ETH2:以太坊2.0：“無狀態性”的重要性

大家在閱讀本譯文前，可以先了解一下狀態膨脹以及無狀態性的背景知識，推薦一篇文章：《觀點 | 狀態膨脹和無狀態性》?

當前的以太坊1.0鏈最大的問題在于其狀態大小。約為 10-100 GB (具體取決于其存儲方式)，對于許多節點來說，將其保存在工作內存中是不切實際的，因此會選擇慢速固定存儲。然而，硬盤速度過慢難以與以太坊區塊保持同步 (或是從創世區塊開始同步)，因此必須使用更加昂貴的 SSD。這么說吧，當前的狀態大小還不是最大的問題，而是狀態的增長成本相對較低，并且會一直增長，即時我們提高狀態增長的成本，也無法使狀態占用者為網絡實際受到的影響付費，而該影響是永恒存在的。

目前出現的解決方案主要圍繞兩個方向：

? 狀態租金：為了使狀態保持在活動內存中，持續進行付費

? 無狀態性：區塊保留所有的證明 (witness)，例如默克爾證明，因此在驗證區塊有效性的時候不再需要狀態

在“無狀態性”方向中，又有不同的概念值得探索：

? 部分無狀態性：只需要對某些 (陳舊) 狀態提供見證，減少驗證區塊所需的狀態數量

? 弱無狀態性：驗證區塊無需狀態，但是提議區塊需要完整狀態

Vitalik 在這篇文章中提出了如何將這些概念梳理成一個通用的框架，并且表示了部分無狀態性和狀態租金非常相似，因為兩者在對活躍狀態進行修改時都需要進行某種形式的支付，以及一份重新激活陳舊狀態的證明。

質押協議Figment表示將在以太坊2.0上支持MEV:7月20日消息，加密質押協議Figment周二宣布，當以太坊完全作為權益證明網絡運行時，它將支持MEV。

MEV是指礦工或驗證者根據其在以太坊區塊鏈上確定交易順序的能力從交易區塊中提取的最大價值。該價值超過了標準的區塊獎勵和Gas費用。

在解釋其MEV策略時，Figment表示將優先考慮公平MEV提取。該公司將公平MEV定義為確保增加網絡上的質押，并為客戶提供最大回報，同時防范中心化風險。（The Block）[2022/7/20 2:24:58]

如果你是 Eth1 的用戶，那么你可能覺得只保留 1 GB 或者甚至是 100 MB 的活躍狀態的部分無狀態性是一項巨大成就，那為什么還要這么費勁地實現完全的無狀態性？我認為完整 (弱) 無狀態性釋放了巨大的潛能，而這是部分無狀態性無法做到的，因此我們要竭盡全力實現完全無狀態性。

理解 Eth2 驗證者

Eth1 在過去一直被詬病其對硬件的要求非常高，雖然這些斥責并不都是公平的 (經過挑選后的中等消費級硬件也可以運行 Eth1 節點)，但我們需要重視這些事實，尤其是希望在不損害去中心化的前提下對以太坊進行擴容。對于 Eth2 來說，我們樹立了非常宏大的目標：能夠在低成本的硬件上運行 Eth2 節點和驗證者，甚至是樹莓派或智能手機。

這條通向擴容性的路徑并不輕松。其他項目 (例如 EOS 和 Solana) 則需要更高性能的硬件和網絡連接。但我認為要保障去中心化，降低共識節點以及 P2P 節點的門檻是必要的。

數據：2月比特幣和以太坊期貨未平倉合約和總交易量均出現下降:金色財經報道，據The Block數據顯示，2月比特幣和以太坊期貨未平倉合約和總交易量均出現下降，同時比特幣期貨月交易額跌至1.2萬億美元，降幅達到7.4%。另外，盡管芝商所比特幣未平倉合約上漲至21.3億美元，增幅達到49.8%，但日均交易額下降至16.5億美元，跌幅為30.2%。另一方面，以太坊期貨2月交易量下降到6910億美元，跌幅為4.5%。在期權方面，雖然比特幣和以太坊期權未平倉量略有增加，但交易量卻都出現了下降。其中以太坊月期權交易額降至120億美元，跌幅為23.4%；比特幣月期權交易額降至169億美元，跌幅為21.4%。[2022/3/2 13:31:53]

在 Eth2 中，共識節點是驗證者。Eth1 和 Eth2 的共識節點存在非常重要的區別：

? Eth1 的共識節點是礦工。要為區塊鏈“投票”，你必須要生產區塊。也就是說，共識節點和區塊生產者是不可分割的。

? Eth2 或是當前的第一個階段 (信標鏈) 中，提議區塊和形成共識是兩種不同的機制：每 12 秒由一個隨機擇出的驗證者來提議區塊，而共識是通過證明 (attestation) 形成的，每個驗證者在每個 epoch (每 6.4 分鐘) 對區塊鏈進行投票。現在每幾分鐘都有超過十萬的驗證者在投票形成共識。區塊生產者對共識 (幾乎)沒有影響，他們只能對區塊內包含的內容進行選擇。

