作者:?IgorMandrigin
翻译:?阿剑
来源：以太坊爱好者
什么是“无状态以太坊”？
如果您已经了解什么是“无状态以太坊”以及“区块见证数据”，可以跳过这一段。
为执行交易及验证区块，以太坊网络的节点需要了解整条区块链的当前状态——也就是所有账户和合约的余额和存储数据。这些数据一般来说是存储在DB里面的，在需要用于验证时才会加载到一棵默克尔树中。
无状态以太坊客户端的工作思路则稍有区别。顾名思义，无状态客户端就是不使用硬盘DB来执行区块。相反，无状态客户端依赖于“区块见证数据”——就是一段特殊的数据，它会跟相应的区块一起传播；拥有了这段数据，客户端就可以重建出一个默克尔子树，该分支足可用于执行该区块中的所有交易。
你可以在这篇文章中读到关于无状态客户端的更深入的描述：https://blog.ethereum.org/2019/12/30/eth1x-files-state-of-stateless-ethereum/
当然咯，需要传播区块见证数据就意味着无状态客户端的网络要求要比普通节点更高。
-见证数据大小折线图-
现在人们已经提出了很多降低见证数据规模的思路：使用有效性/计算完整性证明、加入更多的压缩手段，等等。其中一种办法是将以太坊的默克尔树从十六进制转为二进制。
这就是本文想要探讨的问题。
观点：比特币永续合约资金费率连续10天为正反映出投资者的乐观情绪:金色财经报道，资金费率代表永续期货合约持有人之间的费用支付，当利率为正时，多头头寸持有人向空头头寸持有人支付费用，以保持交易的对手盘。当资金费率为负时，情况正好相反，空头支付多头。数据显示，就比特币而言，自1月14日以来，除2月12日的数值为中性外，每天的资金费率都为正。持有多头头寸的投资者预计资产价值会增加，而空头投资者预计资产价值会下降。持续的正资金费率表明BTC交易员目前看好该资产，并愿意支付费用来表达他们的看涨情绪。[2023/2/24 12:27:10]
为什么要使用二进制树
默克尔树的一大优良特性是，验证树根值正确与否并不要求你具有整棵树所有的数据。只需把所有省略的非空路径替代为相应的哈希值就可以可。
那么使用十六进制默克尔树有什么不好呢？
设想整棵树都已填满数据。要验证一个区块，我们只需要一小部分默克尔树节点的数据。那么，我们只需把其他路径的数据替代为哈希值就可以了。
但是，每多加入一条哈希值，区块见证数据就会大一些。
如果我们转变为二进制默克尔树，这个问题就可以得到缓解——因为默克尔树上的每个节点都只有两个子节点，所以至多只有一个字节点需要被替换为哈希值。
这样做也许能大幅降低见证数据的规模。
我们再举例说明一下。
假设执行某个区块只会影响一个账户：3B路径下的Acc1。整棵树是全满的。
观点：ETH是一种价值储存:1月24日消息，Coindesk发推文称，有以太坊专家指出，ETH与BTC不同，它不仅仅是一种价值转移的资产，甚至可以说是一种价值存储。[2021/1/24 13:19:24]
-二进制状态树与十六进制状态树的比较-
如果说二进制状态树看起来有点吓人，那只是因为二进制树我画全了，但没有把十六进制树的所有代之以哈希值的节点都画出来。
来数个数：
为创建出一棵二进制状态树，见证数据需要包含8个哈希值，7个分支节点和1个账户节点。也就是见证数据中有16个元素。
为创建出一棵十六进制状态树，我们只需1个分支节点，1个账户节点，但需要30个哈希值。也就是有32个元素。
所以，假设哈希值和分支节点在区块见证数据中的所占的空间是一样大的，在我们的例子中，使用二进制树所需的见证数据大小只有十六进制下的一半。看起来不错。
那么，理论上就是这样。
我们来看看实际情况是如何。我们直接拿以太坊主网的数据来看看吧。
开始实验
先说最紧要的：我们怎么知道自己构建出来的区块见证数据是有用的呢？
测试方法如下：我们使用区块见证数据来生成一棵默克尔子树，在这棵树上运行相应区块中的所有交易，然后校验结果是否与我们所知的一致。只要交易都能成功执行，等等），我们就可以断定这个见证是足够充分的。
