区块链:观点：以太坊状态规模管理诸提议（上）

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：区块链指标显示比特币价格有望短期继续上涨:9月16日消息，英国数字资产经纪商GlobalBlock交易员Marcus Sotiriou表示，“区块链指标继续显示鲸鱼（比特币大买家）囤积代币。相对强度指数（RSI）指标的四小时看涨背离已得到证实，表明短期内继续上行。”RSI指数4小时图表显示现已超买，表明买家可能在5万美元阻力位之前挣扎。

交易员也在等待9月24日的季度比特币期权到期日，这可能是波动的一个来源。根据Skew数据，下周将有5万美元未平仓期权到期。此外，比特币在日线图表上形成“黄金交叉”，这是一种罕见但被密切跟踪的模式，通常发生在资产上涨时。值得注意的是，该指标对未来趋势的预测能力有限。CoinShares投资策略师James Butterfill警告称，当专家们将黄金交叉形态称为看涨的技术信号时，交易员应该“谨慎”。这一指标“并不是正回报的一致预测指标”。

比特币的稳定币供应量比率（SSR）开始上升，该比率衡量的是加密货币的供应量相对于BTC表示的稳定币总供应量的比率。一些分析师认为，更高的SSR对比特币价格有利。（CoinDesk）[2021/9/16 23:28:53]

在以太坊协议中，状态信息包括：

观点：比特币连续数周收于8700美元上方，“持续看涨”可能性很高:行业研究公司MarketsScience团队的一名加密货币交易员最近分享的一张图表显示，比特币最近跌至9000美元的低点后，目前的交易价格在月开盘价和周开盘价之间，处于一个狭窄的区间。尽管他对这一点的重要性没有发表任何评论，但表示，比特币连续数周收于8700美元上方，或将继续看涨。（Bitcoinist）[2020/6/14]

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。

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：28万亿美元市场规模的美国退休行业将向加密货币开放:金融托管公司Kingdom Trust的首席执行官Ryan Radloff表示，“世代相传”将很快使28万亿美元市场规模的美国退休行业向加密货币开放。

“目前，所有这些钱都将经历这种代际变化，而如今几乎没有比特币渗透到该市场。”（Cointelegraph）[2020/6/3]

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。

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。

观点：超高净值人士可能很快对比特币产生兴趣:加密货币分析师Plan B认为，超高净值人士（净资产超过3000万美元）可能很快对比特币产生兴趣。他表示，目前有超过20万名超高净值人士，一旦他们对比特币感兴趣，不会只购买一两枚而是更多。如果发生这种情况，比特币的采用率和价格会发生根本性的转变。即使这些投资者中有10％转向比特币并决定购买一些，也会对比特币产生重大影响。（U.Today）[2020/5/20]

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。

观点：印度最终将成为加密货币的主要市场:印度最高法院此前撤销印度储备银行（RBI）加密禁令。然而，似乎并非所有的银行都在遵守新规定，仍有银行拒绝为加密相关公司提供服务。Exiom首席执行官Dileep Seinberg称，在全球范围内，采用新技术并了解其（对金融科技尤其是银行）影响一直是挑战。西方世界花了一些时间来理解区块链技术对银行业的影响，以及新货币将如何发挥作用。他仍然乐观，尽管印度在监管方面采取保守态度，印度将成为加密货币的主要市场，正如人们在支付钱包行业看到的那样。加密货币的采用将会很快发生，“印度只是在等待正确的推动。”印度区块链传道者和新兴技术顾问Sharat Chandra称，印度银行正在等待RBI就与加密相关交易发表官方消息。商品和服务税（GST）委员会可能会将加密货币纳入其范围，作为增加收入的手段。加密公司应继续采取法律手段，迫使银行遵循最高法院的裁决。在短期内，加密支付将变得更容易接受。“在新冠肺炎之后，数字和加密相关支付将占据主导地位。越来越多银行开始对CBDC感兴趣。我坚信RBI将摆脱抑制，加入其他央行的行列，通过利用数字货币进一步推动金融包容的事业。”（Cointelegraph）[2020/5/8]

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。

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。

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。

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