以太坊2.0：“无状态性”的重要性

大家在阅读本译文前，可以先了解一下状态膨胀以及无状态性的背景知识，推荐一篇文章：《观点 | 状态膨胀和无状态性》 

当前的以太坊1.0链最大的问题在于其状态大小。约为 10-100 GB (具体取决于其存储方式)，对于许多节点来说，将其保存在工作内存中是不切实际的，因此会选择慢速固定存储。然而，硬盘速度过慢难以与以太坊区块保持同步 (或是从创世区块开始同步)，因此必须使用更加昂贵的 SSD。这么说吧，当前的状态大小还不是最大的问题，而是状态的增长成本相对较低，并且会一直增长，即时我们提高状态增长的成本，也无法使状态占用者为网络实际受到的影响付费，而该影响是永恒存在的。

目前出现的解决方案主要围绕两个方向：

➤ 状态租金：为了使状态保持在活动内存中，持续进行付费

➤ 无状态性：区块保留所有的证明 (witness)，例如默克尔证明，因此在验证区块有效性的时候不再需要状态

在“无状态性”方向中，又有不同的概念值得探索：

➤ 部分无状态性：只需要对某些 (陈旧) 状态提供见证，减少验证区块所需的状态数量

➤ 弱无状态性：验证区块无需状态，但是提议区块需要完整状态

Vitalik 在这篇文章中提出了如何将这些概念梳理成一个通用的框架，并且表示了部分无状态性和状态租金非常相似，因为两者在对活跃状态进行修改时都需要进行某种形式的支付，以及一份重新激活陈旧状态的证明。

如果你是 Eth1 的用户，那么你可能觉得只保留 1 GB 或者甚至是 100 MB 的活跃状态的部分无状态性是一项巨大成就，那为什么还要这么费劲地实现完全的无状态性？我认为完整 (弱) 无状态性释放了巨大的潜能，而这是部分无状态性无法做到的，因此我们要竭尽全力实现完全无状态性。

理解 Eth2 验证者

Eth1 在过去一直被诟病其对硬件的要求非常高，虽然这些斥责并不都是公平的 (经过挑选后的中等消费级硬件也可以运行 Eth1 节点)，但我们需要重视这些事实，尤其是希望在不损害去中心化的前提下对以太坊进行扩容。对于 Eth2 来说，我们树立了非常宏大的目标：能够在低成本的硬件上运行 Eth2 节点和验证者，甚至是树莓派或智能手机。

这条通向扩容性的路径并不轻松。其他项目 (例如 EOS 和 Solana) 则需要更高性能的硬件和网络连接。但我认为要保障去中心化，降低共识节点以及 P2P 节点的门槛是必要的。

在 Eth2 中，共识节点是验证者。Eth1 和 Eth2 的共识节点存在非常重要的区别：

➤ Eth1 的共识节点是矿工。要为区块链“投票”，你必须要生产区块。也就是说，共识节点和区块生产者是不可分割的。

➤ Eth2 或是当前的第一个阶段 (信标链) 中，提议区块和形成共识是两种不同的机制：每 12 秒由一个随机择出的验证者来提议区块，而共识是通过证明 (attestation) 形成的，每个验证者在每个 epoch (每 6.4 分钟) 对区块链进行投票。现在每几分钟都有超过十万的验证者在投票形成共识。区块生产者对共识 (几乎[1])没有影响，他们只能对区块内包含的内容进行选择[2]。

解除区块提议者与共识的关联开启了一个重要的设计空间。信标链从验证者集中随机选择区块提议者，而对于分片链，则不必如此：

➤ 对于分片 (尤其是 Eth1 执行分片) 来说一种有趣的可能性在于，验证者能够进入生产区块的列表。这类验证者可能需要更高性能的硬件，可能也需要具有“完整”状态。

➤ 另一个可能性也是我们目前正在为数据分片加以实现的，任何人都可以被选中提议区块，但是区块的具体内容不由提议者决定，不同的参与者可以通过竞价使其打包的区块被提议。

