DES:觀點 | 以太坊狀態規模管理諸提議（上）

寫于2021年2月12日

以太坊協議所面臨的一個最為長久且尚未解決的挑戰，就是由于狀態數據規模不斷增長而帶來的問題。以太坊區塊鏈上的許多操作都會給以太坊添加狀態內容，而所有全節點都必須存儲全量的狀態數據，這樣才能驗證新區塊以及制造新區塊。這些操作只需事務的發送者一次性繳交按gas用量來計量的手續費，但會給整個網絡造成永久的持續性成本，因為節點需要存儲這些新數據。

這是系統設計中的一個顯著的失衡，可能會讓以太坊系統變得越來越難用，因為狀態中充斥著不再有用處的“垃圾數據”。本文的目的是詳細解釋問題產生的根源，以及一些解決該問題的方法。如果我們能實現某個解決方案，這將為安全地大幅提高區塊Gas上限鋪平道路。

本文所論述的研究領域仍在推進中，隨時有可能出現更新、更好的想法和更優雅的權衡。

引言：問題出在哪？

“狀態”指的是節點若想處理新產生的區塊和事務就必須存有的信息。狀態與“歷史”完全不同，后者是關于過去時間的信息，節點可以保存這些信息以便日后重新廣播或歸檔，但并不是處理區塊鏈所必需的。

觀點：比特幣網絡可能因能源消耗成為被監管對象:金色財經報道，獨立研究員Kyle McDonald預測，比特幣網絡可能會被管制，導致比特幣價格崩潰。他認為，以太坊轉向所謂的“權益證明”之后，投資者和監管機構可能會意識到，目前的能源密集型方法，即“工作量證明”其實從來就沒有必要。McDonald提到“氣候危機”和比特幣對能源的大量使用。他說，因為“比特幣沒有像以太坊那樣的協調能力，無法離開工作量證明”，它可能是“第一個被監管的對象”。（CoinDesk）[2022/9/3 13:06:12]

在以太坊協議中，狀態信息包括：

賬戶的ETH余額和nonce

智能合約的代碼

智能合約的存儲項

與共識機制相關的數據

歷史信息則由舊的區塊和收據組成。EVM中沒有操作碼可以讓你訪問舊區塊、舊事務和內容和收據輸出，所以節點丟棄這些數據也仍然能驗證新區塊，所以這些是歷史信息。

上述狀態信息列表中的最后一項——共識機制相關數據——在設計上已經精心限制了其規模，因此我們不太需要為此困擾。但前面三項，就令人頭大了。這三類狀態信息的規模會隨著時間推移而不斷增大，因為不斷會有新用戶加入網絡，他們會創建新的賬戶、新的合約，還會加入合約、收到token什么的。

觀點：涉足比特幣挖礦領域可能會讓伊朗成為最富有的國家之一:巴基斯坦著名電視和視頻主持人Waqar Zaka在推特上表示，現在伊朗政府據說擁有超過45000臺比特幣礦機。這可能會幫助伊朗成為世界上最富有的國家之一，并避免美國施加的經濟制裁。此前有報道稱，伊朗已經解除了對加密貨幣的禁令，并涉足比特幣挖礦領域。政府宣布將購買當地礦工產出的所有比特幣。比特幣支持者Max Keiser認為，伊朗和委內瑞拉進入加密貨幣挖礦市場可能會獲利數萬億美元。（U.Today）[2021/2/8 19:14:45]

難辦的是，許多狀態用過之后就會靜靜地躺在那里；一旦某個用戶停用某個應用之后，就會產生一些“垃圾狀態”——不會再派上用場，但會永遠存在那里。

理論上，用戶可以做到“垃圾不落地”。用戶可以僅發布帶有SELFDESTRUCT條件的合約，等他們再也用不上這個合約的時候，就調用這個操作碼移除這個合約、清空其token余額；他們還可以使用智能合約錢包，通過一個已有的外部持有賬戶來發送交易，而無需生成一個新的EOA。

但是在實踐中，這樣的激勵非常少，而適當的狀態清理的技術復雜性又太大了。在許多合約中，給任何人賦予這樣調用SELFDESTRUCT的權限都是不合適的，而且，也會給用戶體驗和代碼上也會增加很多復雜性。實際上，由于SELFDESTRUCT用處極其有限而副作用極大，我更傾向于永遠移除這個操作碼。如果我們真想控制狀態數據的規模，我們需要的是一個網絡中的節點可以默認丟棄不再被使用的“垃圾狀態”的方法。

觀點：鮑威爾即將發表的通脹演講可能會提振比特幣:美國聯邦儲備委員會主席鮑威爾周四將在杰克遜霍爾經濟政策研討會（Jackson Hole Economic Policy Symposium）發表主旨演講，預計他將提振通脹預期。分析師表示，這最終可能導致美元進一步下跌，并增加比特幣交易員和投資者的購買力。因為數據顯示，比特幣最近的上漲在某種程度上是受到美元貶值的推動。（Coindesk）[2020/8/25]

無狀態客戶端

這個問題的一類解決方案基于“無狀態客戶端”的觀念。基本原理是，讓區塊驗證不再以持有全局狀態為前提。相反，區塊會自帶證據”），證明其所訪問狀態的值。就跟現在的設計一樣，區塊內會包含一個“狀態根”，所訪問的值可以對應著狀態根得到證明。以太坊現在的狀態樹方案支持這樣的證明技術，像二進制樹或者VerkleTrie這樣更高效的方案也可以。見證數據也會證明處理完該塊后新狀態根的正確性。

