ETH:觀點：以太坊狀態規模管理諸提議（上）

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（創建賬戶、寫入一個合約存儲槽、發送 ETH 到一個新的賬戶……）都會給以太坊添加狀態內容（也即是給狀態數據增加數據對象），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（而未來加入的節點也需要在同步過程中下載這些數據）。

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。

“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：Shapella升級后機構涌向以太坊:金色財經報道，據CME Group官方數據，CME期貨未平倉合約已升至2022年3月以來的最高水平，表明機構交易員涌入加密市場。以太坊于4月12日實施了備受期待的Shapella硬分叉，也稱為上海升級，通過允許隨意提取鎖定的代幣，降低了抵押區塊鏈原生代幣以太幣(ETH)的風險。這一關鍵事件激發了機構對市值第二大加密貨幣(ETH)的興趣。

自4月10日以來，在芝加哥商品交易所(CME)交易的活躍或未平倉的以太期貨合約數量增加了39%，達到6,248ETH。以美元計算，未平倉合約增加了70%以上，達到6.33億美元。

機構通常更喜歡CME期貨等受監管產品，這些產品允許他們在不擁有數字資產的情況下接觸數字資產。因此，與以太幣和比特幣掛鉤的CME期貨被廣泛認為是機構活動的代表。[2023/4/19 14:13:32]

在以太坊協議中，狀態信息包括：

賬戶的 ETH 余額 和 nonce（流水號）

智能合約的代碼

觀點：比特幣礦工手續費收入增加表明牛市開始:金色財經報道，比特幣礦工手續費收入的兩年Z-Score值在很長一段時間后轉為正值，標志著新的對比特幣采用浪潮。從歷史上看，這標志著主要牛市的開始。比特幣年初至今60%的飆升可能只是其上升過程中的第一個里程碑，因為礦工從交易費中獲得的收入正在增加。

根據Glassnode的數據，自2021年年中以來，礦工手續費收入的兩年Z-Score值自2021年年中以來首次轉正。積極的轉變表明礦工的交易費收入偏離兩年均值更高，表明網絡需求增加。從歷史上看，高收費制度的回歸恰逢主要牛市的開始。

注：該Z-Score值衡量比特幣礦工兩年平均手續費收入的標準偏差值，Z-Score值在牛市期間通常為正且上升，而在熊市期間為負。[2023/3/23 13:22:14]

智能合約的存儲項（storage）

與共識機制相關的數據（近期的區塊哈希值，叔塊；權益證明的共識數據還包括驗證者的公鑰以及及其記錄在信標鏈上的活動，等等）

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。

BMEX觀點：目前仍以判斷日線大頂要形成為主，趨勢依舊為空。:昨天的行情基本完全符合預期，昨天提醒了可能要出現的底部，并建議躲掉，在直播間中，低倍杠桿搏了這波反彈并順利獲利，并且在收評和直播中，預告了接下來反彈的目標位，56000-57000，中間出現高點，就是操作機會。

今早8點鐘，出現了5分鐘和15分鐘高點，符合做空要求，如果有發現這兩個點位，現在手上應該已經持有了空單，新高57190附近止損，現在入場按這個止損位，空間有點大，沒有空單的可以等一下后續有沒有新的高點，或者降低杠桿操作。

目前依然是看日線大頂要形成，以做空為主，多單定義為搏反彈，可以放棄，最近幾次分析比較準，但請理性看待，總有看錯的時候，請嚴格做好風控，分析可以看錯，但是交易不能做錯，在看錯時能小虧出局規避風險，才是正確的交易。[2021/3/17 18:51:42]

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：東莞在區塊鏈方面尚未形成企業“抱團”優勢:7月26日消息，華南師范大學計算機學院副院長、博士生導師趙淦森表示，東莞在區塊鏈方面尚未形成企業“抱團”優勢，但是其擁有良好的電子信息技術，這是互聯網開發應用領域的重要基礎，要牢牢抓住粵港澳大灣區發展機遇，創新數據思維，努力發展大數據和人工智能。這些建議為東莞運用好區塊鏈技術帶動高新技術產業發展，搶占未來經濟發展先機提供了借鑒與參考。（東莞日報）[2020/7/26]

難辦的是，許多狀態用過之后就會靜靜地躺在那里（不會再被觸及）；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（EOA）來發送交易，而無需生成一個新的 EOA（EOA 狀態是沒法刪除的）。

觀點：區塊鏈在性能和成本上已達到每筆收入都上鏈的技術要求:4月23日，中國經濟新聞網發文《后瑞幸時代，區塊鏈能否破局“做空”重建中概股信任？》，文中提到，記者采訪區塊鏈圈多位專家，他們一致認為區塊鏈技術在2020年實現了零門檻使用，這才讓非區塊鏈企業具備了使用的前提條件。區塊鏈技術在性能上和成本上也達到了可以每筆收入都上鏈的技術要求。[2020/4/23]

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（人們想要的就是 “無法終止” 的應用！），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。

這個問題的一類解決方案基于 “無狀態客戶端” 的觀念（此文是論述這個觀念的出處 ，此處是演講視頻）。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（或者叫 “見證數據（witness）”），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（state root）”，所訪問的值可以對應著狀態根得到證明（譯者注：默克爾證明即是一種常見的證明技術）。以太坊現在的狀態樹方案（默克爾帕特里夏樹）支持這樣的證明技術，像二進制樹或者 Verkle Trie 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（自己制造的）區塊生成見證數據；但驗證區塊的階段可以是無狀態的；

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（概念上這個叫做 “訪問列表”）。

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”（或者叫 “過期的”）。具體用什么機制來更新狀態，有很多選擇（例如預付 “租金”，或者只需訪問那個狀態），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（以及更新已有狀態對象）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（見證數據），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（對應于其所關切的失活狀態對象的那部分）。

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（或其他狀態對象）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（例如每 6 個月一次）：也就是 ReGenesis 提案（中文譯本）

我自己越來越喜歡 ”觸達即刷新“ 方案，因為（1）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（2）它保證了激活狀態的規模有一個清晰的上限（區塊 Gas 上限 / 觸達狀態對象的 Gas 消耗量 × 狀態存活的時長）。讓大量狀態按照規律的時間間隔過期的方案（也就是 ReGenesis）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（無需遍歷整棵狀態樹而逐個逐個地滅活狀態對象），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。

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（例如，空投就是一個已經出現過的案例）。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（或者存活時間與之成反比）。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（或者說是否已經失活），這也意味著 “復活沖突問題”（詳見下文）不僅會影響賬戶，也會影響存儲槽。

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