ETH:以太坊存儲爆炸問題的分析與優化_METH

編按：本文為QuarkChain創始人兼CEO周期博士撰寫的技術文章，并以此文章為基礎，在DAppLearning進行了技術分享講座。

DeFi、GameFi等去中心化應用的蓬勃發展，極大地增加了對低交易費用的高性能區塊鏈的需求。然而，構建高性能區塊鏈的一個關鍵挑戰是存儲爆炸。下圖是取自Etherscan的圖表，它說明了一個以太坊全節點的區塊鏈數據大小。

從圖中我們可以看出，節點的鏈數據規模穩步增長，現在已經達到~9TB。由于去中心化區塊鏈的一個目標是允許普通配置的計算機運行節點，因此在普通配置的計算機上強制要求9TB存儲會難以達到。

區塊

狀態

交易收據

這其中，狀態是這8.7TB的主要組成部分。所以有時，我們將存儲爆炸稱為“狀態爆炸”。但是為什狀態會如此之大？

數據：以太坊網絡當前已銷毀超56.1萬枚ETH:金色財經報道，據Ultrasound數據顯示，截止目前，以太坊網絡總共銷毀560890.25枚ETH。其中以OpenSea開頭地址銷毀809.92枚ETH，ETHtransfers銷毀603.04枚ETH，UniswapV2銷毀517.94枚。注：自以太坊倫敦升級引入EIP-1559后，以太坊網絡會根據交易需求和區塊大小動態調整每筆交易的BaseFee，而這部分的費用將直接燃燒銷毀。[2021/10/18 20:36:23]

什么是以太坊狀態？

以太坊狀態是一個MerklePatrica樹，其中

葉子節點是地址(0x...)=>帳戶的映射，其中帳戶存儲與地址關聯的余額、nonce等

內部節點維護樹結構，以便可以快速計算整個樹的哈希根

以太坊Geth客戶端開發者考慮移除對存檔節點功能的支持:9月13日消息，以太坊Geth客戶端開發者Peter Szilagyi發推表示，考慮移除對存檔節點功能的支持，在Gas越來越高的情況下，存檔節點沒有可持續發展的意義。

Peter Szilagyi在回復中表示也有可能采用一種混合模式，讓用戶有一個用于訪問存檔數據的全局數據分發層和自己的完整客戶端，可以驗證和證明數據是正確的。[2021/9/13 23:20:50]

由于存檔節點將保留所有區塊的所有歷史狀態，這意味著MPT中的任何更新都將創建O(log(N))個內部節點，并且不會刪除舊的內部節點。

通過定期存儲MPT，狀態的存儲大小顯著減少。據Etherscan數據，目前Geth全節點的區塊鏈數據大小約為1TB。

deVere Group CEO：以太坊市值將在五年內超越比特幣:英國金融咨詢公司deVere Group創始人兼首席執行官Nigel Green預計，以太坊將在2021年恢復超過比特幣的表現，并且到2026年，以太坊市值將超過比特幣。他表示：“以太坊的表現優于比特幣，預計在2021年剩余時間里，這一趨勢將繼續下去。”Green認為，以太坊的增長在很大程度上取決于兩個關鍵因素，第一個是以太坊有大量的現實生活用例：“首先，以太坊具有更高水平的實際使用潛力，因為它是最受歡迎的智能合約開發平臺，因此突出了該網絡不僅作為開發者平臺的價值，而且也體現了它作為全球金融公用事業的價值。”Green補充說，以太坊最近的更新也在其出色表現中發揮了重要作用：“其次，投資者對于向ETH 2.0的轉變充滿熱情，這使得以太坊網絡的可擴展性、可持續性和安全性大大提高。”（Zycrypto）[2021/8/22 22:29:49]

在不存儲歷史MPT的情況下，一個Geth節點的存儲大小可以進一步減少到447G。通過減去300GB的區塊數據，我們推斷狀態大小約為150GB。

以太坊2.0抵押地址新增13.47萬ETH:金色財經消息，據歐科云鏈OKLink數據顯示，截至上午10時，以太坊2.0存款合約地址已收到192.27萬ETH，近24小時新增13.47萬ETH，較啟動以太坊2.0創世區塊的最低要求已完成366.74%。[2020/12/23 16:12:36]