观点：比特币主要用于投机性投资 不具备货币基本功能:索邦大学(Pantheon-Sorbonne)经济学副教授Christian Pfister最近在为法国央行(Banque de France)撰写的一份文件中称，比特币主要用于进行投机性投资，以及用假名进行支付交易，这有助于保护隐私，但也为非法活动的融资提供了便利。比特币也只部分地实现了货币的三种功能。它不是一种记账单位（很少用于商品和服务，特别是劳动力和资本的定价），也不是支付手段(很少购买的商品和服务以比特币结算)，或存储价值(它的汇率太不稳定)。（CryptoNews）[2020/8/18]
-测试方法：1.执行区块；2.从状态树中抽取出见证数据；3.使用见证数据构造出一棵子树；4.禁用DB访问、使用子树来执行区块（具体可见
github)-
其次，我们需要一些基准数据。因此，我们也使用500万到850万高度的区块、在十六进制默克尔树模式下生成了见证数据，并将见证数据大小的统计数据存在一个超级大的csv文件中。
我们尝试的第一步是执行完一个区块后就组装出一棵十六进制树，然后将它转为二进制树，再从这棵二进制树中提取出见证数据。
这种方法有几个好处：易于实现，而且验证十六进制-二进制的转换也很简单。
不过，我们遇到了两个问题，而且其中一个还不小。
第一个，正如我们上面证明的那样，比起二进制树，十六进制树包含更多的账户节点，如果我们先生成十六进制树再转换，得到的结果就跟在二进制树模式下直接生成所得到的见证数据不一样。
观点：加密货币将成为促进工业时代向知识时代过渡的因素之一:《资本之后的世界》（World After Capital）一书作者Albert Wenger认为，加密货币将成为促进工业时代向知识时代过渡的因素之一。在Messari的主网会议上，Wenger称他不相信科技公司会愿意自我颠覆，模式的改变将不得不来自加密行业的小公司。
Wenger指出，我们现在正在进入“知识时代”，这个时代将缓和快速技术发展和正念（mindfulness）之间的差异。但是，要完全过渡到知识时代，把工业时代的低效遗留物甩在身后，需要获得三件东西：心理自由、信息自由和经济自由，而加密货币将在至少两个方面发挥重要作用。（CryptoSlate）[2020/6/14]
为什么呢？
因为十六进制树数据总是以1/2字节的速度增长，而二进制树总是以1比特的速度增长，因此键的长度可以是奇数位。
实际上，见证数据中还包含一些额外的扩展节点，它们还要稍微大一点。不过即便对内容较多的区块，体现在见证数据大小上的差别也非常之小。
关键的是性能。随着树的规模增长，转换的速度会越来越慢。
用更具体的数字来说明一下：在我们的GoogleComputeEngine虚拟机上，处理速度约为每秒0.16个区块，也就是每分钟处理小于10个区块，处理100万个区块要超过3个月！
所以，我们决定采取更复杂的办法，开发出一个原生使用二进制默克尔树的实验性分支。也就是说，我们要把turbo-geth代码库例地所有十六进制状态树全部替换为二进制树，然后区块就是基于二进制树来执行的了。
这种办法的不利之处在于，部分哈希值的校验只能被忽略掉。
观点：312黑色星期五比特币暴跌 系场内杠杆引发踩踏:近日，贝宝金融联合创始人王立在接受采访时表示，3月12日“黑色星期五”的表现是高杠杆压力下，3月12日大量比特币抛售引发合约和现货市场的连环踩踏；深层原因是原油和新冠病疫情双重打击下，风险资产价格暴跌带来的一次流动性危机。同时，贝宝金融CEO杨舟认为是流动性的问题，而不是整个市场的风险偏好变化。他解释称，这不是说比特币到底还有没有避险属性的问题。市场上这时候关心的是：可以卖吗？好卖吗？反正赶快卖掉，而不管比特币什么属性。银行又不给钱，而比特币作为一个每天交易量超过百亿美元的一个资产，只能卖比特币去补充其他地方受损的那些钱。而恰恰在这个时候，比特币市场本身又是一个高杠杆状态，于是卖出引发了踩踏。（华夏时报）[2020/3/31]
但主要的验证机制还是一样的：我们需要能够使用二进制树来执行区块、从见证数据中创建出默克尔子树。
再来谈谈key。
为简化起见，我们对key的编码方式是非常低效的：1bytepernibble；一个key的每一比特就要占用1字节。这样做大大简化了代码层面的改变，但区块见证数据中的”key“部分会是我们使用bitset时候的8倍大。
因此，在进一步分析中，我会假设key的编码方式是最优的。
Hexvs.Bin：结果
我的分析分为两段，总共分析了以太坊主网上的200万个区块。
区块高度500万到650万
我在这个github库里面提供了使用python脚本来重复这一实验的命令行：