解除區塊提議者與共識的關聯開啟了一個重要的設計空間。信標鏈從驗證者集中隨機選擇區塊提議者，而對于分片鏈，則不必如此：

Curve已上線支持以太坊擴容網絡Polygon:4月20日消息，以太坊擴容解決方案Polygon（原Matic）宣布穩定幣交易協議Curve已上線Polygon網絡。此前Curve宣布與MatterLabs的zkSync進行合作，MatterLabs曾表示最快在今年8月上線zkSync2.0版。[2021/4/20 20:41:06]

? 對于分片 (尤其是 Eth1 執行分片) 來說一種有趣的可能性在于，驗證者能夠進入生產區塊的列表。這類驗證者可能需要更高性能的硬件，可能也需要具有“完整”狀態。

? 另一個可能性也是我們目前正在為數據分片加以實現的，任何人都可以被選中提議區塊，但是區塊的具體內容不由提議者決定，不同的參與者可以通過競價使其打包的區塊被提議。

在這兩種情況中，弱狀態驗證意味著所有其他的驗證者 (不生產區塊或決定區塊內容的驗證者) 并不需要狀態。這一點與 Eth1 截然不同：在 Eth1 中，對形成共識的節點 (即礦工) 的要求非常高，因此使他們保留完整狀態似乎沒有問題。但是在 Eth2 中，我們可能會大幅降低參與門檻，并且我們應該利用這一點來保障去中心化和安全性。

提議者成本較高可以理解

還有一點重要的反對觀點可能是，如果區塊提議的成本過高，那么去中心化也會受到損害，即使我們降低了驗證者和 P2P 節點的門檻。但事情并非如此，“提議者”和“驗證者”之間存在重要的差異：

USDC Treasury在以太坊網絡增發超5813萬枚USDC:Whale Alert數據顯示，北京時間11月29日04:46至04:57期間，USDC Treasury分三筆在以太坊網絡上增發58131388枚USDC。[2020/11/29 22:28:41]

? 對于驗證者，我們需要絕大多數是誠實的，即所質押的 ETH 中需要超過 2/3。P2P 節點的情況可能類似，但是就我所知并不需要一定比例的 P2P 節點必須是誠實的，但是為了確保總是能收到有效的鏈，每個人都需要連接至少一個誠實的 P2P 節點，這個比例大概是 5%，在實踐中可能更高。

? 對于提議者，我們對于其是否誠實的要求低得多，與 Eth1 不同，Eth2 的提議者不審查過往的區塊 (因為他們不投票)，只能決定他們所提議的區塊的內容。假設你的交易不是特別緊迫，如果 95％ 的提議者嘗試對其進行審查，那么第 20 個提議者仍然可以將其安全打包 (但是低延遲的抗審查制度是另一回事，在實踐中更難實現)。

這也是為什么相較驗證者，我并不那么擔心提高提議者的硬件要求。如果我們保持正常驗證者的要求較低，那么提議者需要 128GB RAM 的 PC 來存儲大型狀態也沒有問題。我擔心的是，如果一臺能夠滿足這些要求的 PC 價格為 10 萬美元，但如果我們將其控制在 5 千美元以下，一旦發現審查，如果社區沒有迅速引入更多提議者來做出反應是不合理的。

最后，還有一些其他的原因導致區塊提議者可能需要更好的硬件設備，并且在獲取 MEV 時也更有優勢。

以太坊上日交易量在9月17日創下新高:etherscan數據顯示，以太坊上的日交易量在9月17日創下歷史新高，達到1406016000筆。[2020/9/19]

此處我使用“提議者”來指代打包區塊的角色，這與正式簽名并驗證的角色并不一定是一致的，在 rollups 中他們可能是“序列器” (sequencer)。簡單起見，我在此處將其稱作提議者，因為如果僅向系統中引入一個只負責提議區塊的新角色，我認為系統不會因此受到根本上的破壞。

實現無狀態的裨益

本文至此我還沒有論證過為什么無狀態性如此有力，在可執行信標鏈提案中，將狀態從 10 GB 縮減到 1 GB 或 100 MB 似乎能為驗證者節省許多開銷，那我們為什么還需要無狀態性？

如果我們順勢走下去，可執行的 Eth1 區塊可以成為一個分片。而在可執行信標鏈的提案中，所有的驗證者都必須保持運行完整的 Eth1 執行 (否則會面臨簽署無效區塊的風險)。而分片不應具備這一屬性，分片中簽署一個區塊只需要一個委員會 (因此是驗證者中的1/1024)，并且其他人不需要信任該委員會的絕大部分驗證者是誠實的，只要有一個誠實驗證者在委員會嘗試作惡時吹哨。而這只有在 Eth1 具備無狀態性時才有可能：

? 我們希望所有驗證者的負載大致相等，并且沒有極端的峰值。因此長時間 (例如一個小時或一天) 派遣某個驗證者成為 Eth1 委員會成員，實際上是很糟糕的：這意味著就帶寬要求而言，驗證者的規模仍然必須能夠與完整的 Eth1 鏈保持一致。此外，如果長時間使用同樣的委員會 (例如通過賄賂攻擊)，委員會變得更具攻擊性

