数据结构如下：
| field | explanation |
|---|---|
| timestamp | 时间戳 |
| producer | 生产者 |
| confirmed | 生产者确认数 |
| previous | 链式结构前一个区块的id |
| transaction_mroot | 交易默克尔树根 |
| action_mroot | 动作默克尔树根 |
| schedule_version | 生产者版本排序号 |
| new_producers | 下一个生产者 |
| header_extensions | 区块头扩展字段 |
| producer_signature | 区块签名，由生产者签名 |
| transactions | 块打包交易内容，是数组结构，可以多个 |
| block_extensions | 区块扩展字段 |
| id | 当前块id |
| block_num | 当前块高度 |
| ref_block_prefix | 引用区块的区块头 |
Merkle Tree
默克尔树的演化路线是 Hash => Hash Tree => Merkle Tree ，他们都是为解决数据一致性而存在的，具体的含义如下：
- Hash 是我们都熟知的技术了，它可以为一个文件或其他数据生成一个Hash值，我们在下载一个文件时，通常会在下载页面看到这个文件的Hash值以及该Hash值的算法，下载完毕以后，我们可以在本地对整个文件进行同样的Hash算法得到Hash值，然后与网页上的Hash值进行对比，如果相同，则说明文件完整，是网页上的源文件，如果不匹配则说明文件损坏，被修改或者不完整。
- 仍旧是文件完整性的校验需求，当这个文件特别大的时候，对这个文件进行Hash算法是能耗巨大的，所以可以将文件切割成很多的小块，每一个小块都有一个Hash，然后将所有小块的Hash值拼在一起再次进行Hash算法得到的就是Root Hash。这样一来，我们在下载大文件的时候，会先下载一个包含Root Hash的Hash list，通过校验Root Hash可以确定Hash list的正确性，确定Hash list正确以后，再逐个下载小块文件并逐一验证Hash，当发现某个小块Hash不匹配的时候，就可以单独重新下载该小块即可，而不必重新下载全部。Hash list的结构实际上是一个Root Hash 为根，小块Hashs为叶子节点的树高为2的Hash Tree。
- Merkle Tree实际上是对Hash List的优化，它极大的提高了性能。它的结构是一个二叉树（也可以是多叉树，性能优化的关键点是它的高度是大于等于2的），每个节点最多只有两个子节点，只有叶节点是根据小块文件做的Hash，每两个相邻的叶节点的父节点是由这两个Hash做的父Hash，如果叶节点的总数是单数，则会剩余一个，逐级而上，最终会有一个的根节点，这个根节点就是Merkle Root。这样以来，我们在下载大文件的时候，会首先下载一个Merkle Tree，从最左下叶节点进行校验，逐级而上，将整个Merkle Tree校验完毕。这里面不同于上面Hash Tree的是，只要最左下相邻的两个叶节点的Hash值与他们的父节点的Hash通过了匹配，则可以立即开始下载这两个叶节点对应的文件块，并行地，再校验其他叶节点，这就提高了性能，不必校验完整的Merkle Tree之后再下载文件。
Merkle Tree 与 区块链
上面的区块数据结构中包含了两个与Merkle Tree相关的字段：
- transaction_mroot，一个区块中的transactions字段可以包含多笔交易，区块中的transaction_mroot是所有该区块内打包的交易的Merkle Root，可以用来校验其中的每笔交易的正确性。如果该区块中不包含任何交易，则该字段的值为0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000。节点同步数据的时候，会先将交易的Merkle Tree下载并通过Merkle Root来校验，而不是将所有的交易主体全部下载下来，这样可以节省轻节点的数据量。
- action_mroot，创建一个基于所有分发的action的根，在区块内接收交易时进行评估。用在轻客户端的校验，功能同上。
action_mroot是始终有值的，哪怕transaction_mroot是0，这是因为出块本身也是一个action动作onblock，这个动作调用的是system合约的onblock函数。TODO：源码分析
/**
* At the start of each block we notify the system contract with a transaction that passes in
* the block header of the prior block (which is currently our head block)
*/
signed_transaction get_on_block_transaction()
{
action on_block_act;
on_block_act.account = config::system_account_name;
on_block_act.name = N(onblock);
on_block_act.authorization = vector<permission_level>{{config::system_account_name, config::active_name}};
on_block_act.data = fc::raw::pack(self.head_block_header());
signed_transaction trx;
trx.actions.emplace_back(std::move(on_block_act));
trx.set_reference_block(self.head_block_id());
trx.expiration = self.pending_block_time() + fc::microseconds(999'999); // Round up to nearest second to avoid appearing expired
return trx;
}
context_free_actions
通过对eosio.null账户的nouce动作，可以将无签名的数据打包进入context_free_action字段，结果区块信息如下：
evsward@evsward-TM1701:~/work/src/github.com/eos/tutorials/bios-boot-tutorial$ cleos --wallet-url http://127.0.0.1:6666 --url http://127.0.0.1:8000 get block 440
