区块链的状态爆炸困境

编者按：本文经链捕手从Talk论坛转载，Nervos首席架构师Jan撰写了本文，他所在的NervosNetwork，是一个专门为Layer2打造的Layer1底层公链，致力于为未来加密经济构建基础设施。相信Jan精彩的分享，应该能给你带来启发。Odaily星球日报经授权转载。Layer1应该关注状态

如果我们认为区块链分层是未来的发展方向，我们应该从一开始就考虑到上层协议和分层网络的需求，在分层的大框架下去设计区块链协议。换句话说，从分层的角度来看，现有的区块链设计方式都是过时的。现有的区块链在设计时考虑的是特定的功能，并希望在运行一段时间后让上层协议来适应自己。然而如果我们阅读互联网的历史就知道，今天互联网的协议分层不是这样打补丁打出来的，相反是在吸收过去经验之后。这是为什么区块链并不天然是Layer1，Layer1是需要设计的。要弄清Layer1应该关注什么，先要弄清楚它和上层协议的区别。Layer2起源与我们发现公有链的性能不足，很难扩容到满足整个加密经济体需求的水平，同时我们又非常迷恋公有链提供的可用性和极大的服务范围，因此慢慢演化出了一系列可以由区块链来保证安全的Layer2协议，例如支付通道(paymentchannel)、plasma,etc.这些协议的共同特点是牺牲共识范围来换取性能。公有链最让人惊艳的地方是通过开放网络提供不间断的覆盖全球的服务，这意味着全球共识，也意味着性能底下。解决这个问题的最好方式是将大部分交易转移到共识范围更小但是性能更好的上层协议中，并且保证上层协议的参与者总是可以在不满意的时候退回到区块链上来解决问题，代价仅仅是一些时间成本。因此作为Layer1的区块链，关注点显然不应该是性能，因为Layer2会承担这个职责。Layer1是保障上层协议参与者的最后防线，它的关注点应该是安全和去中心化。如果我们观察Layer2协议与Layer1交互的模式，我们还会发现，Layer1负责的是状态共识，Layer2负责的是状态生成。状态是什么

第三批区块链备案项目亮相 招行备案5个项目:多家上市公司和金融机构参与第三批区块链备案项目，其中招商银行备案了5个区块链项目。从第三批发布的备案信息看，越来越多的金融机构正将区块链技术特点与传统业务融合，结合不同场景，开发出了与实际业务相关的区块链项目，招行5个区块链项目分别是金融同业数字协议签约平台、中建产业互联网协同平台、区块链ABS业务管理系统、区块链跨境创新支付平台、股权激励管理系统等。其中，基于区块链的股权激励管理系统引人关注。（上海证券报）[2020/4/27]

如果Layer1的关注点应该是状态而不是计算,在设计Layer1区块链的时候，我们就需要先理解什么是区块链的状态。理解了状态是什么，我们才能理解状态爆炸是什么。区块链网络中的每一个全节点，在网络中运行一段时间之后都会在本地存储上留下一些数据，我们可以按照历史和现在把它们分为两类：历史：区块数据和交易数据都是历史，历史是从Genesis到达当前状态的路径。状态：节点在处理完从Genesis到当前高度的所有区块和交易后形成的最终结果。状态随着区块的增加一直处于变化之中，交易是造成变化的原因。共识协议的作用是通过一系列的消息交换，保证每一个节点看到的当前状态是相同的，而实现这个目标的方式是保证每一个节点看到的历史是相同的。只要历史相同，处理交易的方式相同，最后看到的当前状态就是相同的。当我们说「区块链具有不可篡改性」的时候，指的是区块链历史不可篡改，相反状态是一直在变化的。有趣的是，不同的区块链保存历史和状态的方式不同的，其中的差异使得不同的区块链形成了各自的特点。由于这篇文章讨论的话题是状态，而影响状态的历史数据主要是交易，接下来的讨论历史的时候会侧重交易，忽略区块头。举个例子：Bitcoin的历史和状态

