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以太坊：用于状态网络的可扩展广播方案

以太坊爱好者2021-03-29 09:11:56

在我之前的新型交易 gossip 广播网络设计中其实可以看到我最初在为状态网络设计 gossip 广播方面的尝试。在之前的文章中，我介绍了一种设计，可以让节点在无需处理完整交易池的情况下参与 gossip 广播。

从较高层面上来说，我们关于交易 gossip 广播的问题陈述如下（忽略 DOS 攻击/安全性要求）：

交易来自整个网络。
一些网络参与者本身就需要维护完整的交易池（例如，矿工、抢跑交易者）。
一些网络参与者缺少足够的资源来处理完整的交易池（例如，轻客户端）。

我提议的交易 gossip 广播方案采用了距离指标【我们称之为 radius （半径）】，让节点可以自行调整它们必须处理的交易池规模。节点采用一组简单的规则来管理与之连接的对等节点集合，从而形成网络拓扑结构。半径最大的节点被视为网络的“中心”，半径最小的节点被视为网络的“边缘”。

该方案之所以有效，主要的两点原因如下：

第一，我们预期，节点的半径值会有很大差别，但同时都会相对较大。这种差异源自那些有动力维护“完整”半径以及“较大”半径的参与者。正是这些节点将位于网络边缘的节点连接到了一起。

第二，我们关于半径值较大的预期是根据键空间推测出的。根据 Peter 最近关于交易池的文章，geth 节点默认最多可维护 4000 笔交易。在任意时刻，整个网络中的待处理交易高达 4 万至 40 万笔。轻节点无法处理 4000 笔交易，但是处理其中 5% 不成问题。因此，我们预期半径值通常在整个键空间的 1% 至 100% 之间。

将同样的设计应用到状态 gossip 广播上（并不奏效）

我最初尝试将这种设计应用到针对状态网络的 gossip 广播上，但是没有成功。主要原因如下：

第一，状态网络中各节点在半径值上的差异会小得多。我们预期不太可能会有网络参与者维护“完整”半径。这会导致网络中缺少一个起到连接边缘作用的“中心”。

第二，半径值会很小。假设有 200 GB 的状态，平均每个节点提供 100MB 的存储空间，且复制因子为 10，那么计算下来我们需要一个由 2 万个节点组成的网络。平均每个节点需要存储 0.002%（1/20,000）的数据。

正是上述两个不同之处从根本上改变了网络拓扑结构，导致原来的交易 gossip 广播网络设计失灵。

与交易 gossip 广播不同的目标

别忘了，交易 gossip 广播的目标之一是，让交易进入矿工所在的网络“中心”。位于网络边缘的节点其实不是很在乎是否能看到所有待处理交易，即使一个都看不到也没关系。它们主要关心的是能否广播自己的交易，并让这些交易可靠地打包进区块内。

状态网络不仅缺少中心，而且数据流向与交易 gossip 广播相反。状态 gossip 广播的目标是将数据发送到网络边缘进行存储。

另外，在交易 gossip 广播中，消息来自整个网络；在状态网络中，我们预期新数据只会来自一小部分友善的桥节点。这些桥节点负责生成证明，并将这些证明发送到状态网络。

中继机制会导致 DOS 攻击和不可归因的错误

我想到的一个改进方向是引入中继节点。

我们预期每个节点会对网络中 0.002% 的数据（体量很小）感兴趣。我认为，根据我的结论可以构建出多个不同的网络模型，但是一种简单的做法是，根据 DHT 网络中每个节点的路由表为 gossip 节点之间的连接构建模型。在这样一个网络中，数据需要经过 log(n) 跳才能到达需要它的节点那里。

这里的问题在于，如果一个节点转发了其它节点都不感兴趣的数据，但是这个数据需要经历一次以上的跳跃，就会变成一个放大向量。恶意节点可以通过在 gossip 网络中广播无用数据来放大 DOS 攻击。

一个笨办法

目前，我比较偏向于一个 “笨” 办法，旨在从非网络层面解决上述问题。

有 “一小批” 状态提供商节点为每个区块内新的状态数据生成证明。
每个证明预期有大约 2000 个 trie 节点。其中一部分节点是新数据或更新后的数据。只有这个子集需要发送到网络中。

已知每个节点只关心每个区块中 0.002% 的数据，也就是说不同节点感兴趣的数据之间很少有重叠。如果一个区块内包含 2000 条新数据，我们可以预见每条数据要发送给完全不同的节点。这就意味着，为了在区块时间内广播新区块的证明数据，一个状态提供商每 15 秒要将 2000 个不同的证明发送给 2000 个不同的节点。要做到这点不是不可能，但是会很难。一旦证明大小增加或网络延迟稍微高一点，状态提供商就无法在区块时间内发送完整的证明数据。

幸好我们可以有不止一个数据提供商。我们可以合理预期将会出现数量不多（但是不会很少）的状态提供商发送证明数据。在这个模型下，我们可以设计一个能够在不同状态提供商之间平均分配负载的系统。

每个状态提供商都会为每一个新区块生成证明。状态提供商会按照距离其节点 ID（ node_id ）的远近对该证明包含的每项数据进行排序，先从那些距离最近的数据开始，查询对这些数据感兴趣的节点，并将它们广播出去。在这个模型中，负载会在不同状态提供商之间平均分配。等轮到那些距离其节点 ID 较远的数据时，状态提供商会发现节点对这些数据的兴趣减弱，因为其节点 ID 距离这些数据较近的提供商已经广播了这些数据。