自從看到了這篇文章，我便一直很想深入了解以太坊的無狀態(tài)客戶端。當(dāng)然，經(jīng)過15個(gè)月的摸索，我對以太坊中的狀態(tài)、軟件、網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知都發(fā)生了很大的變化，比如說，我現(xiàn)在認(rèn)為要引入無狀態(tài)客戶端，則硬分叉在所難免；這與我之前的想法不同。但即便如此，我還是很高興能分享一些學(xué)習(xí)上的收獲，并給出后續(xù)發(fā)展建議。

無狀態(tài)客戶端的思想

在闡述無狀態(tài)客戶端之前，我們先來看看在以太坊客戶端軟件中一般的交易處理過程：

在區(qū)塊中執(zhí)行交易需要交易數(shù)據(jù)（藍(lán)色矩形所示），及當(dāng)前狀態(tài)（黃色矩形所示）；執(zhí)行結(jié)束后，原本的當(dāng)前狀態(tài)變?yōu)闅v史狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生新的當(dāng)前狀態(tài)。處理交易可能還需要一些別的數(shù)據(jù)（如區(qū)塊時(shí)間戳，或是前個(gè)區(qū)塊哈希值），但我們先忽略這些大小固定且無關(guān)緊要的部分。執(zhí)行交易還會產(chǎn)生明細(xì)（receipt）（綠色部分），但在討論無狀態(tài)客戶端時(shí)也可暫時(shí)忽略。

無狀態(tài)客戶端的核心思想是：在區(qū)塊中執(zhí)行交易過程時(shí)，不訪問整個(gè)狀態(tài)。區(qū)塊創(chuàng)建者以分離的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為區(qū)塊補(bǔ)充，里面提取了執(zhí)行交易所需的所有狀態(tài)；為了讓執(zhí)行交易的人相信這些額外數(shù)據(jù)的確來自當(dāng)前狀態(tài)，還要附上默克爾證明。這是可以做到的，因?yàn)槊總€(gè)區(qū)塊頭都帶有 “狀態(tài)根”，這個(gè)默克爾樹根凝結(jié)了區(qū)塊內(nèi)交易執(zhí)行完成后所有的狀態(tài)值。有了這些證明，我們能夠以下面這種形式執(zhí)行交易：

值得一提的是，這些區(qū)塊信息（我們稱之為 “區(qū)塊證明”）對于有狀態(tài)客戶端（那些想要保有全部狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)的客戶端）來說也是非常有用的。當(dāng)前情況下，所謂的 “全節(jié)點(diǎn)” （在接收到區(qū)塊時(shí)）會依憑本地保存的狀態(tài)執(zhí)行區(qū)塊交易，計(jì)算新狀態(tài)的默克爾根并驗(yàn)證是否與區(qū)塊頭的默克爾樹根相同（譯者注：以此驗(yàn)證新區(qū)塊的合法性）。計(jì)算默克爾樹根需要大量的計(jì)算資源，包括大量內(nèi)存以及大量 I/O 讀寫，詳細(xì)的描述見此。如果擁有前面的補(bǔ)充信息，全節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證執(zhí)行過程的正確性會變得非常容易，大部分情況下將不需要涉及讀寫操作，就能夠基于執(zhí)行結(jié)果更新當(dāng)前和歷史的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫；全節(jié)點(diǎn)無需緩存狀態(tài)樹，與當(dāng)前狀態(tài)和歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的交互轉(zhuǎn)為以寫入為主。具體過程如下：

區(qū)塊證明占多大空間？

無狀態(tài)客戶端最大的缺點(diǎn)是——除了區(qū)塊，還需要在網(wǎng)路中傳輸一些額外的數(shù)據(jù)（區(qū)塊證明）。究竟這些額外的數(shù)據(jù)有多少呢？為了計(jì)算區(qū)塊證明的大小，我基于 Turbo-Geth 創(chuàng)建了一個(gè)無狀態(tài)客戶端原型，以下是它做的事情：

1. 從以太坊主網(wǎng)逐一收集區(qū)塊

2. 對每一個(gè)區(qū)塊分別抽取出交易需要訪問的狀態(tài)，以及被交易訪問的智能合約字節(jié)碼

3. （通過計(jì)算狀態(tài)默克爾樹根）選取出足以驗(yàn)證所提取狀態(tài)確實(shí)屬于狀態(tài)的最少哈希值集合

4. 添加一些結(jié)構(gòu)信息，將上述證明（哈希值集合）和狀態(tài)抽取物編碼為樹型結(jié)構(gòu)。可能采用的編碼方式不是最好的，不過結(jié)果表明編譯出來的輸出遠(yuǎn)小于其他部分，所以可接受。

