ETR: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10-100GB(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。

以太坊L2網絡總鎖倉量為64.5億美元:金色財經消息，L2BEAT數據顯示，截至4月27日，以太坊Layer2總鎖倉量為64.5億美元，7天減少0.25%。其中鎖倉量最高的為Arbitrum，約36.5億美元，占比56.57%；其次是dYdX，鎖倉量為10億美元，占比15.65%；第三為Optimism，鎖倉量為6.86億美元，占比10.64%。[2022/4/27 2:34:34]

如果你是Eth1的用戶，那么你可能覺得只保留1GB或者甚至是100MB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。

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：

數據：以太坊2.0質押地址余額超過830萬枚:11月17日消息，據Glassnode數據顯示，以太坊2.0質押地址余額超過830萬枚,總價值達到8,304,290 ETH。[2021/11/17 6:56:09]

?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：

?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。

以太坊2.0客戶端Lighthouse產生其第一筆Eth1和Eth2合并交易:官方消息，以太坊2.0客戶端Lighthouse開發團隊Sigma?Prime表示，Lighthouse產生了該客戶端第一筆Eth1和Eth2合并交易，且此次ETH交易僅使用了PoS驗證節點，以太坊邁向能耗下降99.98%的一步。Sigma?Prime補充表示，這并不意味著我們已經準備好進行生產。這是一個原型，仍然有很多問題需要解答和許多工作要做。但這是Eth1和Eth2開發人員正在積極合作進行合并的信號。[2021/3/25 19:17:02]

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：

?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)。

以太坊未確認交易為127,805筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易127,805筆，當前全網算力為356.76TH/s，全網難度為4.75P，當前持幣地址為54,512,589個，同比增加200,801個，24h鏈上交易量為3,544,316.67ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/2/10 19:28:39]

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128GBRAM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。

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10GB縮減到1GB或100MB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？

以太坊未確認交易156657筆:金色財經報道，據btc.com數據顯示，以太坊未確認交易156657筆。當前全網難度2265.34T，平均出塊時間為13.3S，每秒交易數約為10。截至目前以太坊全球均價為198.84美元，24h漲幅為4.47%。[2020/5/14]

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10MB的緩存呢？或是1MB？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1MB的區塊，此外我們還有1MB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2MB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1MB大小的區塊和1MB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2MB。

很明顯2MB的區塊至少與1MB的區塊1MB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2MB的區塊可能只包含1MB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1MB的最佳用途，但是你可以這樣做。額外的1MB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verkletrie？

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verkletries的方向努力。這使得我們可以具有小于1MB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，verkletries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verkletries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(balanceattack)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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