以太坊:观点 | 以太坊状态规模管理诸提议（上）

写于2021年2月12日

以太坊协议所面临的一个最为长久且尚未解决的挑战，就是由于状态数据规模不断增长而带来的问题。以太坊区块链上的许多操作都会给以太坊添加状态内容，而所有全节点都必须存储全量的状态数据，这样才能验证新区块以及制造新区块。这些操作只需事务的发送者一次性缴交按gas用量来计量的手续费，但会给整个网络造成永久的持续性成本，因为节点需要存储这些新数据。

这是系统设计中的一个显著的失衡，可能会让以太坊系统变得越来越难用，因为状态中充斥着不再有用处的“垃圾数据”。本文的目的是详细解释问题产生的根源，以及一些解决该问题的方法。如果我们能实现某个解决方案，这将为安全地大幅提高区块Gas上限铺平道路。

本文所论述的研究领域仍在推进中，随时有可能出现更新、更好的想法和更优雅的权衡。

引言：问题出在哪？

“状态”指的是节点若想处理新产生的区块和事务就必须存有的信息。状态与“历史”完全不同，后者是关于过去时间的信息，节点可以保存这些信息以便日后重新广播或归档，但并不是处理区块链所必需的。

观点：Coinbase高估值不意外，加密货币已成为主流金融体系的一部分:投资公司DA Davidson的研究总监Gil Luria说，Coinbase现在已经是大盘股，这释放出一个信号：加密货币已经变成了主流金融体系的一部分。根据FactSet的数据，Coinbase股价在交易的第一天最低达310美元和最高至429.54美元，随后收于328.28美元。

Coinbase的市值远远领先于纳斯达克交易所和洲际交易所等交易所。Luria认为，如此高的估值和差别并不令人感到意外，因为股票、商品和衍生品的市场和交易已经建立，竞争激烈且增长空间较小。他认为Coinbase更像是云计算公司Snowflake或电子商务软件公司Shopify，前面仍有很长的扩张之路。[2021/4/15 20:24:38]

在以太坊协议中，状态信息包括：

账户的ETH余额和nonce

智能合约的代码

智能合约的存储项

与共识机制相关的数据

历史信息则由旧的区块和收据组成。EVM中没有操作码可以让你访问旧区块、旧事务和内容和收据输出，所以节点丢弃这些数据也仍然能验证新区块，所以这些是历史信息。

观点：Telegram放弃TON测试网，但独立项目带来新希望:Telegram放弃了TON测试网，但独立项目带来了新希望。Telegram领导的TON是一个开源项目，其全部代码已于2019年9月在GitHub上发布。作为一个区块链平台，旨在促进支付和托管超出Visa扩展水平的去中心化应用程序，Ton及其内部加密货币Gram将被集成到Telegram Messenger应用程序中，这个应用程序在全球拥有超过4亿用户。

随着TON项目面临SEC的审查，这些计划失败了，TON留给了愿意开发这个项目的独立开发商。在过去的几个月中，出现了许多基于社区的项目，像Free TON、NewTON和TON Community Blockchain。

Free TON是第一个实现的项目，它是由独立的验证者社区于5月7日推出的，就在Telegram首席执行官Pavel Durov发表公开信宣布公司正在退出该项目的前几天。从那时起，另外两个基于TON的项目Newton和TON Community Blockchain（似乎起源于中国TON社区）被创建了。（Cointelegraph中文）[2020/7/15]

上述状态信息列表中的最后一项——共识机制相关数据——在设计上已经精心限制了其规模，因此我们不太需要为此困扰。但前面三项，就令人头大了。这三类状态信息的规模会随着时间推移而不断增大，因为不断会有新用户加入网络，他们会创建新的账户、新的合约，还会加入合约、收到token什么的。