行情 | 在美上市区块链中概股普遍收跌:今日美股收盘，在美上市区块链中概股普遍收跌。嘉楠科技收跌2.65%，人人网收跌7.38%，中网载线收跌3.39%，寺库收涨1.6%，迅雷收跌1.38%，猎豹移动收涨3.73%，兰亭集势收跌2.11%。[2020/2/26]

Bitcoin的状态，指的是Bitcoin账本当前的样子。Bitcoin的状态是由一个个UTXO构成的，每个UTXO代表了一定数量的Bitcoin，每个UTXO上面写了一个名字，记录这个UTXO的所有者是谁。如果要做一个比喻的话，Bitcoin的当前状态是一个装满了金币的袋子，每个金币上刻着所有者的名字。Bitcoin的历史由一连串的交易构成，交易内部的主要结构是输入和输出。交易更改状态的方法是，把当前状态中包含的一些UTXO标记为已花费，从UTXO集合中移出，然后把一些新的UTXO添加到UTXO集合里面去。可以看出，Bitcoin交易的输出正是上面说的UTXO，UTXO只不过是一种处于特殊阶段的TXO。因为构成Bitcoin状态的组件(UTXO)，同时也是构成交易的组件(TXO)。由此，Bitcoin有一个奇妙的性质：任意时刻的状态都是历史的一个子集，历史和状态包含的数据类型是同一维度的。交易的历史即状态的历史，Bitcoin的历史只包含交易。在Bitcoin网络中，每一个区块，每一个UTXO都要持续占用节点的存储空间。目前Bitcoin整个历史的大小大约是200G，而状态的大小只有大约3G(由大约5000万个UTXO组成)。Bitcoin通过对区块大小的限制很好的管理了历史的增长速度，由于其历史和状态之间的子集关系，状态数据大小必然远小于历史数据大小，因此状态增长也间接的受到区块大小的管理。再举个例子：Ethereum的历史和状态

声音 | 东方智库研究员：一旦区块链和数字货币形成，美国的金融和货币的打击手段就失灵:1月24日，东方智库研究员、复旦大学“一带一路”研究院常务副院长黄仁伟撰文指出，中国以区块链为基础，已经开始进行数字货币的准备。为什么我们要学习区块链？中国是未来最有条件首先使用数字货币的国家，因为我们的电子商务、电子支付已经非常发达，是全世界用户最多、数量最大的。所以中国的电子商务、电子支付系统可以扩大为全球的电子商务、电子支付系统，然后就是电子货币，就是数字货币。然后和区块链结合，区块链的核心是去中心化，去中心化的方向也就是国际货币系统里的去美元化。这个由区块链和去美元化构成的未来世界货币体系，就是应对美国对中国展开金融战的最好手段！因为去美元化以后，它的SWIFT作为中心结算系统就不灵了。所有的货币对所有的货币都是中心，每个货币对每个货币都可以结算，不需要通过一个中央货币结算。这个没建起来以前，美元系统还是中心货币。一旦区块链和数字货币形成了，美国的金融和货币的打击手段就失灵。[2020/1/25]

