科普：Vitalik 近期演講頻繁提到的“無狀態”是什么？對以太坊去中心化有什么意義

2023-09-18 16:09:22

編譯：GaryMa 吳說區塊鏈

Vitalik 在近期的韓國區塊鏈周、新加坡演講甚至是以太坊執行層核心开發者會議 (ACDE) 上，都共同提及過一個話題：狀態（State），而隨之左右的則是與其相關的各種解決方案概念，如無狀態、狀態過期（State Expiry）、歷史數據過期（History Expiry，EIP-4444）、Verkle 樹、甚至是地址空間的擴展壓縮（Address Space ExpandCompression）。當然，這其實也不是什么新的路线圖調整規劃，在 Vitalik 去年 11 月發布的以太坊的最新路线圖中，這些主要歸屬於 The Verge 和The Purge 關鍵路线。

本文便結合這兩大關鍵路线以及一些新的思路挑战，一起回顧一下 Vitalik 心中的狀態解決路线。

狀態（State）

以太坊中的狀態指的是一個包括所有外部擁有账戶（EOAs）、它們的余額、智能合約部署以及相關存儲的綜合账本。這個狀態不是靜態的；它會隨着新用戶的增加和新智能合約的部署而不斷擴展。

目前，全節點必須存儲這個不斷增長的數據集，以正確驗證區塊並確保狀態轉換正確，使驗證過程本質上是有狀態的。而這種不斷增長的存儲要求因此提高了運行全節點的硬件要求，將導致驗證者越來越中心化。

根據 etherscan.io/ 數據，當前運行一個快速同步全節點至少需要 1200 Gb（以 Geth 客戶端為例），這還是在已經進行了狀態修剪，刪除了較早之前的狀態數據，只保留最近的狀態的前提下。如果是存檔節點，即全節點會保留所有歷史狀態，包括每個區塊的狀態，那么需要的容量需要約 15,400 Gb，並且未來還是一直增長，即社區常說的 “狀態爆炸”。

這也是 Vitalik 在韓國區塊鏈周上所強調的：節點的中心化是以太坊網絡面臨的最大問題之一，應該通過使節點的運行更便宜、更容易來解決。

為了應對這一系列挑战，以太坊社區一直在努力尋找改進和優化的方法，即我們开頭所例舉的各種解決方案概念。

狀態解決方案

無狀態（Statelessness）

無狀態（Stateless）核心概念是將狀態數據外部化，不再需要每個節點存儲完整的狀態。在這種模式下，節點只需維護區塊頭和相關交易信息，通過狀態證明（State Proofs）來驗證和重建狀態。

無狀態的主要作用和意義在於減輕節點的存儲負擔，提高網絡可擴展性，使更多節點能夠輕松參與驗證，同時仍然保持了以太坊的去中心化性質。

Verkle樹

目前，以太坊依賴 Merkle-Patricia 樹來哈希和壓縮其狀態數據。然而，這種樹結構中 Merkle 證明的大小可能會變得太大，使它們不太適用於無狀態模型所需的見證。

為了解決這個問題，以太坊計劃過渡到 Verkle 樹，這是一種更高效的數據結構。Merkle-Patricia 樹和 Verkle 樹都共享一個重要的能力，即生成見證——密碼學證明，允許任何人輕松確認狀態根中特定信息的存在與公开可用。

Verkle 樹的優勢在於它們在生成較小的證明大小方面效率更高。

歷史數據過期（History Expiry，EIP-4444）

EIP-4444 旨在實施歷史數據過期，這是一項升級，要求節點停止在點對點網絡上托管超過一年的歷史區塊。刪除歷史數據顯著減輕了節點運營者的磁盤空間需求。同時，它還通過消除適應歷史區塊不同版本的代碼的需要，簡化了客戶端軟件。此外，EIP-4444 與 PDS（Proto-danksharding）的結合確保了定期數據修剪；EIP-4444 每年修剪一次，而 PDS 每月修剪一次數據區塊。盡管這有助於減少節點的數據存儲需求，但也引發了有關歷史數據的保存和恢復的擔憂。

狀態過期（State Expiry）

無狀態性消除了驗證者在驗證區塊時需要維護完整狀態的必要性。但狀態並不會消失；它的持續增長仍然是網絡的長期挑战。

為了解決這個根本問題，社區便提出了狀態過期（State Expiry）方案。

狀態過期將自動修剪那些保持不變的狀態部分，比如一年，將它們移到一個單獨的樹結構中，並從主要的以太坊協議中刪除它們。

值得一提的是，狀態過期只有在遷移到 Verkle 樹後才變得可行。另外，Vitalik 在韓國區塊鏈周 KBW2023 上表示：如果有無狀態和 PBS，狀態過期可以是低優先級的。

因為如果屆時區塊提議者構建者分離（Proposer-Builder Separation、PBS）實現後，在無狀態下，盡管區塊構建者仍需要訪問狀態來創建區塊，但屆時的區塊構建者已經被預期能夠有效處理狀態的增長，因為這領域允許一定程度的中心化，構建者們的節點性能自然能夠滿足需求。

盡管目前協議級別 PBS 尚未納入以太坊主網，但是我們大致通過了解 Mev-Boost PBS 當前的市場分布，也能大致了解未來主網的一個趨勢走向，mevboost.pics 的數據統計如下：

另外，狀態過期（State Expiry）的實現涉及以太坊地址格式的改變，目前有兩種方案：地址空間擴展（address space extension）vs 地址空間壓縮（address space compression）。前者是將地址長度增加到 32 字節（當前地址格式為 20 字節），但需要復雜的邏輯來向後兼容並且現有的合約也必須更新；後者雖然保留 20 字節格式，不過將前 6 字節用於前綴以及地址周期的標識，雖然這樣大大減少了兼容難題，但也隨之引來另一個難題，地址長度只剩下 14 字節便不再具有抗碰撞能力，從而引入一些地址創建的潛在安全問題，這也是目前社區所面臨的重大挑战。

總結

現在，我們大致可以根據上述技術解決方案的實現難題以及緩急，排除前後優先級（2 或許可以同等）：

1. Verkle 樹

2. PBS

3. 無狀態

4. 歷史數據過期（EIP-4444）

5. 以太坊地址格式的改變（壓縮/擴展）

6. 狀態過期

綜上，可降低節點運行門檻，保持節點的去中心化以及潛在的狀態爆炸問題，減輕狀態增長以優化網絡通信負載。

當然，目前依舊是任重道遠。