观点：现在可能不是新投资者入场的合适时机:在最近的播客中，Sarson Funds的国民账户主管Kate Shughart分享了她对比特币相关的金融自由理念的看法。她表示：“金融自由是加密货币的核心。它能帮助那些没有银行账户的人，且可以创造出一个有别于传统银行系统的高效系统。”然而，与流行的观点相反，Shughart认为，即使人们应该采用BTC，现在可能也不是新投资者入场的合适时机。事实上，Saunders也认为加密市场缺乏新用户，她指出，新冠疫情导致人们失业，他们将现金作为最后的保护手段。一些报道确实显示，比特币跌破4000美元后，新用户争相购买。Shughart强调说，人们在减半临近时入场就像坐过山车一样：“很多人都进入了加密领域，如果他们是上个月进入的，且没有做尽职调查和研究，其实没有理由现在就入场。在这样的时期，他们只会赔钱。他们应该几个月前就入场。”（AMBCrypto）[2020/5/9]

难办的是，许多状态用过之后就会静静地躺在那里；一旦某个用户停用某个应用之后，就会产生一些“垃圾状态”——不会再派上用场，但会永远存在那里。

理论上，用户可以做到“垃圾不落地”。用户可以仅发布带有SELFDESTRUCT条件的合约，等他们再也用不上这个合约的时候，就调用这个操作码移除这个合约、清空其token余额；他们还可以使用智能合约钱包，通过一个已有的外部持有账户来发送交易，而无需生成一个新的EOA。

声音 | 观点：比特币现在被投资者视为金融体系的重要组成部分:Forge的Michael Carrier近期表示，从投资者的角度来看，2019年具有重要意义，因为加密货币和比特币市场已步入主流，并已被宏观投资者关注。他还进一步指出，宏观和微观投资者现在都认识到，比特币是硬通货、基础货币，以及它与黄金的相似之处。他还声称，比特币现在被投资者视为金融体系的重要组成部分。Carrier总结道：“看看比特币与其他资产的不相关性，比特币首次成为宏观社区的投资组合选项。这是一个重要的趋势，我们在2019年就看到了这一点，随着加密行业不断前进，这种趋势将持续下去。”（AMBCrypto）[2020/2/17]

但是在实践中，这样的激励非常少，而适当的状态清理的技术复杂性又太大了。在许多合约中，给任何人赋予这样调用SELFDESTRUCT的权限都是不合适的，而且，也会给用户体验和代码上也会增加很多复杂性。实际上，由于SELFDESTRUCT用处极其有限而副作用极大，我更倾向于永远移除这个操作码。如果我们真想控制状态数据的规模，我们需要的是一个网络中的节点可以默认丢弃不再被使用的“垃圾状态”的方法。

金色财经现场报道 圆桌环节嘉宾关于让权力逐步下放与超级节点会不会存在冲突的观点:金色财经现场报道，今日在纽约举行的2018区块链无国界峰会上， 星云链联合创始人钟馥百表示，长远来看超级节点的模式权利会下放，更多的人知道区块链是一件好事。没有完全的去中心化，目前超级节点有很好的公关效果。IOST联合创始人及CEO钟家鸣 同意超级节点有着很好的公关效果。长远来看超级节点不是好的选择，他们希望能真正的做出简单的方案。Hydro Protocol联合创始人王博闻表示，超级节点是个动态均衡的。三年之后，90%的当前节点可能会不复存在，可以看到真正对社区友谊的团队会留存到最后。[2018/5/13]

无状态客户端

这个问题的一类解决方案基于“无状态客户端”的观念。基本原理是，让区块验证不再以持有全局状态为前提。相反，区块会自带证据”），证明其所访问状态的值。就跟现在的设计一样，区块内会包含一个“状态根”，所访问的值可以对应着状态根得到证明。以太坊现在的状态树方案支持这样的证明技术，像二进制树或者VerkleTrie这样更高效的方案也可以。见证数据也会证明处理完该块后新状态根的正确性。