5. 將區(qū)塊證明編碼為字節(jié)數(shù)組。

6. 將字節(jié)數(shù)組解碼出區(qū)塊證明（即那個(gè)樹型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，一些節(jié)點(diǎn)來自于狀態(tài)，一些則是無關(guān)狀態(tài)部分的哈希值）。

7. 再次執(zhí)行區(qū)塊，不過這回不訪問當(dāng)前狀態(tài)，而是直接與區(qū)塊證明進(jìn)行交互。

8. 驗(yàn)證狀態(tài)根和所有存儲根的正確性。

整個(gè)流程花了不少時(shí)間，但我希望得到的數(shù)據(jù)足夠精確。如我所料，雖然這個(gè)原型已經(jīng)能處理許多瑣碎的問題（因?yàn)?hexary 的默克爾帕特里夏樹包含葉節(jié)點(diǎn)、擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)、嵌入節(jié)點(diǎn)等等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)），還是有一些罕見情況導(dǎo)致我的原型報(bào)錯（在區(qū)塊 5340939、5361803、5480357、5480507、5480722、5632299、5707052、5769636 。..。.. ）；不過考慮到 670 萬個(gè)區(qū)塊中只出現(xiàn)數(shù)十個(gè)報(bào)錯，我有信心這些小問題不會影響數(shù)據(jù)分析的結(jié)果（當(dāng)然，我會盡快 debug）。

目前我的數(shù)據(jù)只采集至第6757045 個(gè)區(qū)塊，但我想很快就能超過這個(gè)數(shù)字。

第一張圖表表示區(qū)塊證明的總體量（注：所有圖表都經(jīng)過窗口 = 1024 的移動平均計(jì)算）。

在偽龍硬分叉（區(qū)塊 2675000）之前，少量的 gas 消耗也可能產(chǎn)生非常大的區(qū)塊證明， 這個(gè)缺陷已經(jīng)在 2016 年秋天被修復(fù)。

下面我們只看偽龍硬分叉后至今的數(shù)據(jù)表現(xiàn)：

為了清除余額和 nounce 值為零的賬戶狀態(tài)，偽龍硬分叉后進(jìn)行 “狀態(tài)清理”，導(dǎo)致圖表最左側(cè) “峰值” 的出現(xiàn)。但 2017 年下半年，以及 2018 年的 “區(qū)塊證明” 的規(guī)模已經(jīng)超過了當(dāng)時(shí)的水平。

分解

首先，我們將區(qū)塊證明分解為三個(gè)部分：1）所有與 “主” 狀態(tài)樹有關(guān)的部分；2）所有與合約存儲樹有關(guān)的部分；3）智能合約字節(jié)碼。

可能從圖上有點(diǎn)看不清楚，不過可以看到 2016 年發(fā)生的垃圾攻擊造成當(dāng)時(shí)的字節(jié)碼（紅線）和 “主” 狀態(tài)樹的區(qū)塊證明（黃線）激升。有些人還記得，當(dāng)時(shí)對于智能合約的字節(jié)碼大小并沒有限制（現(xiàn)在限制小于 24k），造成當(dāng)時(shí)能夠部署超大的智能合約，并通過 EXTCODESIZE 之類的函數(shù)進(jìn)行查詢。

實(shí)施偽龍硬分叉后的圖表表明，主默克爾樹的區(qū)塊證明在過去大部分時(shí)候體量占比較大，不過合約存儲證明（藍(lán)線）和字節(jié)碼隨后開始趕上。

分解狀態(tài)樹區(qū)塊證明

這里我們會進(jìn)一步將狀態(tài)樹區(qū)塊證明分解為四個(gè)部分。前兩部分是交易需要讀取的鍵值對，或者是為了滿足默克爾帕特里夏樹的一些特殊需求所需的數(shù)據(jù)。

看起來狀態(tài)清除操作對于讀取鍵值對還是造成很大的影響。我們會發(fā)現(xiàn)鍵值對中值的大?。ㄒ话闶?80 字節(jié)）通常比鍵要大得多（ key 一般小于 64 字節(jié)，而我剛剛才意識到鍵可以被壓縮，因?yàn)槲野衙總€(gè)十六進(jìn)制數(shù)都算為一個(gè)字節(jié)）。