Ethereum的状态，也叫做「世界状态」，指的是Ethereum账本当前的样子。Ethereum的状态是由账户构成的一棵Merkle树，账户里面不仅记录了余额，还有合约的数据。Ethereum的状态可以看作一个大账本，账本的第一列是名字，第二列是余额，第三列是合约数据。Ethereum的历史同样由交易构成，交易内部的主要结构是：to：另一个账户，代表交易的发送对象value：交易携带的ether数量data：交易携带的任意信息交易更改状态的方法是，EVM找到交易发送的目标账户，1.根据交易的value计算目标账户的新余额；2.将交易携带的data作为参数传递给目标账户的智能合约，运行智能合约的逻辑，在运行中可能会修改任意账户的内部状态生成新的状态；3.构造新的叶子存放新的状态，更新状态Merkle树。可以看出，Ethereum的历史和交易结构与Bitcoin相比有非常大的不同。Ethereum的状态是由账户构成的，而交易是由触发账户变动的信息构成，状态和交易中记录的是完全不同类型的数据，二者之间没有超集和子集的关系，历史和状态所包含的数据类型是两个维度的，交易历史大小与状态大小之间没有必然的联系。交易修改状态后，不仅会产生新的状态，而且会留下旧的状态成为历史状态，因此Ethereum的历史不仅仅包含交易，还包含历史状态。因为历史和状态属于不同的维度，Ethereum区块头中不仅仅包含交易的merkleroot,也需要显式包含状态的merkleroot。Ethereum中每一个区块，每一个账户都会持续占用节点的存储空间。Ethereum节点在同步的时候有多种模式，在Archive模式下所有的历史和状态都会保存下来，其中历史包括历史交易和历史状态，所有数据加起来大小超过了2TB；在Default模式下，历史状态会被裁剪掉，本地只保留历史交易和当前状态，所有数据加起来大约是170G，其中交易历史大小是150G，当前状态大小是10G。Ethereum中所有的开销管理都被统一到gas计费模型之下，交易的大小需要消耗对应的gas，而每一条EVM指令消耗的gas，不仅考虑了计算开销，也将存储开销考虑在内。通过每个区块的gaslimit，间接限制了历史和状态的增长速度。ps.常见的一个误解是，Ethereum的「区块链大小」已经超过1T了。从上面的分析我们可以看到，「区块链大小」是一个非常模糊的定义，如果把历史状态算进去，确实超过了，但对于全节点来说，把历史状态删掉没有任何问题，因为只要有Genesis和交易历史，任意时刻的历史状态都可以重新被计算出来。真正有意义的数据，是全节点必须的数据的大小，Bitcoin是200G，Ethereum是170G，两者是基本相同的，而且在平均配置的云主机都能装下，因此人们观察到的Ethereum全节点减少并不是由于存储增加导致的。考虑到Ethereum的历史长度不到Bitcoin的一半，可以看出Ethereum的历史和状态大小增长更快。TheTragedyof(Storage)Commons：区块链版本的公地悲剧

行情 | 在美上市区块链中概股涨跌各异:今日美股行情，三大股指高开低走，在美上市区块链中概股涨跌各异。人人网下跌2.35%，寺库下跌0.27%，中网载线下跌0.74%，迅雷上涨1.12%，猎豹移动上涨1.48%，兰亭集势上涨0.72%。[2019/9/9]

公地悲剧所指指的是这样一种情况，有限的共享资源在不受任何限制的使用下被人们过度消耗。区块链节点为保存历史和状态付出的存储，正是这样一种共享资源。区块链节点为处理交易所花费的资源有三种，CPU，存储和网络带宽。CPU和带宽都是每个区块会刷新的资源，我们可以认为每个区块间隔内都用同样多的CPU和带宽可供使用，上个区块消耗掉的CPU和带宽不会让下个区块可用的CPU和带宽变少。对于可刷新的资源，我们可以通过一次性支付的交易手续费来补偿节点。与CPU和带宽不同，存储是一种占用资源，在一个区块中被占用了的存储，除非使用者主动释放，否则无法在后面的区块中被其它使用者使用。节点需要为存储持续的付出成本，而使用者却不需要为存储持续的支付手续费。使用者只需要在往区块链写数据的时候支付一点点手续费，就可以永久使用一个可用性超过AmazonS3的存储，其无限大的永久存储成本需要区块链网络中的所有全节点来承担。Ethereum上由于各种DApp的存在，TheTragedyof(Storage)Commons相对更加严重。例如，在区块5700001的时候，使用状态最多的5个合约是：EtherDelta,5.09%IDEX,4.17%CryptoKitties,3.05%ENS,1.92%EOSSale,1.73%比较有趣的是最后一个，EOSSale。虽然EOS的众筹已经完成，EOS代币已经在EOS链上流转，EOS众筹的记录却永远留在了Ethereum的节点上，消耗Ethereum全节点的存储资源。可以看到，在缺乏管理的情况下，区块链的存储资源会被有意或者无意的滥用。在一个设计合理的经济模型中，使用者必须承担存储占用的成本，这个成本不仅仅与占用存储空间的大小成正比，还与占用时间的长度成正比。状态爆炸