? 我們希望能夠簡單地對 Eth1 區塊給出欺詐證明，因為其他驗證者將無法確定委員會是否正確完成了其工作。最簡單的方式是區塊成為其自身的欺詐證明：如果一個區塊是無效的，廣播區塊本身就能證明發生欺詐。

因此在 Eth1 具備完整無狀態性的前提下，Eth1 可以成為一個分片 (花費更少的資源來維護，例如1/100)。同時，只有這樣我們才能在數據分片之外引入更多的執行分片。

緩存不總是挺好的嗎？

那么如果我們進入完全無狀態卻引入了 10 MB 的緩存呢？或是1 MB？即使只想檢查一個區塊，也可以輕松下載，因為你已被分配到一個委員會，或者作為欺詐證明收到了該緩存？

你可以執行此操作，但是我們可以明顯看到，如果大多數驗證者僅驗證單個區塊，則不太可能是最佳的。假設我們的目標是 1 MB 的區塊，此外我們還有 1 MB 的緩存，這意味著每當驗證者想要驗證一個區塊時，他們都必須下載 2 MB 的數據 (包括區塊和緩存)。他們必須每次都下載緩存，除非他們下載所有區塊以保持最新的緩存，這正是我們要避免的事情。

這意味著，以 1 MB 大小的區塊和 1 MB 的緩存相同的代價，我們可以將緩存設置為 0 并允許區塊大小增加到 2 MB。

很明顯 2 MB 的區塊至少與 1 MB 的區塊 + 1 MB 的緩存一樣有效。原因是，如果這是我們認為的最佳選擇，那么 2 MB 的區塊可能只包含 1 MB 的緩存，我們只需在每個區塊上提交緩存，然后在下一個區塊中重新引入完整的緩存即可。這可能不是區塊中那 1 MB 的最佳用途，但是你可以這樣做。額外的 1 MB 可以被更好地利用，以允許引入更多的見證 (witness)。

二進制樹還是verkle trie？

我認為總的來說，力爭完整 (弱) 無狀態性的聲音壓倒了部分無狀態性或狀態租金方案。這對用戶的影響會更小：他們根本不必考慮狀態。他們唯一要做的就是添加見證 (以便 P2P 網絡能夠驗證有效交易)。創建見證的成本非常低，以至于可以想象到會有許多相關服務。實際上大多數錢包已經依賴外部服務，不需要用戶運行自己的節點。獲取見證也只是一個微小的功能。

部分無狀態性或狀態租金，在完全弱無狀態性的道路中增加了極大的用戶體驗障礙。但考慮到僅使用二進制默克爾樹嘗試實現無狀態是非常困難的，并且要允許默克爾樹證明需要對 gas 進行改動 ，而這會損害用戶體驗。

因此在我看來，我們現在應該往 verkle tries 的方向努力。這使得我們可以具有小于 1 MB 的可管理的證明，并且只有由 EIP-2929 提出的適度 gas 費用以及針對代碼塊收費。其缺點很容易得到控制，對用戶幾乎沒有實際影響：

? 開發者需要學習新的密碼學原語

? 添加更多非抗后量子密碼學。第二點聽起來很可怕，但是我們已經在 Eth2 中引入了 KZG 承諾以進行數據可用性采樣，并且無論如何我們都在使用基于橢圓曲線的簽名。需要對合并的 Eth1 和 Eth2 鏈進行一些后量子升級，目前沒有可實踐的后量子替代方案，因此我們不能停止前進。就采用而言，未來5年極為重要。擺在前面的道路就是竭盡所能，并在 5-10 年內，當 STARK 足夠強大時，我們將對所有原語進行完全的后量子升級。

總的來說，verkle tries 可以解決接下來五年的狀態問題。現在我們將能夠實現完全 (弱) 無狀態性，而對用戶和智能合約開發者幾乎沒有影響。我們將能夠提升 gas 上限 (因為驗證變得更快) 和更多的執行分片，所有這些幾乎都不會對安全性和去中心化產生影響。

最難啃的硬骨頭是讓每個人都理解 KZG 承諾和 verkle tries 的工作方式。由于 Eth2 將使用 KZG 承諾來保證數據的可用性，大多數以太坊開發者都需要進行相關工作。

幾乎沒有影響，因為現在進行了細微優化以提高對某些平衡攻擊 (balance attack) 的抵御能力，平衡攻擊確實使提議者能對分叉選擇產生短期影響。

確切地說，如果區塊生產者開始勾結并審查大量證明，可能會產生影響，但是單個區塊的生產者對共識造成的影響完全可以忽略不計。

不誠實的委員會作惡可能會影響整個網絡，并導致嚴重的延遲，但是引入無法無效/不可用的區塊

想要自己運行節點的用戶仍讓能夠借助外部服務來獲取見證。這種操作是免信任的，因為在知道最近的狀態根的前提下，見證就是它們自身的證

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