以太坊作为全球第二大公链,其底层架构的复杂性与高效性离不开三大核心数据结构——Merkle Patricia树（Merkle Patricia Trie，简称MPT）、状态树（State Trie） 和 交易树（Transactions Trie），这三种树结构共同构成了以太坊的状态存储与交易验证体系，确保了数据的安全性、可追溯性和高效同步，本文将深入解析这三种树的功能、原理及其在以太坊生态中的关键作用。
Merkle Patricia树（MPT）：以太坊的“数据索引引擎”
Merkle Patricia树是以太坊对传统Merkle树与Patricia Trie（前缀树）的创新结合，是以太坊存储数据的核心数据结构，它兼具两种树的优势：Merkle树通过哈希计算确保数据完整性（任何微小改动都会导致根哈希变化），Patricia Trie则通过压缩前缀优化存储效率，尤其适合处理大规模稀疏数据（如以太坊账户状态）。
Merkle Patricia树的层级结构如下：
- 底层（Leaf节点）：存储具体数据（如账户余额、代码哈希等），每个节点通过键（key）与值（value）关联。
- 中间层（Branch节点）：通过前缀匹配路由查询，决定数据流向的子节点，实现高效索引。
- 顶层（Root节点）：整棵树的“指纹”，即状态根（State Root），唯一代表当前所有数据的完整状态。
在以太坊中,Merkle Patricia树不仅用于存储状态数据，还应用于交易列表和收据列表的存储，是确保数据不可篡改和高效查询的基础。
状态树（State Trie）：账户状态的“全局账本”
状态树是以太坊中最核心的Merkle Patricia树，记录了整个网络中所有账户的实时状态，以太坊账户分为外部账户（EOA，由私钥控制）和合约账户（由代码控制），每个账户的状态包括：
- 非ceiling余额（nonce）
- 余额（balance）
- 代码哈希（codeHash）
- 存储根（storageRoot，指向合约账户的存储树）
状态树通过账户地址（address）作为键，将所有账户状态组织成一棵巨大的Merkle Patricia树，其根哈希——状态根（State Root），会被打包进每个区块的头部，成为区块“指纹”的一部分，这意味着，任何账户状态的改动（如转账、合约调用）都会导致状态根变化，全网节点可通过验证状态根快速同步数据，确保一致性。
当用户A向用户B转账1 ETH时，A和B的账户余额会更新，状态树会重新计算相关节点的哈希值，最终生成新的状态根，矿工打包区块时，会将新的状态根写入区块头，其他节点通过比对状态根即可确认区块的有效性。
交易树（Transactions Trie）：交易历史的“有序索引”
交易树是以太坊中记录区块内交易列表的Merkle Patricia树，其作用是对区块中的每一笔交易进行索引和验证，确保交易的不可篡改和可追溯性。
与状态树不同,交易树的“键”是交易在区块中的索引（如“0”“1”“2”等有序序号），“值”是交易的具体数据（包括发送方地址、接收方地址、金额、gas限额、签名等），交易树的根哈希——交易根（Transactions Root），同样会被写入区块头，作为该区块所有交易的“集体指纹”。
交易树的存在,使得以太坊具备以下特性：
- 可追溯性：通过交易根和交易索引，任何人可查询区块内任意一笔交易的详细信息。
- 防篡改：若区块内交易被修改（如删除一笔交易），交易根会立即变化，节点可通过比对交易根快速发现异常。
- 轻节点支持：轻节点无需下载完整交易数据，只需验证交易根即可确认交易的有效性，降低同步成本。
三大树的协同：以太坊安全的“三角支撑”
状态树、交易树与收据树（Receipts Trie，记录交易执行
- 状态树维护账户实时状态，反映网络当前的“财务状况”；
- 交易树记录历史交易，提供“操作日志”；
- 收据树补充交易执行结果，支持事件监听与智能合约交互。
当新区块产生时,矿需确保三棵树的根哈希与区块头中的记录一致，否则区块将被全网拒绝，这种设计不仅保障了数据的安全性，还通过Merkle证明实现了轻节点与全节点的高效同步，为以太坊的可扩展性奠定了基础。
以太坊的三种树——Merkle Patricia树、状态树与交易树，是其作为“世界计算机”的核心技术基石，它们通过哈希索引、前缀压缩和层级验证，实现了数据的高效存储、安全同步与不可篡改，支撑着以太坊上DeFi、NFT、智能合约等复杂应用的稳定运行，理解这三种树的原理，不仅有助于深入掌握以太坊的底层逻辑，更能为区块链开发者设计高效应用提供重要启发，随着以太坊向2.0（PoS+分片）演进，这些树结构仍将是保障网络安全与性能的关键组件。