區塊鏈存儲爆炸：問題、分析與優化_TPS

背景

DeFi、GameFi等去中心化應用的蓬勃發展，極大地增加了對低交易費用的高性能區塊鏈的需求。然而，構建高性能區塊鏈的一個關鍵挑戰是存儲爆炸。下圖是取自Etherscan的圖表，它說明了一個以太坊全節點的區塊鏈數據大小。

從圖中我們可以看出，節點的鏈數據規模穩步增長，現在已經達到~9TB。由于去中心化區塊鏈的一個目標是允許普通配置的計算機運行節點，因此在普通配置的計算機上強制要求9TB+存儲會難以達到。

分解存儲開銷

如果我們進一步分析存儲使用情況，我們可以發現區塊數據只占了約300GB的數據，這一數字遠小于9TB。那么剩下的8.7TB數據從何而來呢？

實際上，存檔節點執行所有塊并保留所有歷史數據，包括：

區塊

狀態

交易收據

這其中，狀態是這8.7TB的主要組成部分。所以有時，我們將存儲爆炸稱為“狀態爆炸”。但是為什狀態會如此之大？

什么是以太坊狀態？

以太坊狀態是一個MerklePatrica樹，其中

區塊鏈公司TAAL購買Chief Fuels公司的100%股權以建造 50MW 比特幣礦場:金色財經報道，總部位于哥倫比亞省的 TAAL 正在購買位于加拿大新不倫瑞克省 Chief Fuels 公司的 100% 股權，以獲得一個倉庫，它計劃將其改造成一個容量高達 50MW 的比特幣礦場。該交易針對目前價值約 1650 萬美元的 TAAL 股票，如果 TAAL 完成其計劃，這筆交易將在人口不足 6,000 的 Grand Falls 打造第二座比特幣礦場。（DCD)[2021/12/21 7:54:36]

葉子節點是地址(0x...)=>帳戶的映射，其中帳戶存儲與地址關聯的余額、nonce等

內部節點維護樹結構，以便可以快速計算整個樹的哈希根

由于存檔節點將保留所有區塊的所有歷史狀態，這意味著MPT中的任何更新都將創建O(log(N))個內部節點，并且不會刪除舊的內部節點。

星火愛心：區塊鏈技術必將為公益慈善帶來根本性變革:12月3日，中國互聯網發展基金會主辦的“鏈接公益——2020區塊鏈+公益慈善研討會”在深圳舉行。來自中國互聯網發展基金會、民政部慈善社工司、賽迪區塊鏈研究院、螞蟻鏈和微眾銀行等行業專家、領軍人物匯聚一堂。星火愛心公益事業發展部總監李民在研討會中深入探討了區塊鏈技術對公益慈善事業的重要影響。

李民表示，“公益的痛點就是公益的起點”。公益行業需要解決“信任”與“成本”問題。中國公眾不缺少善心，但缺少一個基于新技術的，信任、開放、透明的平臺和操作機制。區塊鏈基于利用分布式技術和共識算法重新構造出的信任機制滿足了這樣的需求。區塊鏈技術將推動我國公益慈善進入新時代，將帶來公益模式的創新。他指出，星火愛心推出的“星益鏈”志愿服務平臺，是一個鏈接志愿者、公益組織、企業及心人士的信息共享、上鏈存證和管理服務平臺。相信隨著國家對于區塊鏈技術不斷的深入研究以及在各行業的應用普及，融合區塊鏈技術的應用也會是公益行業發展的必經之路，星火愛心也必定達成在區塊鏈+公益事業中的使命。[2020/12/3 23:00:54]

Geth的全節點

為了解決存檔節點狀態爆炸的問題，Geth的天才工程師們創建了一種稱為“修剪”模式的新模式，該模式僅定期存儲MPT。這里我們舉一個簡化的例子，其中節點只保存每3個區塊的MPT。。

公告 | 聚龍股份：資金繳調撥環節正在應用相關的區塊鏈技術:聚龍股份在互動平臺上表示，目前公司為工行提供硬件設備及相關服務，資金繳調撥環節正在應用相關的區塊鏈技術。[2019/11/20]

通過定期存儲MPT，狀態的存儲大小顯著減少。據Etherscan數據，目前Geth全節點的區塊鏈數據大小約為1TB。

Geth的可快速同步的全節點

通過從創世區塊開始重放所有交易來運行節點的一個問題是，重放所有交易會占用很長時間。一般來說，建立這樣一個節點需要數周時間才能從創世區塊趕上網絡的最新狀態。為了加速節點的啟動過程，Geth進一步提供了一種快速同步模式，可以下載最新的穩定區塊的MPT，而無需重放和維護區塊之前的歷史MPT。下載完MPT后，它會像全節點一樣重放新區塊。

現場 | 邵建良：區塊鏈是可以帶來普適性機會的行業:金色財經現場報道，1月9日，2019首屆海南GFIS國際金融科技創新峰會在海南海口盛大召開，嘉楠耘智區塊鏈總經理、比升資本創始人邵建良進行現場演講，他指出：嘉楠耘智已經實現了7納米技術突破，這在全球是首家，我們還布局了人工智能芯片。嘉楠云平臺希望能與合作伙伴一起，降低區塊鏈挖礦門檻，共同打造更大更公平的云挖礦生態。區塊鏈不知是針對某些人的機會，而是一個可以帶來普適性機會的行業。[2019/1/9]