幣安智能鏈。截至2021年12月8日，BSC已有：

約984GB鏈上數據，其中區塊約占550GB，狀態約占400GB。

20.6623億筆交易，100TPS

如果我們進一步用交易數量來預測數據大小，我們可以得到：

如果TPS為100，即~3,153MTPY

1年后，總TX~5,219M，區塊~1.375TB，狀態~1.085TB

分析 | 火幣大數據行業周報：比特幣和以太坊頭部地址持幣集中度均明顯上升:據火幣大數據行業周報，本周比特幣和以太坊頭部地址持幣集中度均有明顯上升，以太坊已連續上升 7 周，主要以轉入交易所錢包為主。比特幣和以太坊交易筆數均有所上升，手續費均有所下降。本周以太坊超大額轉賬大幅上升，一共 8 筆共計126 萬ETH。 EOS目前 RAM 占用率為62.1%；總賬號數為 300490 個，其中參與過投票的有 37.93%。[2018/9/10]

3年后，總TX~11,525M，區塊~3.025TB，狀態~2.387TB

如果TPS為150，即~4,730MTPY

1年后，總TX~6,796M，區塊~1.809TB，狀態~1.427TB

3年后，總TX~16,256M，區塊~4.327TB，狀態~3.414TB

綜上所述，對于BSC來說，如果保持目前的速度甚至更高，則很快就會達到以太坊存檔節點相同的存儲大小，這是普通計算機幾乎無法運行的。

具有極高TPS區塊鏈的存儲爆炸問題

如果我們對一個極高TPS的區塊鏈做一個更大膽的假設，這個數字會變成多少？我們來考慮一個具有1000TPS的區塊鏈并分析其區塊和狀態大小，將是：

假設tx大小約為100字節，每年區塊所需的存儲量為1000(TPS)*100*365*24*3600=2.86TB

假設MPT有100億賬戶，我們預計狀態大小將為150G/0.18B*10B=8.3TB

將這些數字放在一起，我們很容易得出一個結論，這是大多數普通配置計算機將無法承受的要求！

優化

為了優化存儲成本，我們必須將限制放寬為兼容EVM而不是兼容以太坊。即，我們必須構建/運行另一個支持EVM的鏈，而不是高度優化的以太坊客戶端。

~10B*50100GB=600GB，大約是MPT版本的1/10！

雖然使用普通KV會帶來巨大的好處，但一個主要問題是我們無法在如此短的區塊間隔內計算每個區塊的狀態后哈希，這意味著我們將失去以太坊的以下好處：

快速同步：下載任何區塊的狀態并通過重放剩余的區塊來快速同步網絡

分叉檢測：來自對等方新創建的區塊是否會導致與本地執行區塊的狀態不同。

為了啟用快速同步，我們有一個周期性的快照區塊。一個快照區塊包含前狀態哈希這一附加信息，即前一個快照區塊的后狀態哈希：

非快照區塊不維護狀態哈希，而是具有增量哈希，其中包含該區塊的所有交易事務的原始數據庫操作的哈希。這使得分叉檢測成為可能！

我們使用交易前狀態哈希來代替以太坊中區塊的交易后狀態哈希。原因是節點不能立即計算狀交易后的狀態哈希，但是通過使用交易前狀態哈希，節點可以使用整個epoch間隔來計算哈希。例如，假設狀態哈希計算每秒處理10M的狀態數據，那么計算600GB的整個狀態將需要600GB/10M~16.67小時

計算狀態前哈希的流程如下：

1.當一個快照區塊被接收并最終確定時，它的KV狀態被快照，并創建一個后臺線程來迭代所有KV條目并計算哈希。

2.當下一個快照區塊被創建時，計算出的狀態前哈希值將存儲在該區塊中。同樣，節點將創建KV的另一個快照并在后臺計算其哈希。

3.當下一個快照區塊被創建時，節點除了存儲狀態前哈希之外，節點現在可以釋放快照區塊的KV快照，這意味著來自快照區塊以來所有被刪除/更新的數據將被自動垃圾回收

其結果意味著，要存儲狀態，節點只需要最多兩個KV快照。

最新的快照區塊的交易執行前狀態快照，即快照區塊的交易執行后狀態

快照區塊之后的完整區塊

我們可以對存儲成本進行簡單的數學計算：假設epoch持續時間為2周，則區塊重放大小為

2*14*24*3600*100*1000=224GB！

而且，這里的數字不會隨著時間的推移而增長！

不僅是區塊，狀態存儲消耗了很多的空間

當TPS>1000時，存儲空間用量高得令人望而卻步

我們提出對區塊和狀態進行優化：

區塊大小從每年2.86TB減少到224GB

狀態大小從8.3TB減少到600GB

一臺2TB的普通配置計算機應該能滿足長時間運行節點的條件

缺點：輕節點無法驗證狀態中的一個數據

致謝

感謝dapp-learning主辦此次活動。

Tags：以太坊ETH區塊鏈TPS以太坊交易是什么METH區塊鏈技術是什么https://etherscan.io

抹茶交易所