接下來，我們看看用來建構(gòu)默克爾證明的哈希值，以及那些我稱之為 “mask（掩碼）” 的結(jié)構(gòu)化信息：

可以輕易發(fā)現(xiàn)，相比于哈希值，結(jié)構(gòu)化信息的大小是可以忽略不計(jì)的；也可以進(jìn)一步說明哈希值占區(qū)塊證明大小的主要組成部分（對于合約存儲證明來說也是如此）。

分解合約存儲證明

與前面相同，首先是鍵值對：

有意思的是，合約存儲證明中鍵值對的值（最多占 32 字節(jié)）通常遠(yuǎn)小于鍵。

接著是哈希值和結(jié)構(gòu)化信息：

可以看到，與狀態(tài)樹區(qū)塊證明的表現(xiàn)相似。

與狀態(tài)費(fèi)用研究的相關(guān)性

我搞這個(gè)研究的其中一個(gè)目的是想弄清楚使用無狀態(tài)客戶端是否能規(guī)避某些類型的租金（譯者注：所指應(yīng)是 “狀態(tài)存儲租金”）。因?yàn)楫?dāng)前最大的挑戰(zhàn)在于：合約存儲租金的存在，可能會導(dǎo)致許多現(xiàn)有的合約遭受 griefing 攻擊（譯者注：大意為盡管不能讓攻擊者受益，但會讓受害者感覺很苦惱的攻擊形式）。為了保護(hù)智能合約避免遭此類攻擊，“狀態(tài)費(fèi)用” 協(xié)議第三版提出了費(fèi)用預(yù)付（押金）的概念，能暫時(shí)保護(hù)合約免受攻擊，給已部署合約提供一些緩沖時(shí)間，能夠升級為不受影響的代碼。

無狀態(tài)客戶端的構(gòu)想，至少在讓智能合約存儲免受 griefing 攻擊方面（如上文所示），提出了一種成本雖高但永久有效的預(yù)防方法。

不過如果真的引入某種無狀態(tài)客戶端，交易發(fā)送方無可避免的必須針對交易產(chǎn)生的區(qū)塊證明，按比例支付額外的 gas，這樣一來合約存儲操作（SLOAD、SSTORE）的成本可能比現(xiàn)在高昂。附帶一提，Martin Swende 最近的分析表明 SLOAD 費(fèi)用似乎被嚴(yán)重的低估。

我們可以將無狀態(tài)客戶端用于已有的智能合約，并讓新的智能合約自主選擇是否使用存儲租金。我估計(jì)這個(gè)租金會比使用 “區(qū)塊證明” 的成本便宜許多，但總有一天這個(gè)臨時(shí)費(fèi)用會消失（因?yàn)榇蠹叶际褂脽o狀態(tài)客戶端啦）。我們不會強(qiáng)迫已有的智能合約在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)必須轉(zhuǎn)變?yōu)榧嫒菘蛇x費(fèi)用的部署形式，相反地我們希望以激勵手段鼓勵大家進(jìn)行遷移。

后續(xù)的建議

顯然，我要增加數(shù)據(jù)收集至當(dāng)前區(qū)塊，并修復(fù)數(shù)據(jù)分析中存在的 bug 。

即使我們?nèi)サ襞c合約儲存相關(guān)的部分，區(qū)塊證明的大小仍是個(gè)值得重視問題。我認(rèn)為有兩種方案能降低它的大?。?/p>

1. 在無狀態(tài)客戶端中引入多一點(diǎn)的 “富狀態(tài)性”。如果大多數(shù)客戶端都持有最新的 N 個(gè)區(qū)塊證明（N = 1， 2， 3 。..），現(xiàn)在你（以太坊節(jié)點(diǎn)之一）知道你的對等節(jié)點(diǎn)保有許多以前的區(qū)塊證明，那么你可能會選擇只發(fā)送后 N 個(gè)區(qū)塊證明中不包含的部分。因?yàn)槟阒拦?jié)點(diǎn)有能力重構(gòu)完整的狀態(tài)證明。這個(gè)方案還需要經(jīng)過更多分析驗(yàn)證。

2. 使用 SNARK 證明，將現(xiàn)在區(qū)塊證明中可變的 “哈希值” 部分壓縮為固定大?。ň臀宜壳?SNARK 產(chǎn)生的證明大小約 60k 左右）。這個(gè)方案還需要投入更多的研究和開發(fā)工作，比如圍繞 Keccak256 算法創(chuàng)建 SNARK 證明，要考慮證明需要付出多少成本，是否需要用 CPU 加速證明過程、保證出塊速度足夠快等等。