科普 | 如何開發出好用的輕量級客戶端：從以太坊狀態說起_區塊鏈:區塊鏈是窮人的最后一次機會

科普|如何開發出好用的輕客戶端，Part-1

科普|如何開發出好用的輕客戶端，Part-2

大多數錢包軟件都依賴于Infura等中心化提供商。如果我們想要別出心裁一些，就需要開發一個可以在低資源設備上運行的新型輕客戶端。

在本文中，我們將介紹以太坊狀態是什么，以及如何讓輕客戶端輕而易舉地獲得它。

以太坊狀態

當我們提到“狀態”時，我們指的是所有賬戶信息以及所有存儲在智能合約中的數據。目前，狀態包括：

1.32億個賬戶大約10GB的賬戶數據大約30GB的合約storage數據大約60GB的Trie節點經常性數據我們先來看一下客戶端目前是如何訪問狀態的。

同步

以太坊節點需要訪問完整的狀態才能處理新挖出的區塊。我們可以通過執行從創世塊開始到鏈首塊的每個區塊來從頭計算出狀態。通常情況下，我們不會采用這個方法，因為計算成本太高。

客戶端傾向于直接從其它完全同步的客戶端那里獲取完整的狀態副本。雖然不同的客戶端執行該操作的具體方式不同，但無論是哪種客戶端，在首次上線或離線一段時間后再次上線的情況下，通常都要花費一段時間同步至最新區塊。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

同步可能需要花費很多時間。如果你使用自己的節點與區塊鏈交互，這會是一大缺陷。要讓客戶端一直保持同步狀態，你不僅需要花時間等待客戶端同步，還需要消耗計算機的計算和存儲資源。

我們的解決方案是專門針對資源受限的設備而設計的，可以一舉解決上述兩個問題。我們的輕客戶端在運行時只需消耗最少的CPU/RAM/HDD/帶寬資源，而且可以保證永遠在線。

動態 | 新浪財經：官媒針對區塊鏈的報道從科普宣傳轉向打假監管:據新浪財經今日消息，“1025新政”滿月，一個月間，官媒對區塊鏈的態度風向已轉。據11月初的一項統計，七家黨媒在新政一周內發布了65篇直接相關報道，當時文章中的關鍵詞是數據、產業、安全、創新等，大量文章偏向于科普區塊鏈的概念以及應用介紹，提醒警惕虛擬貨幣炒作的僅有3篇。近期，官媒的批評焦點則紛紛指向借區塊鏈之名進行的虛擬貨幣發行和炒作行為。據統計，新華網、人民網收錄轉載的，以打擊虛擬貨幣或揭露假借區塊鏈行騙為主題的文章，自10月25日到11月25日午間，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周內就高達15篇。這些文章主要圍繞三個觀點展開：厘清區塊鏈和虛擬貨幣的關系，說明二者概念不等；打擊偽“區塊鏈”騙局，或是虛擬貨幣騙局揭露；提醒民眾，區塊鏈不能成為炒作的噱頭，更不是行騙的招牌，需警惕此類活動，理性投資。[2019/11/26]

當然了，不同的設備之間存在差異，甚至有可能出現無法承受基礎負載的情況。為了應對這一情況，我們正在努力免去完全同步的需求。在我們設計的模型下，客戶端只需要準確獲得鏈首塊的信息即可。

動態 | 區塊鏈技術入選科普雜志《科學美國人》2019十大突破性技術榜單:據新浪網今日新聞報道，美國科普雜志《科學美國人》公布 2019 十大突破性技術榜單。區塊鏈技術因在保障食品安全中的作用而上榜。 入選榜單具體原因：區塊鏈技術的發展應用將顯著改善食品污染源數據追蹤的困境。利用區塊鏈云端系統，食品制造商可以依次在計算機儲存各類過程的信息。[2019/9/29]

我們的最終目標是構建一個在首次安裝或離線一段時間后再次上線能夠立即使用的客戶端。這個客戶端只需能訪問正確的數據即可。

按需狀態可得性

在如今的DevP2P以太坊協議中，有一個名為GetNodeData的消息。它可以用來檢索以太坊狀態的任意部分。我們已經在Trinity中使用該網絡消息來開發“Beam”同步模式并證明了其可行性。這是我們進行的基礎研究之一，旨在證明這種新型輕客戶端是可以實現的。

遺憾的是，當前的DevP2P以太坊網絡并不合適用于輕客戶端用例，因為它需要每個節點都能存儲超過40GB的狀態數據，并提供狀態的任意部分。無法響應這些狀態數據請求的節點不太可能維持健康的對等連接。

動態 | 美國演說家Anthony Robbins開始科普什么是比特幣:美國演說家安東尼·羅賓（Anthony Robbins）在自己的網站上發布了一篇比特幣的科普文章，并在推特上向自己的粉絲介紹什么是比特幣，目前他的推特賬戶共有粉絲304萬人。[2019/1/1]

按需狀態訪問模式

當前網絡的設計是同步完整狀態。GetNodeData消息適合我們的按需狀態檢索實驗只是一個巧合。為了讓客戶端能夠同步完整的狀態，高效的訪問模式是按順序遍歷數據，獲得連續的大數據塊。然而，在錢包用例以及我們的新型輕節點用例中，訪問狀態的需要需要很大程度上是隨機的。

錢包訪問狀態的主要方式是通過以下JSON-RPC方法：

eth_getBalance用來檢查賬戶余額eth_call用來查詢合約數據eth_getTransactionCount和eth_estimateGas用來構建交易eth_getBalance和eth_getTransactionCount僅從主要賬戶Trie中讀取值。因此，可以通過調用該方法獲得Trie上現有的1億多個賬戶中任意一個地址的情況。

