在探讨以太坊（Ethereum）的技术架构时，其数据存储方案的选择是一个值得关注的细节，以太坊客户端（如早期版本的go-ethereum，即geth）曾使用并广泛讨论过LevelDB作为其底层存储引擎，作为一个旨在构建去中心化应用平台的全球性项目，以太坊为何会选择LevelDB呢？这背后并非偶然，而是基于多种技术考量的结果。

要理解以太坊选择LevelDB的原因,我们首先需要明白以太坊需要存储哪些数据，以及LevelDB的特性如何满足这些需求。

以太坊的数据存储需求

以太坊作为一个区块链平台,其核心数据包括：

  1. 区块数据：每个区块的头部信息、交易列表、收据列表等。
  2. 状态数据：账户余额、合约代码、合约存储等，这是以太坊虚拟机（EVM）执行交易后产生的当前状态。
  3. 历史数据：过去的区块、状态、交易记录等，用于节点同步和数据查询。
  4. 索引数据：为了快速查询交易、地址等活动而建立的索引。

这些数据具有量大、需要持久化、读写操作频繁、且对查询效率有一定要求的特点，特别是状态数据，其结构和访问模式相对复杂，需要高效的存储和检索机制。

LevelDB的核心特性

LevelDB是由Google两位大神Jeff Dean和Sanjay Ghemawat创建的高性能键值（Key-Value, KV）存储库，它具有以下关键特性，使其成为以太坊早期客户端的候选之一：

  1. 高性能：

    • 写操作优化：LevelDB采用了LSM-Tree（Log-Structured Merge-Tree）结构，其写入操作非常高效，主要是顺序写日志和内存操作，这对于区块链中频繁产生的新区块和交易数据写入至关重要。
    • 读操作可预测：虽然LSM-Tree的读操作可能需要查询多个位置（内存表、磁盘上的SSTable文件），但LevelDB通过布隆过滤器（Bloom Filter）等技术优化了读性能，能够快速判断键值是否存在，减少不必要的磁盘I/O。

  2. 键值存储模型：

    LevelDB提供简单的键值对存储接口,对于以太坊而言，可以将不同类型的数据（如区块头、状态、合约存储）通过精心设计的键（Key）进行区分和编码，将值（Value）进行序列化后存储，这种模型灵活且易于扩展。

  3. 有序存储：

    LevelDB会按键的顺序存储数据,这对于区块链这种天然具有顺序性的数据结构非常友好，区块可以按高度有序存储，状态数据也可以按地址有序组织，便于范围查询和遍历。

  4. 轻量级与嵌入式：

    LevelDB是一个C 库，轻量级，易于集成到其他应用程序中作为嵌入式存储使用，无需独立的服务器进程，这对于以太坊客户端这种需要运行在各种环境（从服务器到个人电脑）降低了部署和运维的复杂度。

  5. 可靠的持久化与崩溃恢复：

    LevelDB通过WAL（Write-Ahead Log）机制确保数据写入的持久性，即使在系统崩溃情况下也能保证数据不丢失或损坏，这对于区块链数据的一致性和完整性至关重要。

以太坊选择LevelDB的具体考量

综合以上特性,以太坊选择LevelDB（尤其是在早期发展阶段）主要基于以下几点：

  1. 满足高性能写入需求：区块链网络的核心是不断产生新的区块和交易，LevelDB的LSM-Tree结构能够提供极高的写入吞吐量，这对于保持节点与网络同步、及时处理新数据非常关键，如果写入性能不足，节点很容易落后于网络。

  2. 状态存储的适用性：以太坊的状态数据虽然结构复杂，但可以通过键值对进行有效映射，LevelDB的有序特性和良好的读性能（配合布隆过滤器）能够支持状态查询、状态根计算等操作，状态数据是EVM执行的核心，其访问效率直接影响节点性能。

  3. 轻量级与易于集成：以太坊客户端需要尽可能简洁和高效，LevelDB作为嵌入式数据库，不增加额外的系统依赖和管理开销，非常适合客户端的部署模式。

  4. 成熟度与社区支持：LevelDB由Google开发，经过大规模生产环境的验证，稳定性和可靠性有保障，其开源社区也比较活跃，遇到问题可以获得支持。

  5. 当时的技术选型权衡：在以太坊发展早期，需要评估多种存储方案，LevelDB在读写性能、易用性、资源占用等方面取得了较好的平衡，相较于一些更重量级的数据库（如传统的关系型数据库）或更复杂的分布式存储，它对于当时以太坊的需求和开发资源来说是较为合理的选择。

并非一成不变：存储方案的演进

需要强调的是,以太坊的客户端实现是多样化的，且技术选型会随着需求变化而演进，除了LevelDB，以太坊生态中还使用了其他存储引擎：

  • RocksDB：许多现代以太坊客户端（如更新的geth版本、Parity等）已经或正在从LevelDB迁移到RocksDB，RocksDB是Facebook基于LevelDB的一个分支，它在LevelDB的基础上做了大量优化，特别是针对多核CPU、更大的内存空间和更丰富的场景，性能（尤其是读性能和并发性能）通常优于LevelDB，可以说，RocksDB是LevelDB思想下的进一步演进。
  • 其他存储：还有一些客户端可能会根据特定需求考虑其他存储方案，如BadgerDB（也是基于LSM-Tree）等。

以太坊早期选择LevelDB,主要是看中了其作为轻量级嵌入式键值存储库的高性能写入能力、有序存储特性、良好的可靠性以及对状态数据存储的适用性，这些特性完美契合了区块链数据存储的核心需求，尤其是在节点需要高效同步和处理大量交易数据的场景下。