以太坊:以太坊2.0：“無狀態性”的重要性_ETH2

大家在閱讀本譯文前，可以先了解一下狀態膨脹以及無狀態性的背景知識，推薦一篇文章：《觀點|狀態膨脹和無狀態性》?

當前的以太坊1.0鏈最大的問題在于其狀態大小。約為10-100GB(具體取決于其存儲方式)，對于許多節點來說，將其保存在工作內存中是不切實際的，因此會選擇慢速固定存儲。然而，硬盤速度過慢難以與以太坊區塊保持同步(或是從創世區塊開始同步)，因此必須使用更加昂貴的SSD。這么說吧，當前的狀態大小還不是最大的問題，而是狀態的增長成本相對較低，并且會一直增長，即時我們提高狀態增長的成本，也無法使狀態占用者為網絡實際受到的影響付費，而該影響是永恒存在的。

目前出現的解決方案主要圍繞兩個方向：

?狀態租金：為了使狀態保持在活動內存中，持續進行付費

?無狀態性：區塊保留所有的證明(witness)，例如默克爾證明，因此在驗證區塊有效性的時候不再需要狀態

在“無狀態性”方向中，又有不同的概念值得探索：

?部分無狀態性：只需要對某些(陳舊)狀態提供見證，減少驗證區塊所需的狀態數量

?弱無狀態性：驗證區塊無需狀態，但是提議區塊需要完整狀態

Vitalik在這篇文章中提出了如何將這些概念梳理成一個通用的框架，并且表示了部分無狀態性和狀態租金非常相似，因為兩者在對活躍狀態進行修改時都需要進行某種形式的支付，以及一份重新激活陳舊狀態的證明。

前1000以太坊巨鯨過去24小時加倉前10 Token排名，BUSD居首位:3月7日消息，據whalestats.com數據，前 1000 以太坊巨鯨地址在過去 24 小時加倉前 10 Token 中，BUSD 居首，FTM、YFI 分別居第四、第九位。[2022/3/7 13:41:52]

如果你是Eth1的用戶，那么你可能覺得只保留1GB或者甚至是100MB的活躍狀態的部分無狀態性是一項巨大成就，那為什么還要這么費勁地實現完全的無狀態性？我認為完整(弱)無狀態性釋放了巨大的潛能，而這是部分無狀態性無法做到的，因此我們要竭盡全力實現完全無狀態性。

理解Eth2驗證者

Eth1在過去一直被詬病其對硬件的要求非常高，雖然這些斥責并不都是公平的(經過挑選后的中等消費級硬件也可以運行Eth1節點)，但我們需要重視這些事實，尤其是希望在不損害去中心化的前提下對以太坊進行擴容。對于Eth2來說，我們樹立了非常宏大的目標：能夠在低成本的硬件上運行Eth2節點和驗證者，甚至是樹莓派或智能手機。

這條通向擴容性的路徑并不輕松。其他項目(例如EOS和Solana)則需要更高性能的硬件和網絡連接。但我認為要保障去中心化，降低共識節點以及P2P節點的門檻是必要的。

在Eth2中，共識節點是驗證者。Eth1和Eth2的共識節點存在非常重要的區別：

以太坊未確認交易為132,085筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易132,085筆，當前全網算力為390.29TH/s，全網難度為5.19P，當前持幣地址為55,568,955個，同比增加198,426個，24h鏈上交易量為4,123,628.68ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/2/26 17:57:14]

?Eth1的共識節點是礦工。要為區塊鏈“投票”，你必須要生產區塊。也就是說，共識節點和區塊生產者是不可分割的。

?Eth2或是當前的第一個階段(信標鏈)中，提議區塊和形成共識是兩種不同的機制：每12秒由一個隨機擇出的驗證者來提議區塊，而共識是通過證明(attestation)形成的，每個驗證者在每個epoch(每6.4分鐘)對區塊鏈進行投票。現在每幾分鐘都有超過十萬的驗證者在投票形成共識。區塊生產者對共識(幾乎)沒有影響，他們只能對區塊內包含的內容進行選擇。

解除區塊提議者與共識的關聯開啟了一個重要的設計空間。信標鏈從驗證者集中隨機選擇區塊提議者，而對于分片鏈，則不必如此：

?對于分片(尤其是Eth1執行分片)來說一種有趣的可能性在于，驗證者能夠進入生產區塊的列表。這類驗證者可能需要更高性能的硬件，可能也需要具有“完整”狀態。

?另一個可能性也是我們目前正在為數據分片加以實現的，任何人都可以被選中提議區塊，但是區塊的具體內容不由提議者決定，不同的參與者可以通過競價使其打包的區塊被提議。

以太坊未確認交易為128,643筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易128,643筆，當前全網算力為251.35TH/s，全網難度為3.33P，當前持幣地址為49,238,767個，同比增加145,183個，24h鏈上交易量為3,158,803.07ETH，當前平均出塊時間為13s。[2020/10/28]