无状态性有两种形式：

弱无状态性：出块者仍然需要完整的状态，以为区块生成见证数据；但验证区块的阶段可以是无状态的；

强无状态性：没有任何节点需要完整的转台。反过来，是交易发送者需要提供见证数据，而出块者可以聚合这些数据。交易发送者自己负责存储为所关切的账户生成见证数据所需的部分状态树。

强无状态性是一个非常“优雅”的解决方案，因为它把责任完全转移给了用户，虽然为了保证实践中的良好用户体验，我们需要创造某些类型的协议来帮助不运行个人节点的用户维护状态、并处理用户需要与意料之外的账户交互的情形。打造这样的协议非常难。

此外，所有类型的无状态性都提高了网络所需的数据带宽；而强无状态性还需要交易声明其所交互的账户及存储项的键。

一个更温和的解决方案：状态过期

更温和的解决方案可以归结为不同形式的“状态过期”方案。必须持续得到访问的状态才能保持“激活状态”；而长期无人问津的状态会变成“失活”。具体用什么机制来更新状态，有很多选择，但一般原则是，除非某个状态对象被显式地更新，否则就以某种形式处于失活状态。因此，任何创建新状态对象的活动，都只能成为节点在一段时间内的负担，而不像现在这样变成永久负担。

失活状态，故名思义，就不是“状态”的一部分；想要处理区块或创建区块的节点无需存储失活状态。不过，失活状态不是被完全删除了！在所有类型的状态过期提案中，都预设了某种方法可以“复活”已经失活的状态。

一般原则是，激活状态的使用与当前相同，而失活状态则需通过上述无状态客户端的机制来使用。复活一个过期状态对象的事务需要提供一个证据，来证明该对象是失活状态的一部分。为了能够生成这样的证据，用户自己需要存储和维护至少一部分失活状态。

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何时过期

决定过期条件的设计也有很多种。最常见的几种是：

直接租金：逐块逐块收取“租金”，直接以每个账户的余额来支付；状态对象的余额降到了零，该账户就过期了。

剩余存活时间值：每个状态对象都存储一个”剩余存活时间“值，这个值可以通过支付费用来增加

触达即刷新：每个状态对象都存储一个”剩余存活时间“值，并且每逢读取或写入该账户都会增加该值

所有状态对象定期过期：也就是ReGenesis提案

我自己越来越喜欢”触达即刷新“方案，因为它避免了应用需要创造复杂的经济模型来让用户承担状态租金；以及它保证了激活状态的规模有一个清晰的上限。让大量状态按照规律的时间间隔过期的方案也有同样的好处，但也有一些有趣的权衡：关键好处是，过期方案更简单，但关键不足是，跨过一个过期时点后，你再激活自己的状态对象时，需要多少见证数据会跟你触达状态对象的时间点有关。

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账户层面的过期vs.存储槽层面的过期

状态过期的逻辑既可以运营到账户层面，也可以运用到单个存储槽层面。当前，我强烈偏向于在存储槽层面实现状态过期方案。因为很多合约账户的存储槽数量是不受限制的，任意用户都能加入合约并增加合约名下的存储槽的数量。不管使用什么样的账户层过期方案，想要实际限制状态的规模，租金的数量都必须与合约内存储槽的数量成比例。结果是，用户还是能够仅支付一次性的费用就给合约及其用户施加永久的持续性成本。

要解决这个问题，合约要么加入复杂的内部逻辑，将存储操的租金“转嫁”给用户，要么重新设计自己合约的模式，转向使用CREATE2操作码创建新的合约并使用这些合约来充当存储槽。不管是哪种办法，最后都会变成等价于存储槽层面的过期方案。因此，我个人认为，我们应该仅在合约存储槽层面实现状态过期方案。

但是，存储槽层面的过期方案也有自己的缺点：每个存储槽都要增加一个元数据，指明它何时过期，这也意味着“复活冲突问题”不仅会影响账户，也会影响存储槽。

原文链接:

https://hackmd.io/@HWeNw8hNRimMm2m2GH56Cw/state_size_management

作者:VitalikButerin

翻译:阿剑

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