https://github.com/mandrigin/ethereum-mainnet-bin-tries-data
首先我们来分析一下数据集。
pythonpercentile.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-5m-6.5m.csv50000006500000adjust
-
一个箱型图，箱体显示上四分位到下四分位之间的数据，左右延伸出去的线条显示上1%到下1%之间的数据
-百分比分析-
现在我们可以生成一些很酷的图表了！
pythonxy-scatter-plot.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-5m-6.5m.csv50000006500000adjust
-XY散点图(横轴为Hex下见证数据大小，纵轴为Bin下见证数据大小）-
可以看出，二进制见证数据的大小总是优于十六进制树下的见证数据。
我们再加入另一个参数，用二进制见证数据大小除以十六进制见证数据大小，看看我们得到了怎样的提升。
pythonsize-improvements-plot.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-5m-6.5m.csv50000006500000adjust
-二进制见证数据的大小/十六进制见证数据的大小-
为更好地理解这张图标，我们也输出了平均值和百分位值。
平均值=0.51
P95=0.58
P99=0.61
在实际场景中这意味着什么？
对于99%的区块，见证数据的大小可以降低至少39%。
对于95%的区块，见证数据的大小可以降低至少42%。
平均来说，见证数据可节省49%。
我们也要考虑见证数据大小的绝对值。为使数据变得可读，我们每1024个区块取滑动平均值。
pythonabsolute-values-plot.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-5m-6.5m.csv50000006500000adjust
-依时间顺序绘制的见证数据大小折线图，纵轴单位为MB-
再来看看最新区块的情况。
区块高度800万到850万
pythonpercentile.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-8m-9m.csv80000008500000adjust
-箱型图，箱表示上下四分位以内的数据，线表示上下1%以内的数据-
-800万号到850万号区块的百分位分析-
还有XY散点图。
pythonxy-scatter-plot.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-8m-9m.csv80000008500000adjust
还有规模上的节约。
pythonsize-improvements-plot.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-8m-9m.csv80000008500000adjust
-XY散点图(横轴为Hex下见证数据大小，纵轴为Bin下见证数据大小）-
平均值=0.53
P95=0.61
P99=0.66
最后，再来看看见证数据的绝对大小。
pythonabsolute-values-plot.pyhex-witness-raw.csvbin-stats-8m-9m.csv80000008500000adjust
-依时间顺序绘制的见证数据大小折线图，纵轴单位为MB-
结论
在使用以太坊主网数据做过测试以后，我们可以看到，切换为二进制树模式可以大幅提升生成见证数据的效率。
另一个结论是，这种提升并没有理论上那么显著。原因可能在于主网区块的实际数据。
也许，通过分析一些例外情况，我们可以知道更多优化见证数据规模的办法。
试着使用别的原始数据来跑跑GitHub中的脚本吧：https://github.com/mandrigin/ethereum-mainnet-bin-tries-data
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