来源|dankradfeist.de
作者|DankredFeist
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。
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当前的以太坊1.0链最大的问题在于其状态大小。约为10-100GB(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1GB或者甚至是100MB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)没有影响，他们只能对区块内包含的内容进行选择。
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128GBRAM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10GB缩减到1GB或100MB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，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10MB的缓存呢？或是1MB？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1MB的区块，此外我们还有1MB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2MB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1MB大小的区块和1MB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2MB。
很明显2MB的区块至少与1MB的区块1MB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2MB的区块可能只包含1MB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1MB的最佳用途，但是你可以这样做。额外的1MB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verkletrie？
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。
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verkletries的方向努力。这使得我们可以具有小于1MB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，verkletries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verkletries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。
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(balanceattack)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。
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。
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
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明
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原文链接：https://dankradfeist.de/ethereum/2021/02/14/why-stateless.html
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