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弱无状态性以及/或者状态保质期机制：即将到来

金色财经_以太坊爱好者2021-03-12 10:04:06

以太坊基础层接下来面临的一大挑战就是处理日渐增加的状态数据：当前以太坊区块链的状态数据约有 100 GB（其中就包括状态树节点数据），而且每年大约会增加 50GB。日益膨胀的状态会让同步以太坊区块链、担当区块链的验证者变得越来越困难，还有使网络陷入中心化的风险；尤其，状态数据的增长还有可能变得更快（因为区块 Gas 上限可能进一步提高）。

现在，人们提出了两类技术作为短期内的解决方案：

状态保质期 （State expiry）：从状态中移除那些近期（比如过去一年）没有被访问的状态对象，并且，在 “复活” 这些过期的状态对象时需要提供（证明其存在性的）见证数据（witness）。这将使 每个节点 都要存储的状态数据限制在 20～50 GB。
弱无状态性 （Weak Statelessness）：仅要求区块生产者（block proposer）存储状态，而所有其他节点都无需存储状态即可验证区块。

当然，也有更长期的选择如 “ 完全无状态性 （full statelessness）”：可以认为是上述两种方案的极端形式（你既可以把它当成是保质时长为 0 的状态保质期方案，也可以当成是连区块生产者也无需存储任何状态的弱无状态性方案），但更具有挑战性，因此可以认为在短期内没有投入太多时间的必要。

当然，状态保质期方案和弱无状态性也面临许多挑战（见我最近的一篇文章（中文译本）），不过，不论哪一种方案，近来都有可观的进步，可以大大缓解我们面临的困难。

关于 状态保质期 方案，关键难点在于：

如何组织状态的结构，使得不用的部分就会过期？（我们是在状态树上存储 “存根”，还是把过期的状态对象移到一个单独的树状结构中，还是完全放到别的结构中？）我们是在账户层实现它，还是在存储槽层面实现它（我更倾向于在存储槽层面实现状态保质期方案（中文译本））
灭活状态对象时应采取什么样的流程？尤其是，我们是接连不断地灭活状态对象，还是每隔一段时间（比如 1 年）实施一次灭活行动？“ReGenesis”就是后面这种策略的代称（中文译本）。
如何处理 “ 复活冲突 （resurrection conflicts）” 问题？复活冲突是一个重要的概念。假设某些账户或存储槽在某些地址/位置创建好之后过期了；然后，该账户/存储槽又在相同的位置被重新写入；最后，有些人又尝试复活最初那个已经过期的对象。我们该如何解决这个过期又复活的状态与那个新创建的状态之间的冲突？我的文章有专门的一节详细描述了这个问题。

至于 弱无状态性 ，关键难点在于：

如何使用 Gas 重定价来限制见证数据的上限？（EIP 2929 解决了大部分问题；然而一旦我们引入代码默克尔化（中文译本），就仍然需要为访问每一个合约代码块施加成本）
见证数据的大小：见证数据即向无状态的客户端提供的、用于验证区块有效性的额外数据；这部分数据，即使有了合适的重定价措施，也有约 4 MB，对于我们这个每 13 秒就要广播一次区块的网络来说，还是太大了。
事务的广播：如果客户端并不能直接访问状态来验证事务本身的有效性（nonce 对不对、够不够 ETH 支付手续费），那事务要怎么在网络间传播、验证呢？（译者注：如果客户端无法验证自己收到的事务的有效性，将无论有效无效的事务都一视同仁地转播，则这会变成一个阻塞 P2P 网络的拒绝服务攻击因素。）

幸运的是，近来两种方法都取得了许多进展，这些进展似乎能解决绝大多数困扰：

一些技术能让 ReGenesis 类型的（基于 epoch）的状态保质期方案最小化复活冲突
Piper Merriam 研究了如何在事务广播网络中添加见证消息使之适合无状态客户端；以及分布式的状态存储和按需可得性
Verkle tree，可以将最糟糕情况下的见证数据大小从约 4 MB 降低到约 800 kB（这已经足够小了，因为当前最糟糕情况下（全部是 calldata）的区块可达到约 780 kB，而我们也不得不处理）。看幻灯片、文档和代码。

从理论到实际

两种解决方案都在开发中，可能现在是时候要改观、把它们当成是可行的路径而非研究领域的概念了。至少有一个（可能最终是两个）需要在以太坊上实现。

那这就产生了一个优先级问题：如果我们不得不在两者中挑一个，哪一个更重要一些？Dankrad 分析了弱无状态性；如果有详细讲解状态保质期的工作，那对照起来必定会很有趣（我还没发现有这样的文档；但也许有）。

另一个挑战是，让整个生态准备好付出转变的代价。举些例子：

弱无状态性需要用 verkle tree 来替代二进制树（译者注：原文如此。疑应为 “十六进制树”，即当前的以太坊状态树所用的格式），这会使现今所有的默克尔分支验证器（不论是客户端和还是智能合约）失效
Verkle tree 也要求改变客户端的同步协议
我们还需要添加按代码块计算的 Gas 成本（例如，每访问 32 字节的代码块就需要消耗 500 Gas），这会让某些应用的 Gas 开销比当前的更大
状态保质期方案需要应用重新设计自己的合约，以高效地使用新状态（意思是，当前用于解决复活冲突问题的方案引入了 “旧状态区域” 和 “新状态区域” 的概念，在旧状态区域创建一个新对象需要提交证明，且证明会随时间推移而增大；而在新状态区域创建对象则不需要证明，所以合约（例如 token 合约）需要新的版本和架构来处理这一点，虽然不更新也能继续用，但这样会更不便利，Gas 开销也会更高）
依赖历史数据访问权的 dApp 需要切换到一些另外的协议/L2 机制（比如 The Graph？）中，以访问 1 年以前的数据

好处

解决上述问题需要极大的毅力。但回报是丰厚的：

让更多人能够运行以太坊节点 ，帮助以太坊去中心化以及降低 “Infura 依赖风险”
启用以太坊的无状态验证，大幅降低成为 PoS 验证者的开销 ：实现之后，节点甚至可以选择性地验证以太坊应用的数据，例如：仅验证自己参与了见证（attesting）的区块。这将使我们更接近我们梦寐以求的目标：保证用户使用容易买到的消费级硬件（甚至是手机！）就能成为 PoS 验证者并且长期不变
提高区块 Gas 上限 ：缩减客户端的状态数据规模使我们能安全地大幅提高区块 Gas 上线，为用户提供更低的交易手续费。更小的状态数据意味着这些数据甚至可以放到内存中，因此每次访问状态的实际开销都会更小，因此我们有望安全地提高区块 Gas 上限。
让应用开发者更为确信，此番转变之后，协议的经济模型可以更坚固 ，而且未来不会再有太大改变，因为协议中主要的经济激励不兼容问题（用户只需支付一次费用就可以永久存储一个状态对象）已经终结。