在這兩種情況中，弱狀態驗證意味著所有其他的驗證者(不生產區塊或決定區塊內容的驗證者)并不需要狀態。這一點與Eth1截然不同：在Eth1中，對形成共識的節點(即礦工)的要求非常高，因此使他們保留完整狀態似乎沒有問題。但是在Eth2中，我們可能會大幅降低參與門檻，并且我們應該利用這一點來保障去中心化和安全性。

提議者成本較高可以理解

還有一點重要的反對觀點可能是，如果區塊提議的成本過高，那么去中心化也會受到損害，即使我們降低了驗證者和P2P節點的門檻。但事情并非如此，“提議者”和“驗證者”之間存在重要的差異：

?對于驗證者，我們需要絕大多數是誠實的，即所質押的ETH中需要超過2/3。P2P節點的情況可能類似，但是就我所知并不需要一定比例的P2P節點必須是誠實的，但是為了確保總是能收到有效的鏈，每個人都需要連接至少一個誠實的P2P節點，這個比例大概是5%，在實踐中可能更高。

?對于提議者，我們對于其是否誠實的要求低得多，與Eth1不同，Eth2的提議者不審查過往的區塊(因為他們不投票)，只能決定他們所提議的區塊的內容。假設你的交易不是特別緊迫，如果95％的提議者嘗試對其進行審查，那么第20個提議者仍然可以將其安全打包(但是低延遲的抗審查制度是另一回事，在實踐中更難實現)。

MicroStrategy首席執行官：排除以太坊，比特幣的主導地位已升至93.57％:9月21日消息，MicroStrategy首席執行官Michael Saylor昨日在推特上表示，當考慮到網絡在加密行業的主導地位時，他認為比特幣是加密資產網絡，以太坊和穩定幣是加密應用程序網絡，兩者應該明確分開。并指出，如果排除以太坊，比特幣的主導地位已從2017年12月20日的低點71.05％上升至93.57％。（U.Today）[2020/9/21]

這也是為什么相較驗證者，我并不那么擔心提高提議者的硬件要求。如果我們保持正常驗證者的要求較低，那么提議者需要128GBRAM的PC來存儲大型狀態也沒有問題。我擔心的是，如果一臺能夠滿足這些要求的PC價格為10萬美元，但如果我們將其控制在5千美元以下，一旦發現審查，如果社區沒有迅速引入更多提議者來做出反應是不合理的。

最后，還有一些其他的原因導致區塊提議者可能需要更好的硬件設備，并且在獲取MEV時也更有優勢。

此處我使用“提議者”來指代打包區塊的角色，這與正式簽名并驗證的角色并不一定是一致的，在rollups中他們可能是“序列器”(sequencer)。簡單起見，我在此處將其稱作提議者，因為如果僅向系統中引入一個只負責提議區塊的新角色，我認為系統不會因此受到根本上的破壞。

實現無狀態的裨益

本文至此我還沒有論證過為什么無狀態性如此有力，在可執行信標鏈提案中，將狀態從10GB縮減到1GB或100MB似乎能為驗證者節省許多開銷，那我們為什么還需要無狀態性？

動態 | 以太坊開發團隊將7080000區塊定為君士坦丁堡硬分叉激活點:據Coindesk報道，在周五舉行的兩周一次的核心開發人員會議上，以太坊開源開發團隊的成員已經就君士坦丁堡硬分叉的激活時間達成了一致，將7080000區塊作為激活點，用戶屆時可以選擇是否升級到新代碼。根據Parity Ethereum客戶發布經理Afri Schoedon預計，這意味著君士坦丁堡預計將在1月14日至18日之間上線。此外，開發人員還提出了一個代碼更改，旨在為用戶提供更新區塊鏈的附加功能。[2018/12/8]

如果我們順勢走下去，可執行的Eth1區塊可以成為一個分片。而在可執行信標鏈的提案中，所有的驗證者都必須保持運行完整的Eth1執行(否則會面臨簽署無效區塊的風險)。而分片不應具備這一屬性，分片中簽署一個區塊只需要一個委員會(因此是驗證者中的1/1024)，并且其他人不需要信任該委員會的絕大部分驗證者是誠實的，只要有一個誠實驗證者在委員會嘗試作惡時吹哨。而這只有在Eth1具備無狀態性時才有可能：

?我們希望所有驗證者的負載大致相等，并且沒有極端的峰值。因此長時間(例如一個小時或一天)派遣某個驗證者成為Eth1委員會成員，實際上是很糟糕的：這意味著就帶寬要求而言，驗證者的規模仍然必須能夠與完整的Eth1鏈保持一致。此外，如果長時間使用同樣的委員會(例如通過賄賂攻擊)，委員會變得更具攻擊性