無狀態性有兩種形式：

弱無狀態性：出塊者仍然需要完整的狀態，以為區塊生成見證數據；但驗證區塊的階段可以是無狀態的；

V神：特朗普推特觀點被屏蔽或開啟政府與社交媒體關系的新篇章:周六，美國總統特朗普的推文因違反推特的規則而遭到屏蔽，推特認為特朗普的言論可能引發暴力而對其推特進行了審查屏蔽。對此，以太坊創始人V神評論稱：“之前我就說到了‘監管政府的企業’正在興起，現在推特認為特朗普的言論可能引發暴力而對其推特進行了審查屏蔽。 這是一次重大升級，并且可能成為公司與國家之間關系的新篇章”。[2020/5/30]

強無狀態性：沒有任何節點需要完整的轉臺。反過來，是交易發送者需要提供見證數據，而出塊者可以聚合這些數據。交易發送者自己負責存儲為所關切的賬戶生成見證數據所需的部分狀態樹。

強無狀態性是一個非常“優雅”的解決方案，因為它把責任完全轉移給了用戶，雖然為了保證實踐中的良好用戶體驗，我們需要創造某些類型的協議來幫助不運行個人節點的用戶維護狀態、并處理用戶需要與意料之外的賬戶交互的情形。打造這樣的協議非常難。

此外，所有類型的無狀態性都提高了網絡所需的數據帶寬；而強無狀態性還需要交易聲明其所交互的賬戶及存儲項的鍵。

一個更溫和的解決方案：狀態過期

聲音 | 美聯儲哈克：美國需要開始對中央銀行的數字貨幣進行辯論和調研，但認為自己的觀點是“少數的”:10月2日消息，美聯儲哈克：美國需要開始對中央銀行的數字貨幣進行辯論和調研，但認為自己的觀點是“少數的”。（金十）[2019/10/3]

更溫和的解決方案可以歸結為不同形式的“狀態過期”方案。必須持續得到訪問的狀態才能保持“激活狀態”；而長期無人問津的狀態會變成“失活”。具體用什么機制來更新狀態，有很多選擇，但一般原則是，除非某個狀態對象被顯式地更新，否則就以某種形式處于失活狀態。因此，任何創建新狀態對象的活動，都只能成為節點在一段時間內的負擔，而不像現在這樣變成永久負擔。

失活狀態，故名思義，就不是“狀態”的一部分；想要處理區塊或創建區塊的節點無需存儲失活狀態。不過，失活狀態不是被完全刪除了！在所有類型的狀態過期提案中，都預設了某種方法可以“復活”已經失活的狀態。

一般原則是，激活狀態的使用與當前相同，而失活狀態則需通過上述無狀態客戶端的機制來使用。復活一個過期狀態對象的事務需要提供一個證據，來證明該對象是失活狀態的一部分。為了能夠生成這樣的證據，用戶自己需要存儲和維護至少一部分失活狀態。

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何時過期

決定過期條件的設計也有很多種。最常見的幾種是：

直接租金：逐塊逐塊收取“租金”，直接以每個賬戶的余額來支付；狀態對象的余額降到了零，該賬戶就過期了。

剩余存活時間值：每個狀態對象都存儲一個”剩余存活時間“值，這個值可以通過支付費用來增加

觸達即刷新：每個狀態對象都存儲一個”剩余存活時間“值，并且每逢讀取或寫入該賬戶都會增加該值

所有狀態對象定期過期：也就是ReGenesis提案

我自己越來越喜歡”觸達即刷新“方案，因為它避免了應用需要創造復雜的經濟模型來讓用戶承擔狀態租金；以及它保證了激活狀態的規模有一個清晰的上限。讓大量狀態按照規律的時間間隔過期的方案也有同樣的好處，但也有一些有趣的權衡：關鍵好處是，過期方案更簡單，但關鍵不足是，跨過一個過期時點后，你再激活自己的狀態對象時，需要多少見證數據會跟你觸達狀態對象的時間點有關。

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賬戶層面的過期vs.存儲槽層面的過期

狀態過期的邏輯既可以運營到賬戶層面，也可以運用到單個存儲槽層面。當前，我強烈偏向于在存儲槽層面實現狀態過期方案。因為很多合約賬戶的存儲槽數量是不受限制的，任意用戶都能加入合約并增加合約名下的存儲槽的數量。不管使用什么樣的賬戶層過期方案，想要實際限制狀態的規模，租金的數量都必須與合約內存儲槽的數量成比例。結果是，用戶還是能夠僅支付一次性的費用就給合約及其用戶施加永久的持續性成本。

要解決這個問題，合約要么加入復雜的內部邏輯，將存儲操的租金“轉嫁”給用戶，要么重新設計自己合約的模式，轉向使用CREATE2操作碼創建新的合約并使用這些合約來充當存儲槽。不管是哪種辦法，最后都會變成等價于存儲槽層面的過期方案。因此，我個人認為，我們應該僅在合約存儲槽層面實現狀態過期方案。

但是，存儲槽層面的過期方案也有自己的缺點：每個存儲槽都要增加一個元數據，指明它何時過期，這也意味著“復活沖突問題”不僅會影響賬戶，也會影響存儲槽。

原文鏈接:

https://hackmd.io/@HWeNw8hNRimMm2m2GH56Cw/state_size_management

作者:VitalikButerin

翻譯:阿劍

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