以太坊存儲爆炸問題的分析與優化_以太坊

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？

以太坊未確認交易為187,028筆:金色財經消息，據OKLink數據顯示，以太坊未確認交易187,028筆，當前全網算力為667.51TH/s，全網難度為8.94P，當前持幣地址為62,983,794個，同比增加130,525個，24h鏈上交易量為2,614,883ETH，當前平均出塊時間為13s。[2021/9/17 23:33:20]

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

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。

FTX希望列出“信標鏈以太坊”:金色財經報道，FTX等交易所正在尋求列出“信標鏈以太坊”（BETH）或代幣化質押以太坊，或已被質押在Eth 2.0存款合約中的以太坊。這樣做會出現第二種ETH代幣。此前V神表示，不會出現兩個版本的ETH，并稱僅是將ETH轉移到ETH2鏈上，不會產生利潤。[2020/11/5 11:40:47]

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。

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。

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。

聲音 | 以太坊核心研究員 Hsiao-Wei Wang：以太坊信標鏈驗證結點的相關說明:金色財經現場報道，6月29日在2019以太坊技術及應用大會上，以太坊核心研究員 Hsiao-Wei Wang指出以太坊信標鏈上驗證節點的職責：提議正確的信標鏈區塊，并予以證明。處罰包括：Casper FFG處罰、不活動泄露的處罰、跨鏈處罰、提出者slashing處罰、證明者處罰、Proof of custody game處罰。大量驗證結點加入，會使系統不太穩定，所以加入兩個隊列（queue），盡可能減少對于穩定性的影響。驗證節點的自愿退出機制：發送自愿退出申請，然后可以提取余額。[2019/6/29]

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：

動態 | 以太坊未確認交易13926筆:Etherscan.io數據顯示，當前以太坊未確認交易數為13926筆，與此前相比未確認筆數略有下降，網絡擁堵程度一般。[2019/3/16]

如果TPS為100，即~3,153MTPY

1年后，總TX~5,219M，區塊~1.375TB，狀態~1.085TB

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。

Kyber Network正式上線以太坊主網:Kyber Network正式上線以太坊主網。今天，Kyber Network首次在以太網主網上運行，這意味著不再繼續在測試網絡上進行ERC20代幣的測試交易。Kyber Network的主網試點將在2018年2月上線，并持續到2018年4月。每個錢包地址在每筆交易中最高只能交易價值3000美元的Eth或者代幣，每日最高限額為15000美元，該限額在上午12點（GMT+8）刷新。

Kyber Network還在推進新加坡居民參與Kyber Network相關的稅務事宜，Kyber的代幣交易服務對象目前將不包括新加坡居民。[2018/2/11]

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。

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