{
"timestamp": "2018-08-14T08:47:09.000",
"producer": "eosio",
"confirmed": 0,
"previous": "000001b760e4a6610d122c5aa5d855aa49e29f3052ac3e40b9e1ef78e0f1fd02",
"transaction_mroot": "32cb43abd7863f162f4d8f3ab9026623ea99d3f8261d2c8b4d8bf920ab97e3d1",
"action_mroot": "09afeaf40d6988a14e9e92817d2ccf4023b280075c99f13782a6535ccc58cbb0",
"schedule_version": 0,
"new_producers": null,
"header_extensions": [],
"producer_signature": "SIG_K1_K2eFDzbxCg3hmQzpzPuLYmiesrciPmTHdeNsQDyFgcHUMFeMC3PntXTqiup5VuNmyb7qmH18FBdMuNKsc7jgCm1TSPFbaj",
"transactions": [{
"status": "executed",
"cpu_usage_us": 290,
"net_usage_words": 16,
"trx": {
"id": "d74843749d1e255f13572b7a3b95af9ddd6df23d1d0ad19d88e1496091d4be2b",
"signatures": [
"SIG_K1_KVzwg3QRH6ZmempNsvAxpPQa42hF4tDpV5cqwqo7EY4oSU7NMrEFwG7gdSDCnUHHhmH1EwtVAmV1z9bqtTvvQNSXiSgaWG"
],
"compression": "none",
"packed_context_free_data": "",
"context_free_data": [],
"packed_trx": "8497725bb601973ea96f0000000100408c7a02ea3055000000000085269d000706686168616861010082c95865ea3055000000000000806b010082c95865ea305500000000a8ed3232080000000000d08cf200",
"transaction": {
"expiration": "2018-08-14T08:49:08",
"ref_block_num": 438,
"ref_block_prefix": 1873362583,
"max_net_usage_words": 0,
"max_cpu_usage_ms": 0,
"delay_sec": 0,
"context_free_actions": [{
"account": "eosio.null",
"name": "nonce",
"authorization": [],
"data": "06686168616861"
}
],
"actions": [{
"account": "eosiotesta1",
"name": "hi",
"authorization": [{
"actor": "eosiotesta1",
"permission": "active"
}
],
"data": {
"user": "yeah"
},
"hex_data": "0000000000d08cf2"
}
],
"transaction_extensions": []
}
}
}
],
"block_extensions": [],
"id": "000001b8d299602b289a9194bd698476c5d39c5ad88235460908e9d43d04edc8",
"block_num": 440,
"ref_block_prefix": 2492570152
}
正常的actions的内容是hi智能合约的调用，而context_free_action中包含了无签名的data数据，是已做数字摘要后的形态。源码中的操作：
// lets also push a context free action, the multi chain test will then also include a context free action
("context_free_actions", fc::variants({
fc::mutable_variant_object()
("account", name(config::null_account_name))
("name", "nonce")
("data", fc::raw::pack(v))
})
);
EOS的StateDB
我们来设想一个场景：
A账户转账给B账户100个SYS，如何查看A账户的余额？
对于不知道以上动作何时发生的我们来讲，我们要如何做呢：
- 首先是从头扫描区块内的交易，交易内的action，直到找到A账户被创建的action所对应的区块号。
- 从这个区块号开始继续扫描，要将所有A账户的转账，包括收入和支出的所有action记录下来并统计。
- 算出A的当前余额。
以上步骤很容易出错且繁琐，每一次的余额查询都要重复这些操作实在是毫无意义，因此StateDB就诞生了，这个库顾名思义就是用来存储状态数据的，如果有了StateDB，上面的场景的解决办法就是：
- 从A账户被第一次收入SYS开始，为A账户在StateDB中建立一个table，存储A账户的余额，每当A账户发生转账的action，都会同步更新StateDB中相关table中A账户的余额的值，当我们需要知道A账户的余额时，我们可以直接查找这个余额state即可。
测试用例
这里为大家提供一个测试方法，也是我的命令history：
cleos create key
cleos wallet import 5JA9oDotJHoKnjUV6NrAMx4g5gWTCVCRLybTnG1XVU3EKGZZeNY
cleos wallet import --private-key 5JA9oDotJHoKnjUV6NrAMx4g5gWTCVCRLybTnG1XVU3EKGZZeNY
cleos wallet keys
cleos wallet import --private-key 5KQwrPbwdL6PhXujxW37FSSQZ1JiwsST4cqQzDeyXtP79zkvFD3
cleos wallet keys