在这两种情况中，弱状态验证意味着所有其他的验证者 (不生产区块或决定区块内容的验证者) 并不需要状态。这一点与 Eth1 截然不同：在 Eth1 中，对形成共识的节点 (即矿工) 的要求非常高，因此使他们保留完整状态似乎没有问题。但是在 Eth2 中，我们可能会大幅降低参与门槛，并且我们应该利用这一点来保障去中心化和安全性。

提议者成本较高可以理解

还有一点重要的反对观点可能是，如果区块提议的成本过高，那么去中心化也会受到损害，即使我们降低了验证者和 P2P 节点的门槛。但事情并非如此，“提议者”和“验证者”之间存在重要的差异：

➤ 对于验证者，我们需要绝大多数是诚实的，即所质押的 ETH 中需要超过 2/3。P2P 节点的情况可能类似，但是就我所知并不需要一定比例的 P2P 节点必须是诚实的，但是为了确保总是能收到有效的链，每个人都需要连接至少一个诚实的 P2P 节点，这个比例大概是 5%，在实践中可能更高。

➤ 对于提议者，我们对于其是否诚实的要求低得多，与 Eth1 不同，Eth2 的提议者不审查过往的区块 (因为他们不投票)，只能决定他们所提议的区块的内容。假设你的交易不是特别紧迫，如果 95％ 的提议者尝试对其进行审查，那么第 20 个提议者仍然可以将其安全打包 (但是低延迟的抗审查制度是另一回事，在实践中更难实现)。

这也是为什么相较验证者，我并不那么担心提高提议者的硬件要求。如果我们保持正常验证者的要求较低，那么提议者需要 128GB RAM 的 PC 来存储大型状态也没有问题。我担心的是，如果一台能够满足这些要求的 PC 价格为 10 万美元，但如果我们将其控制在 5 千美元以下，一旦发现审查，如果社区没有迅速引入更多提议者来做出反应是不合理的。

最后，还有一些其他的原因导致区块提议者可能需要更好的硬件设备，并且在获取 MEV 时也更有优势。

此处我使用“提议者”来指代打包区块的角色，这与正式签名并验证的角色并不一定是一致的，在 rollups 中他们可能是“序列器” (sequencer)。简单起见，我在此处将其称作提议者，因为如果仅向系统中引入一个只负责提议区块的新角色，我认为系统不会因此受到根本上的破坏。

实现无状态的裨益

本文至此我还没有论证过为什么无状态性如此有力，在可执行信标链提案中，将状态从 10 GB 缩减到 1 GB 或 100 MB 似乎能为验证者节省许多开销，那我们为什么还需要无状态性？

如果我们顺势走下去，可执行的 Eth1 区块可以成为一个分片。而在可执行信标链的提案中，所有的验证者都必须保持运行完整的 Eth1 执行 (否则会面临签署无效区块的风险)。而分片不应具备这一属性，分片中签署一个区块只需要一个委员会 (因此是验证者中的1/1024)，并且其他人不需要信任该委员会的绝大部分验证者是诚实的[3]，只要有一个诚实验证者在委员会尝试作恶时吹哨。而这只有在 Eth1 具备无状态性时才有可能：

➤ 我们希望所有验证者的负载大致相等，并且没有极端的峰值。因此长时间 (例如一个小时或一天) 派遣某个验证者成为 Eth1 委员会成员，实际上是很糟糕的：这意味着就带宽要求而言，验证者的规模仍然必须能够与完整的 Eth1 链保持一致。此外，如果长时间使用同样的委员会 (例如通过贿赂攻击)，委员会变得更具攻击性

➤ 我们希望能够简单地对 Eth1 区块给出欺诈证明，因为其他验证者将无法确定委员会是否正确完成了其工作。最简单的方式是区块成为其自身的欺诈证明：如果一个区块是无效的，广播区块本身就能证明发生欺诈。

因此在 Eth1 具备完整无状态性的前提下，Eth1 可以成为一个分片 (花费更少的资源来维护，例如1/100)。同时，只有这样我们才能在数据分片之外引入更多的执行分片。

