觀點：以太坊狀態規模管理諸提議（上）_COI

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：供應鏈是區塊鏈的殺手級使用案例，在各個行業都很有潛力:近日，普華永道歐洲區塊鏈社區負責人Husen Kapasi在接受采訪時表示：“區塊鏈世界主要分為兩類：加密和企業區塊鏈——企業區塊鏈是我關注了三年的重點。在過去，我參與過各種數字轉型項目，這也成為我來到區塊鏈領域的契機。驅動我的是區塊鏈的潛力，我關注的重點是區塊鏈和供應鏈的結合。”對于Kapasi來說，區塊鏈技術是新興技術和未來技術的基礎。他表示：“去中心化層有可能帶來巨大的變化。互聯網提供了獲取信息的途徑，區塊鏈帶來了信息的價值。這是改變許多功能、企業和社會的下一條道路。這僅僅是個開始。我很期待未來十年我們會有什么收獲。”

此外他還稱：“供應鏈是區塊鏈的殺手級使用案例，在各個行業都有潛力。這也可能影響到貿易融資和供應鏈IT業務。也許在不久的將來，在你購買產品之前，你可以通過區塊鏈上的信息，在亞馬遜上看到產品供應鏈的所有相關步驟。”然而，Kapasi也承認，區塊鏈不是萬能解決方案：“區塊鏈并不能解決供應鏈的所有問題。關鍵還在于我們如何將區塊鏈與人工智能或分析等其他技術結合起來。公司如何利用區塊鏈取決于確定它要解決的確切問題。”（BeInCrypto）[2021/7/26 1:14:57]

在以太坊協議中，狀態信息包括：

觀點：Coinbase股價將與比特幣價格高度相關:The Block的研究主管Larry Cermak說：“在Coinbase上市股價穩定后，其股價與比特幣的相關性將非常高。當比特幣價格下跌時，Coinbase的收入和股票價格將不可避免地下跌。”（路透社）[2021/4/14 20:19:21]

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：當前的情況下，比特幣可能接近中期高位:BK Asset Management分析師Schlossberg：比特幣的近期上漲可能是短暫的，但加密貨幣的總體漲勢將會持續很長時間。當前的情況下，比特幣可能接近中期高位。[2021/4/2 19:40:57]

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：推特采取的措施不足以防止再次發生黑客攻擊事件:針對推特發生的大規模攻擊事件，惡意軟件實驗室Emsisoft的威脅分析師Brett Callow表示，Twitter隨后采取的安全措施可能還不足以防止將來再次發生此類事件。

他說：“毫無疑問，盡管Twitter將致力于改善其安全性，但事實是，還沒有一種完全確定的方法來防止帳戶被接管，并且類似的事件幾乎肯定會再次發生。”（Cointelegraph）[2020/7/21]

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。

觀點：區塊鏈技術為深化反腐敗斗爭提供新助力:正義網7月14發表評論文章稱，方興未艾的區塊鏈技術為政府廉政建設提供了良好思路。區塊鏈本質上是一個去中心的分布式賬本數據庫,具有去中心化、不可偽造、不可撤銷、可驗證等特征,在促進信息共享、深化政務公開、保障舉報人信息安全和貪腐案件境外追逃追贓等方面具有不可替代的作用。文章提到，區塊鏈去中心化、分布儲存的特點有利于實現部門間信息的實時互通和資源共享,有利于有效強化廉政風險防控,對預防腐敗、加強廉政建設起到重要作用。區塊鏈技術可以為深化政務公開改革提供技術支持。區塊鏈基于開源的網絡系統,這意味著整個系統公開透明,該特質保障了數據庫中的信息不可偽造,不可撤銷。文章中還表示，區塊鏈開源的特性也解決了一些部門不愿信息公開、回避監督的問題,有利于降低腐敗發生風險,有助于社會參與和監督政府政務活動。[2020/7/14]

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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