cleos create account eosio usertesta1 EOS761KfjhYy3FSypZGG5hePrR8K2wzmw75JCDXgypKt2DLXZoZPW
cleos create account eosio eosio.token EOS761KfjhYy3FSypZGG5hePrR8K2wzmw75JCDXgypKt2DLXZoZPW
cleos set contract eosio.token work/src/github.com/eos/build/contracts/eosio.token/
cleos push action eosio.token create '["eosio","100000000.0000 SYS"]'
cleos push action eosio.token issue
cleos push action eosio.token issue '["usertesta1","10000000.0000 SYS"]' -p eosio.token
cleos push action eosio.token issue '["usertesta1","10000000.0000 SYS"]' -p eosio
cleos get currency balance eosio.token usertesta1
cleos get table eosio.token usertesta1 accounts
cleos get table eosio.token eosio accounts
可以看到当我想获得usertesta1账户的余额时，是通过查询StateDB的table来获取的，而不是最开始的那种扫块的笨方法。
链式存储和StateDB存储的区别
- 链式存储，存储的是固定结构的数据：Block=> Block Header/ transactions=>actions，一个action的结构例子：
{
"account": "eosiotesta1",
"name": "hi",
"authorization": [{
"actor": "eosiotesta1",
"permission": "active"
}],
"data": {
"user": "yeah"
},
"hex_data": "0000000000d08cf2"
}
这个例子中，我们调用了hello合约的hi函数，data传入的格式是hi函数中自定义的，所以在链式存储中，留给我们发挥的空间也即在此。
- StateDB，存储的是一个最终要记录的状态，这个状态数据必须是有意义的，是有人关心的，无关紧要的数据请不要放在StateDB中去，所以StateDB是可以增删改查的，就像一个普通数据库那样，在合约中通过multi_index来操作，具体请参照文章EOS技术研究：合约与数据库交互
很多人搞不明白为什么区块链不可篡改，却在StateDB中好像可以修改还能删除？
其实不是这样的，链式存储的内容会将所有的动作action全部记录下来，是所有的过程数据，是流水帐，元数据，这些数据一旦上链是不可修改，不可删除的。而StateDB只是为了保存一个状态信息，这个状态信息的修改与删除并不影响区块链的不可篡改的特性。
目前StateDB的主流实现方式是将它放在内存中，而当有些人对StateDB的认识有偏差造成滥用的时候，会引发内存过载，因此一方面我们要非常清楚的理解StateDB的含义，一方面EOSIO帮助我们提供了一个mongodb-plugin插件来同步StateDB数据。
mongodb
安装
- 下载tgz安装包
- 解压安装到/usr/local/bin（或者其他某路径）
- sudo mkdir /data/db
普通模式
- sudo mongod
- mongo
服务模式
我们也可以使用ubuntu系统的服务模式。
曾经我们要定义一个系统启动时自启动服务的方式是在/etc/init.d 目录下写一个脚本来执行，现在在ubuntu的服务模式下，我们可以丢弃那种方式，服务模式的命令是service，而现在的ubuntu系统推崇使用的systemctl命令，他俩的使用方法的区别就在于参数的顺序。
- 定义一个配置文件mongod.conf
- 定义一个服务文件，放置在/etc/systemd/system/
sudo vi /etc/systemd/system/mongodb.service
[Unit]
Description=High-performance, schema-free document-oriented database
After=network.target
[Service]
User=mongodb
ExecStart=['mongod' command location] --quiet --config /etc/mongod.conf
[Install]
WantedBy=multi-user.target
- 查找服务状态
systemctl list-unit-files
- 查询mongodb服务的激活状态
systemctl is-enabled mongodb
- 激活系统自启动服务
sudo systemctl enable mongodb
- 启动mongodb服务
sudo systemctl start mongodb
- 查询mongodb服务状态
sudo systemctl status mongodb
- 停止mongodb服务
sudo systemctl stop mongodb
调试模式
IDE选择CLion，EOS源码下载最新的，保证本地可以使用脚本编译通过，安装了相关依赖包，然后在CLion中导入EOS，CLion会自动识别CMakeList.txt文件生成makefile文件并make编译执行。编译时可能会遇到错误，一般来讲要么是环境依赖没有配置好，要么就是CMakeList.txt要有修改，例如mongodb-plugin导入时要在总开关配置上开启。
set(BUILD_MONGO_DB_PLUGIN "true")
全部编译成功以后，会自动识别出可以debug的target，与EOS中配备CMakeList.txt的模块一一对应。
安装Mongo Explorer插件
上面我们介绍了MongoDB的安装方法，以及启动nodeos时的配置方法（除了上文提到的总开关，当然要在config.ini文件末尾设置上plugin = eosio::mongo_db_plugin，这部分内容演练多次，这里不再赘述。）链启动开始出块以后，会同步到mongodb中去（注意要预先启动mongod守护进程，可以理解为服务端），通过mongo命令接入可使用mongo命令查询数据，但这样很不方便。可以在CLion中安装mongo-plugin，配置好效果如下：
