觀點 | 以太坊狀態規模管理諸提議（上）_區塊鏈:PAY

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：區塊鏈技術能夠大幅度降低碳市場應用的成本:11月25日，在中國銀行業協會與深圳市地方金融監督管理局的指導下，由中小銀行互聯網金融(深圳)聯盟、《中國銀行業》雜志社聯合主辦,深圳市銀行業協會、金融壹賬通協辦的第五屆中國數字銀行論壇順利召開。倫敦大學可持續金融與基建轉型學院首席教授、廣東南方CCUS中心秘書長梁希在大會上分享了數字化技術如何助力金融機構碳排放管理。梁希表示，金融機構在應對氣候變化工作時要特別注意管理好氣候風險和轉型風險。數字化技術,特別是區塊鏈等信息化技術未來將在碳市場中大有可為。一方面，區塊鏈技術能夠大幅度降低碳市場應用的成本，提高客戶的黏性和忠誠度。另一方面,還增強碳市場的透明度,提升信息的對稱性。“基于區塊鏈的企業碳交易,可以可靠地記錄和傳輸信息流,實現供應商與需求者之間的點對點交易，有效降低碳交易市場的進入門檻。”（東方網）[2021/11/26 12:34:25]

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

觀點：比特幣此番上漲由機構推動，而非散戶投機:比特幣本月上漲了約30%，周三突破了13852美元，是2019年6月以來的最高水平。業內人士對此表示，比特幣最近的上漲并不是散戶投資者的又一次投機狂潮，機構投資者的興趣在不斷上升，包括PayPal決定允許客戶使用加密貨幣，以及摩根大通的JPM Coin首次用于支付。研究機構Coin Metrics聯合創始人Nic Carter稱，\"這波漲勢似乎更多是由持倉規模更大的配置者推動，而非散戶投資者。\"（彭博社）[2020/10/28]

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。

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。

觀點：支持比特幣將使PayPal為CBDC做好準備:根據多位金融科技專家的說法，PayPal支持比特幣支付可能無助于將現有加密貨幣從其利基市場中撤出，因為比特幣持有人經常將其視為類似于黃金的投資資產，而不是一種支出手段。專家說，PayPal的決定可能有助于該公司在競爭日益激烈的數字支付領域吸引新用戶，在這種競爭中，創新至關重要。這也有可能使該公司為主流數字貨幣的出現做好準備，例如由中央銀行開發的數字貨幣。其他專家認為，這種關聯可能會使PayPal比加密貨幣受益更多。實際上，在計劃公布后，該公司的股票上漲了5％以上。(路透社)[2020/10/23]

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：通過改進代幣經濟和治理設計，SushiSwap更有價值和彈性:9月2日消息，Ideo CoLab常務董事Ian Lee在Substack博客中說，通過改進代幣經濟和治理設計，SushiSwap變得更有價值。他還稱，集成到現有的DeFi平臺和預先計劃的升級以引入更好的獎勵和功能，然后在出現分叉時直接推出，也可能使現有協議更具彈性。（cointelegraph）[2020/9/2]

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。

動態 | 各地法院對虛擬貨幣案件大致持有三種觀點:今日《證券日報》發文稱，最近4年，和比特幣相關的案件數量增加了11倍之多，而且距離2018年結束還有1個月，這一數字可能還將增加。當前，各地法院對虛擬貨幣案件大致有三種觀點：一是認為投資和交易虛擬貨幣行為在我國不受法律保護，后果需自己承擔；二是虛擬貨幣是有價資產，法律會對受害人資產予以保護；三是對虛擬貨幣進行的定價和計價行為無效，即使將定價寫入合同也不具備法律效力，無法得到法律保護。[2018/11/30]

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。

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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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