中科院自動化研究所將面向大中小學生開展區塊鏈等主題的科普講座:5月21日，新華網訊，今年，中國科學院自動化研究所將舉辦第十四屆“自動化之光”公眾科學開放日活動。屆時，自動化所將面向大中小學生分別開展《腦與智能》、《區塊鏈技術與平行智能》、《大數據時代的視覺智能》、《動畫真奇妙》等4個主題報告，用實例和生動的演示深入淺出地為大家揭示智能技術的原理和奧妙。[2018/5/21]

eth_call和eth_estimateGas都涉及實際的EVM執行。EVM執行可以從1億多個賬戶中的任意一個及其底層合約存儲Trie中讀取數據。

我們發現，錢包只需讀取少量數據，而且讀取的需要是隨機的。這在根本上與同步完整狀態不同，因此這兩個用例不太可能通過同一個解決方案來解決。

我們需要解決的問題

新的網絡需要解決當前網絡存在的一些缺陷。

如何分擔并降低存儲壓力

這個網絡上的節點要能為存儲完整狀態貢獻少量存儲空間。我們想讓網絡中的每個節點存儲一小部分狀態，而非完全復制所有狀態。有了足夠多的節點，整個網絡就可以輕而易舉地以極高的復制因子存儲所有狀態。

如何找到你需要的狀態

由于每個節點只需存儲小部分狀態，我們再也不能盲目地向網絡中的任意節點請求數據。因此，網絡需要一個節點發現機制，以便節點獲取所需數據。

如何確保數據永遠是最新的

不同于可以構建成只能添加型文件的區塊鏈歷史記錄，以太坊狀態是持續變化的。每個交易都會導致賬戶余額和合約存儲發生變化，這些更新需要在網絡中廣播。

如何從網絡中讀取數據

重要的是，客戶端要能高效地從網絡中讀取數據。調用eth_estimateGas將根據最新的狀態根預測執行交易，來確定交易需要消耗的gas。如果是一個只涉及兩個賬號的簡單轉賬交易，所需的數據量相對較小。然而，如果是與智能合約交互并且需要用到合約存儲的復雜交易，客戶端需要從數據庫讀取的數據量則大得多。

假設一次網絡往返需要100ms，那么一筆需要100個狀態部分的交易需要花費大約10秒時間來估算gas使用量。如果延遲太久，一些操作可能需要花費過多時間才能完成，這會大幅降低網絡的可用性。

如何解決合約存儲失衡問題

賬戶Trie在設計上是平衡的，但合約存儲不是。這就導致合約存儲很難處理。

潛在解決方案

人們正在積極研究按需狀態可得性。目前，我們還不清楚該研究的未來方向，但是我們目前主要聚焦于兩個不同的方法。

GetNodeData風格的原生KademliaDHT

我們可以采用的最簡單的解決方案之一就是，采用與GetNodeData相同的運作方式，但是僅要求每個節點存儲距離自己最近的數據，而非所有數據。Trie上的每個節點都有一個哈希值，我們可以使用這些哈希值將Trie數據與DHT鍵空間關聯起來。你可能還記得，KademliaDHT網絡有一個新特性：遍歷鍵空間只需O(log(N))。

這個方法的缺陷在于效率和速度。存儲由單個節點哈希哈希作為鍵的Trie數據需要存儲大量中介Trie節點，這會導致網絡需要存儲的數據總量翻倍。

這個方法也會讓數據檢索變得低效。通過該結構查找數據時，你必須從狀態根開始遍歷Trie節點。對于賬戶Trie來說，這平均需要7次查詢，才能獲得實際的賬戶數據。

這個方法確實具有很大的優勢。它徹底避開了合約存儲失衡問題，因為各個Trie節點的哈希值是隨機的，因此數據會自動呈隨機分布。再進一步來看，如果網絡大到足以存儲完整的6TB存檔歷史，這個網絡最終將變成一個歸檔節點。

這個方法的另一個主要優勢是，可以免去對證明的需求。我們直接構建Trie和所有中間節點，因此無需相關的默克爾證明。

目前，我們正在努力確定這個方法是否能夠達到性能要求。

葉子節點和證明

另一個方法是將Trie的葉子節點組成共享同一條基礎路徑的連續的塊。各個節點會存儲KademliaDHT網絡中離自己最近的Trie路徑“周圍”的所有葉子節點。對于高度平衡的賬戶Trie來說，這個方法非常有吸引力。

通過Trie路徑處理數據，我們無需遍歷Trie，訪問葉子數據的復雜度將下降到O(1)。如果你還記得的話，GetNodeData風格的原生方法平均需要7次網絡往返，才能訪問存儲在Trie葉子節點中的數據。然而，本節所介紹的方法在性能上的優勢非常重要，而且是實現網絡可用性必不可少的。

這個方法的優勢也是有代價的。確保數據是最新的會極大提高復雜性。有很多方法可以做到這點，但是每個方法都有權衡取舍。雖然數據可以就地更新，但是這需要每個節點都進行昂貴的計算。或者，每次挖出一個新的區塊后，更新后的證明都會廣播至全網節點。這些方法都在計算和帶寬之間進行了權衡取舍。但無論是計算還是帶寬，這兩個在我們眼中都是稀缺資源。

我們的研究結果將指明我們的新網絡要采取的發展方向。

本系列的下一篇文章應該是最后一篇介紹性的材料。我們將檢視這種新型的客戶端實際長什么樣，以及我們如何理解它的使用方式。我們將提供概要的路線圖，說明我們將如何實現它；以及，我們所做的一切與“無狀態以太坊”有何關聯。

原文鏈接:https://snakecharmers.ethereum.org/the-winding-road-to-functional-light-clients-part-3/作者:PiperMerriam翻譯&校對:閔敏&阿劍

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