?我們希望能夠簡單地對Eth1區塊給出欺詐證明，因為其他驗證者將無法確定委員會是否正確完成了其工作。最簡單的方式是區塊成為其自身的欺詐證明：如果一個區塊是無效的，廣播區塊本身就能證明發生欺詐。

因此在Eth1具備完整無狀態性的前提下，Eth1可以成為一個分片(花費更少的資源來維護，例如1/100)。同時，只有這樣我們才能在數據分片之外引入更多的執行分片。

緩存不總是挺好的嗎？

那么如果我們進入完全無狀態卻引入了10MB的緩存呢？或是1MB？即使只想檢查一個區塊，也可以輕松下載，因為你已被分配到一個委員會，或者作為欺詐證明收到了該緩存？

你可以執行此操作，但是我們可以明顯看到，如果大多數驗證者僅驗證單個區塊，則不太可能是最佳的。假設我們的目標是1MB的區塊，此外我們還有1MB的緩存，這意味著每當驗證者想要驗證一個區塊時，他們都必須下載2MB的數據(包括區塊和緩存)。他們必須每次都下載緩存，除非他們下載所有區塊以保持最新的緩存，這正是我們要避免的事情。

這意味著，以1MB大小的區塊和1MB的緩存相同的代價，我們可以將緩存設置為0并允許區塊大小增加到2MB。

很明顯2MB的區塊至少與1MB的區塊1MB的緩存一樣有效。原因是，如果這是我們認為的最佳選擇，那么2MB的區塊可能只包含1MB的緩存，我們只需在每個區塊上提交緩存，然后在下一個區塊中重新引入完整的緩存即可。這可能不是區塊中那1MB的最佳用途，但是你可以這樣做。額外的1MB可以被更好地利用，以允許引入更多的見證(witness)。

二進制樹還是verkletrie？

我認為總的來說，力爭完整(弱)無狀態性的聲音壓倒了部分無狀態性或狀態租金方案。這對用戶的影響會更小：他們根本不必考慮狀態。他們唯一要做的就是添加見證(以便P2P網絡能夠驗證有效交易)。創建見證的成本非常低，以至于可以想象到會有許多相關服務。實際上大多數錢包已經依賴外部服務，不需要用戶運行自己的節點。獲取見證也只是一個微小的功能。

部分無狀態性或狀態租金，在完全弱無狀態性的道路中增加了極大的用戶體驗障礙。但考慮到僅使用二進制默克爾樹嘗試實現無狀態是非常困難的，并且要允許默克爾樹證明需要對gas進行改動，而這會損害用戶體驗。

因此在我看來，我們現在應該往verkletries的方向努力。這使得我們可以具有小于1MB的可管理的證明，并且只有由EIP-2929提出的適度gas費用以及針對代碼塊收費。其缺點很容易得到控制，對用戶幾乎沒有實際影響：

?開發者需要學習新的密碼學原語

?添加更多非抗后量子密碼學。第二點聽起來很可怕，但是我們已經在Eth2中引入了KZG承諾以進行數據可用性采樣，并且無論如何我們都在使用基于橢圓曲線的簽名。需要對合并的Eth1和Eth2鏈進行一些后量子升級，目前沒有可實踐的后量子替代方案，因此我們不能停止前進。就采用而言，未來5年極為重要。擺在前面的道路就是竭盡所能，并在5-10年內，當STARK足夠強大時，我們將對所有原語進行完全的后量子升級。

總的來說，verkletries可以解決接下來五年的狀態問題。現在我們將能夠實現完全(弱)無狀態性，而對用戶和智能合約開發者幾乎沒有影響。我們將能夠提升gas上限(因為驗證變得更快)和更多的執行分片，所有這些幾乎都不會對安全性和去中心化產生影響。

最難啃的硬骨頭是讓每個人都理解KZG承諾和verkletries的工作方式。由于Eth2將使用KZG承諾來保證數據的可用性，大多數以太坊開發者都需要進行相關工作。

幾乎沒有影響，因為現在進行了細微優化以提高對某些平衡攻擊(balanceattack)的抵御能力，平衡攻擊確實使提議者能對分叉選擇產生短期影響。

確切地說，如果區塊生產者開始勾結并審查大量證明，可能會產生影響，但是單個區塊的生產者對共識造成的影響完全可以忽略不計。

不誠實的委員會作惡可能會影響整個網絡，并導致嚴重的延遲，但是引入無法無效/不可用的區塊

想要自己運行節點的用戶仍讓能夠借助外部服務來獲取見證。這種操作是免信任的，因為在知道最近的狀態根的前提下，見證就是它們自身的證

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