在不存儲歷史MPT的情況下，一個Geth節點的存儲大小可以進一步減少到447G。通過減去300GB的區塊數據，我們推斷狀態大小約為150GB。

問題

以目前以太坊447GB的存儲大小和15TPS，我們預計具有1TBSSD的普通配置計算機應該能夠運行以太坊節點相當長的一段時間。那么存儲爆炸或狀態爆炸真的存在嗎？或許未來幾年以太坊并不會，但假如我們可以將以太坊的虛擬機(EVM)擴展到數百或數千TPS呢？

讓我們將目光轉向另一個基于EVM的鏈，幣安智能鏈。截至2021年12月8日，BSC已有：

約984GB鏈上數據，其中區塊約占550GB，狀態約占400GB。

20.6623億筆交易，100TPS

動態 | 印度保誠人壽保險公司或將使用區塊鏈技術加快理賠:據thehindubusinessline消息，總部位于印度的ICICI保誠人壽保險有限公司正在考慮使用區塊鏈技術來加快理賠速度。[2018/9/17]

如果我們進一步用交易數量來預測數據大小，我們可以得到：

如果TPS為100，即~3,153MTPY

1年后，總TX~5,219M，區塊~1.375TB，狀態~1.085TB

3年后，總TX~11,525M，區塊~3.025TB，狀態~2.387TB

如果TPS為150，即~4,730MTPY

1年后，總TX~6,796M，區塊~1.809TB，狀態~1.427TB

3年后，總TX~16,256M，區塊~4.327TB，狀態~3.414TB

綜上所述，對于BSC來說，如果保持目前的速度甚至更高，則很快就會達到以太坊存檔節點相同的存儲大小，這是普通計算機幾乎無法運行的。

具有極高TPS區塊鏈的存儲爆炸問題

如果我們對一個極高TPS的區塊鏈做一個更大膽的假設，這個數字會變成多少？我們來考慮一個具有1000TPS的區塊鏈并分析其區塊和狀態大小，將是：

假設tx大小約為100字節，每年區塊所需的存儲量為1000(TPS)*100*365*24*3600=2.86TB

假設MPT有100億賬戶，我們預計狀態大小將為150G/0.18B*10B=8.3TB

將這些數字放在一起，我們很容易得出一個結論，這是大多數普通配置計算機將無法承受的要求！

優化

為了優化存儲成本，我們必須將限制放寬為兼容EVM而不是兼容以太坊。即，我們必須構建/運行另一個支持EVM的鏈，而不是高度優化的以太坊客戶端。

狀態存儲優化

我們提出的第一個優化是使用普通的KV而不是MPT。當MPT很大時，MPT中的所有內部節點可能非常昂貴。而我們的優化將去掉MPT中的所有內部節點。假設每個賬戶的數據大約是50字節，我們可以節省下100億賬戶的數據為：

~10B*50+100GB=600GB，大約是MPT版本的1/10！

雖然使用普通KV會帶來巨大的好處，但一個主要問題是我們無法在如此短的區塊間隔內計算每個區塊的狀態后哈希，這意味著我們將失去以太坊的以下好處：

快速同步：下載任何區塊的狀態并通過重放剩余的區塊來快速同步網絡

分叉檢測：來自對等方新創建的區塊是否會導致與本地執行區塊的狀態不同。

為了啟用快速同步，我們有一個周期性的快照區塊。一個快照區塊包含前狀態哈希這一附加信息，即前一個快照區塊的后狀態哈希：

非快照區塊不維護狀態哈希，而是具有增量哈希，其中包含該區塊的所有交易事務的原始數據庫操作的哈希。這使得分叉檢測成為可能！

我們使用交易前狀態哈希來代替以太坊中區塊的交易后狀態哈希。原因是節點不能立即計算狀交易后的狀態哈希，但是通過使用交易前狀態哈希，節點可以使用整個epoch間隔來計算哈希。例如，假設狀態哈希計算每秒處理10M的狀態數據，那么計算600GB的整個狀態將需要600GB/10M~16.67小時

計算狀態前哈希的流程如下：

1.當一個快照區塊被接收并最終確定時，它的KV狀態被快照，并創建一個后臺線程來迭代所有KV條目并計算哈希。

2.當下一個快照區塊被創建時，計算出的狀態前哈希值將存儲在該區塊中。同樣，節點將創建KV的另一個快照并在后臺計算其哈希。

3.當下一個快照區塊被創建時，節點除了存儲狀態前哈希之外，節點現在可以釋放快照區塊的KV快照，這意味著來自快照區塊以來所有被刪除/更新的數據將被自動垃圾回收

其結果意味著，要存儲狀態，節點只需要最多兩個KV快照。

區塊存儲優化

使用快照區塊，我們可以通過僅存儲以下數據來進一步減少節點中所需的區塊數據：

最新的快照區塊的交易執行前狀態快照，即快照區塊的交易執行后狀態

快照區塊之后的完整區塊?

我們可以對存儲成本進行簡單的數學計算：假設epoch持續時間為2周，則區塊重放大小為

2*14*24*3600*100*1000=224GB！

而且，這里的數字不會隨著時間的推移而增長！

總結

我們分析了以太坊當前的存儲使用情況：

不僅是區塊，狀態存儲消耗了很多的空間

當TPS>1000時，存儲空間用量高得令人望而卻步

我們提出對區塊和狀態進行優化：

區塊大小從每年2.86TB減少到224GB

狀態大小從8.3TB減少到600GB

一臺2TB的普通配置計算機應該能滿足長時間運行節點的條件

缺點：輕節點無法驗證狀態中的一個數據

致謝

感謝dapp-learning主辦此次活動。教學全程視頻可點擊公眾號第二條推送觀看。

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