缓存不总是挺好的吗？

那么如果我们进入完全无状态却引入了 10 MB 的缓存呢？或是1 MB？即使只想检查一个区块，也可以轻松下载，因为你已被分配到一个委员会，或者作为欺诈证明收到了该缓存？

你可以执行此操作，但是我们可以明显看到，如果大多数验证者仅验证单个区块，则不太可能是最佳的。假设我们的目标是 1 MB 的区块，此外我们还有 1 MB 的缓存，这意味着每当验证者想要验证一个区块时，他们都必须下载 2 MB 的数据 (包括区块和缓存)。他们必须每次都下载缓存，除非他们下载所有区块以保持最新的缓存，这正是我们要避免的事情。

这意味着，以 1 MB 大小的区块和 1 MB 的缓存相同的代价，我们可以将缓存设置为 0 并允许区块大小增加到 2 MB。

很明显 2 MB 的区块至少与 1 MB 的区块 + 1 MB 的缓存一样有效。原因是，如果这是我们认为的最佳选择，那么 2 MB 的区块可能只包含 1 MB 的缓存，我们只需在每个区块上提交缓存，然后在下一个区块中重新引入完整的缓存即可。这可能不是区块中那 1 MB 的最佳用途，但是你可以这样做。额外的 1 MB 可以被更好地利用，以允许引入更多的见证 (witness)。

二进制树还是verkle trie？

我认为总的来说，力争完整 (弱) 无状态性的声音压倒了部分无状态性或状态租金方案。这对用户的影响会更小：他们根本不必考虑状态。他们唯一要做的就是添加见证 (以便 P2P 网络能够验证有效交易)。创建见证的成本非常低，以至于可以想象到会有许多相关服务。实际上大多数钱包已经依赖外部服务，不需要用户运行自己的节点。获取见证也只是一个微小的功能。[4]

部分无状态性或状态租金，在完全弱无状态性的道路中增加了极大的用户体验障碍。但考虑到仅使用二进制默克尔树尝试实现无状态是非常困难的，并且要允许默克尔树证明需要对 gas 进行改动 ，而这会损害用户体验。

因此在我看来，我们现在应该往 verkle tries 的方向努力。这使得我们可以具有小于 1 MB 的可管理的证明，并且只有由 EIP-2929 提出的适度 gas 费用以及针对代码块收费。其缺点很容易得到控制，对用户几乎没有实际影响：

➤ 开发者需要学习新的密码学原语

➤ 添加更多非抗后量子密码学。第二点听起来很可怕，但是我们已经在 Eth2 中引入了 KZG 承诺以进行数据可用性采样，并且无论如何我们都在使用基于椭圆曲线的签名。需要对合并的 Eth1 和 Eth2 链进行一些后量子升级，目前没有可实践的后量子替代方案，因此我们不能停止前进。就采用而言，未来5年极为重要。摆在前面的道路就是竭尽所能，并在 5-10 年内，当 STARK 足够强大时，我们将对所有原语进行完全的后量子升级。

总的来说，verkle tries 可以解决接下来五年的状态问题。现在我们将能够实现完全 (弱) 无状态性，而对用户和智能合约开发者几乎没有影响。我们将能够提升 gas 上限 (因为验证变得更快) 和更多的执行分片，所有这些几乎都不会对安全性和去中心化产生影响。

最难啃的硬骨头是让每个人都理解 KZG 承诺和 verkle tries 的工作方式。由于 Eth2 将使用 KZG 承诺来保证数据的可用性，大多数以太坊开发者都需要进行相关工作。

[1] 几乎没有影响，因为现在进行了细微优化以提高对某些平衡攻击 (balance attack) 的抵御能力，平衡攻击确实使提议者能对分叉选择产生短期影响。

[2] 确切地说，如果区块生产者开始勾结并审查大量证明，可能会产生影响，但是单个区块的生产者对共识造成的影响完全可以忽略不计。

[3] 不诚实的委员会作恶可能会影响整个网络，并导致严重的延迟，但是引入无法无效/不可用的区块

[4] 想要自己运行节点的用户仍让能够借助外部服务来获取见证。这种操作是免信任的，因为在知道最近的状态根的前提下，见证就是它们自身的证