以太坊狀態規模管理諸提議（上）_FTX

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。

Moonbirds創始人：項目代幣將具備多種效用:7月4日消息，Proof兼Moonbirds創始人Kevin Rose今日于個人推特發布了一篇長推，概述了Proof和Moonbirds過去一段時間的發展狀況以及未來規劃。

在談及代幣相關話題時，Kevin Rose提到：“我們項目代幣將有多種效用，并成為藝術、數字和現實生活獎勵的連接紐帶，讓持有者與他們認為有價值的事物建立連接。”

值得一提的是，該推文的配圖列舉了六種效用，分別為：

1. 藝術展覽及合作，比如訪問Proof的策展；

2. 限量版商品和貨物，如獲得一些少量供應的高質量原創周邊；

3. 獨家活動，如參與一些的線下活動；

4. Proof原創系列，如參與一些Proof內部推進的實驗性項目；

5. 白名單，如獲得新項目的鑄造資格；

6. 其他實驗，如獲得游戲等Moonbird相關實驗的體驗資格。[2023/7/4 22:17:21]

在以太坊協議中，狀態信息包括：

Binance NFT將制定計劃使其上BAYC和MAYC質押用戶直接領取Tier 3和Tier 1 Sewer Pass:金色財經報道，對于Yuga Lab即將進行的鑄造，Binance NFT更新了Ape質押相關情況。Binance NFT正在制定一項計劃，直接領取Tier 3和Tier 1 Sewer Pass，并分發給Binance NFT上的BAYC和MAYC質押用戶。一旦智能合約生效，細節將不遲于1月18日公布。

對于選擇其他Tier并希望自行鑄造的用戶，Binance NFT將為在Binance NFT APE Staking Program上選擇過定期產品的用戶開通一次性快速贖回通道。在UTC時間1月12日15:00至1月17日23:59之間提出的所有取消質押請求將在第二天00:00處理，Ape NFT將在72小時內取消質押并返回到用戶帳戶。

對于希望在鑄幣期間和之后繼續使用Binance NFT Ape Staking Program進行質押的用戶，所有BUID都將被快照。忠誠用戶的額外獎勵將在稍后階段公布。[2023/1/13 11:09:28]

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。

Tim Draper：盡管價格低迷且交易量枯竭，但仍有理由懷疑市場已經觸底:金色財經報道，比特幣支持者Tim Draper是2022年對比特幣最樂觀的預測之一，他預測該代幣到今年年底將價值250,000美元。11月，這位億萬富翁風險投資家表示，他將這一預測的時間表延長至 2023 年年中。即使在 FTX 崩潰之后，他仍然相信該代幣將達到百萬分之一的里程碑。比特幣需要上漲 1,400%才能達到該水平。

Tim Draper表示，盡管價格低迷且交易量枯竭，但仍有理由懷疑市場已經觸底，我懷疑2024年的減半會產生積極影響。[2023/1/3 22:21:15]

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。

Alameda曾向FTX高管和關聯公司發放41億美元貸款，SBF獲得10億美元:11月18日消息，根據提交給特拉華州聯邦破產法院的文件，Alameda Research向FTX高管和關聯公司發放了41億美元貸款，其中FTX前首席執行官SBF獲得了10億美元，FTX工程總監Nishad Singh獲得了5.43億美元，FTX Digital Markets負責人Ryan Salame獲得了5500萬美元。而FTX的法律子公司Euclid Way Ltd.和Paper Bird Inc.也獲得了23億美元貸款。

據此前消息，FTX新任首席執行官John J. Ray III對SBF的管理不善行為進行了嚴厲的譴責。Ray表示，在其職業生涯中，從未見過如此失敗的公司控制，以及如此缺乏可信度的財務信息。（CoinDesk）[2022/11/18 13:20:18]

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。

Matter Labs將在明年Q1推出Layer 3測試網Pathfinder:10月10日消息，zkSync開發公司Matter Labs將在2023年Q1推出以太坊擴展原型Pathfinder的公共測試網。這是第一個基于以太坊的Layer 3網絡，可以顯著提高可擴展性。（The Block）[2022/10/10 10:29:50]

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。

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；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

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。

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。

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。

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