以太坊:以太坊存儲爆炸問題的分析與優化_區塊鏈運用的技術中不包括哪一項

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？

數據：以太坊鏈上NFT交易總額過去7日增長32.55%:金色財經報道，最新數據顯示，當前以太坊鏈上NFT交易額為305.9億美元，過去7日增長了32.55%。此外，Immutablex、Polygon鏈上NFT交易額分別為4.16億美元、3.03億美元，過去7日均跌超過60%。（CryptoSlam）[2022/12/12 21:37:50]

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。

報告：自第一季度末以來部署在以太坊上的智能合約數量增加了40%以上:金色財經報道，Web3開發平臺Alchemy的一份報告顯示，盡管以太坊價格自2022年初以來下跌了約60%，但自第一季度末以來，部署在以太坊上的智能合約數量增加了40%以上。雖然DeFi總價值鎖定 (TVL) 下降了 69%，NFT交易量比去年第三季度下降了 88%，但2022年以太坊庫的安裝量卻增加了178%。

Alchemy增長主管Jason Shah表示，從數據中最大的收獲是價格不再是進入該領域的唯一誘因。相反，開發人員涌向Web3以獲得技術能力。我認為最好的表現是軟件開發工具包 (SDK) 和智能合約的使用量在去年增加了一倍多。數據還顯示，9 月份部署了17,736個智能合約，創下月度歷史新高。Shah將此歸因于以太坊合并以及對在新的權益證明鏈上構建去中心化應用程序的熱情增加。[2022/10/14 14:26:47]

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。

動態 | 以太坊未確認交易33905筆:據Etherscan.io數據顯示，當前以太坊未確認交易為33905筆，近期未確認筆數相對穩定，持續在30000筆附近徘徊，網絡擁堵程度一般。[2019/1/17]

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。

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：

如果TPS為100，即~3,153MTPY

動態 | 以太坊開發者提出“可逆ICO”:據coindesk報道，周二在位于布拉格的以太坊年度開發者大會Devcon4上，開發人員Fabian Vogelsteller提出了“可逆ICO”或RICO概念，允許代幣投資者在該項目生命周期的任何階段收回他們的資金，旨在使投資方案對潛在投資者更安全。具體而言，該概念涉及創建一種特殊用途的智能合約，允許投資者“扭轉其資金承諾”。[2018/10/31]

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

聲音 | 以太坊聯合創始人：Ripple并非真正區塊鏈技術:據bitcoinist消息，以太坊聯合創始人Joseph Lubin在接受彭博社采訪時表示“Ripple并非真正的區塊鏈技術，它是一種支付系統，所以我并不認為它是一個競爭對手”。[2018/8/17]

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。

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。

Tags：以太坊區塊鏈TPSMPT以太坊價格今日行情區塊鏈運用的技術中不包括哪一項https://etherscan.ioJumpToken

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