清华大学信息技术研究院副院长：已聚集中关村几十家企业共同研发区块链:清华大学信息技术研究院副院长邢春晓近日表示，清华大学十分重视金融科技方面的研究，同时也已经把中关村几十家政、产、学、研、用各个方面的企业聚集起来，共同研发区块链所面临的技术挑战。[2018/2/4]

公地悲剧所指的无论是历史还是状态数据都会占用存储资源。通过上面对Bitcoin和Ethereum的分析可以看到，虽然它们对历史和状态的增长进行了管理，但是对历史和状态的总大小却没有任何控制，这些数据会持续的无休止的累积下去，使得运行全节点需要的存储资源越来越大，提高全节点的运行门槛，使网络的去中心化程度越来越低，这是我们不愿意看到的。你也许会说，有没有可能硬件平均水平的提高会超过历史和状态的积累速度？我的回答是可能性很低：从这张图中我们可以看到，随着Ethereum网络的发展，状态数据累积的数量呈指数式的增长。Bitcoin的状态数据从0积累到3G，用了10年；Ethereum的状态数据从0积累到10G，用了4年；而这是在我们还没有解决Scalability问题，区块链仍然是小众技术的情况下的增长速度。当我们解决了scalability问题，区块链真正获得massadoption，DApp和用户数量都爆炸式增长的时候，区块链历史和状态数据会以什么速度累积呢？这就是状态爆炸问题，我们把它归类为post-scalabilityproblem，因为它在解决scalability问题之后会非常明显。我们最早是在做许可链场景落地时注意到了这个问题，因为许可链的性能远高于公有链，刚好处于post-scalability的阶段。历史数据的累积相对容易处理，未来可以通过去中心化的Checkpoint或是零知识证明等技术来压缩，在那之前全节点甚至可以把历史直接丢掉，依然可以正常运行。状态数据的累积则麻烦许多，因为它是全节点运行必须的数据。不少区块链项目已经看到了这个问题，并提出了一些解决方案。EOSRAM是解决状态爆炸问题的一个有益尝试：RAM代表了超级节点服务器可用的内存资源，无论是账户、合约状态还是代码，都需要占用一定的RAM才能运行。RAM的设计也有很多问题，它需要通过内置的交易市场购买，不可转让，无法租用，将合约执行过程中的短期内存需求和合约状态的长期存储需求混在了一起，而且RAM的总量的设定没有确定的规则，更多取决于超级节点可以承受的硬件配置，而非共识空间的成本。Ethereum社区也看到了这个问题并提出了StorageRent的方案：要求使用者为存储资源的使用预支付一笔租金，占用存储资源会持续消耗这笔租金，占用时间越长，使用者需要支付的租金越多。StorageRent方案存在两个问题：1.预支付的租金终有一天会用完，这时候如何处理占用的状态？正是为解决这个问题，StorageRent需要诸如resurrection的机制来补充，增加了设计的复杂度，使智能合约的immutability大打折扣，也为使用体验带来了麻烦；2.Ethereum的状态模型是一种共享状态的模型，而不是First-classState。以ERC20Token为例，所有用户的资产记录都存放在单个ERC20合约的存储里面，在这种情况下，应该由谁来支付租金？解决状态爆炸问题也是NervosCKB的设计目标之一，为此我们走了一条完全不同、更为彻底的变革之路。简而言之，我们在NervosCKB一个token代表一个单位的存储空间，通过经济模型的设计，限制世界状态的大小，利用市场手段调节状态存储的供需，并通过增发的设计持续向占用状态的用户收费，来协调生态中各方的利益，达到长期的安全和持久的稳定。

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