Mit zunehmender Ethereum-Nutzung wird der Betrieb eines vollständigen Knotens ressourcen- und bandbreitenintensiver. Dies führt dazu, dass weniger Personen vollständige Knoten betreiben können, was die Dezentralisierung des Netzwerks verringert. Darüber hinaus hat Ethereum Schwierigkeiten, sich zu skalieren, da die Transaktionsnachfrage steigt, was zu Netzwerküberlastungen und hohen Gasgebühren führt.

Von Vitalik im Jahr 2017 vorgeschlagene staatenlose Clients bieten eine mögliche Lösung für beide Dezentralisierungsherausforderungen, mit denen Ethereum konfrontiert ist. Der Grundgedanke hinter zustandslosen Clients besteht darin, die Speicher- und Bandbreitenanforderungen für den Betrieb eines vollständigen Knotens zu reduzieren, sodass mehr Personen teilnehmen und das Netzwerk dezentralisieren können. Dieser Aufsatz bietet einen detaillierten Einblick in die Arbeitsweise staatenloser Klienten und ihre potenziellen Vor- und Nachteile.

Was ist der Ethereum-Staat?

Um staatenlose Clients zu verstehen, müssen wir zunächst das Konzept des „Staates“ in Ethereum verstehen. Der Ethereum-Status bezieht sich auf den aktuellen Status aller Konten, Verträge, Salden, Nonces und Speicher in der Ethereum-Welt. Man kann es sich als eine Datenbank vorstellen, die alle relevanten Informationen über das Ethereum-Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt speichert.

Der Zustand wird in einem Merkle-Patricia-Trie beibehalten, bei dem es sich im Wesentlichen um einen modifizierten Merkle-Baum handelt, der Schlüssel-Wert-Paare speichert. Der Root-Hash dieses Versuchs fasst den gesamten Zustand zusammen. Nach jedem neuen Block wird der Status basierend auf den Transaktionen in diesem Block aktualisiert. Der neue Status-Root-Hash ist im Blockheader enthalten.

Je mehr Konten, Verträge und Transaktionen im Laufe der Zeit hinzugefügt werden, desto größer wird der Ethereum-Staat. Heute beträgt die Staatsgröße über 1 TB und wächst jedes Jahr um mehrere zehn Gigabyte. Dieser wachsende Staat liegt den Problemen der Dezentralisierung zugrunde.

Warum Staatswachstum Probleme verursacht

Die zunehmende Größe des Ethereum-Staates verursacht mehrere Hauptprobleme:

• Längere Synchronisierungszeiten für neue Knoten – Es dauert extrem lange, bis ein neuer Knoten synchronisiert ist und alle historischen Statusänderungen verarbeitet hat. Dies behindert die Dezentralisierung, da es schwieriger wird, neue vollständige Knoten zu betreiben. Das Synchronisieren eines neuen Knotens von Genesis dauert derzeit auf Verbraucherhardware mehrere Tage oder sogar Wochen. Dies stellt ein großes Hindernis für den effizienten Aufbau neuer Knoten dar und ermöglicht es mehr Teilnehmern, dem Netzwerk beizutreten.
• Erhöhte Hardwareanforderungen – Ein größerer Staat erfordert mehr Speicher, Arbeitsspeicher und Rechenleistung zum Speichern, Zugreifen und Aktualisieren. Dadurch werden weniger gut ausgestattete Benutzer daran gehindert, Knoten auszuführen. Für den Betrieb eines vollständig synchronisierten Ethereum-Knotens ist jetzt mindestens eine SSD mit 1–2 TB Kapazität erforderlich. Dies ist für viele potenzielle Knotenbetreiber unerreichbar.
• Höhere Bandbreitennutzung – Übertragungen neuer Blöcke müssen auch den aktualisierten Status enthalten, was mehr Bandbreite erfordert. Dies erhöht die Kosten für Knotenbetreiber. Derzeit dominiert der Staat die meisten Blockübertragungen, sodass die Blockgrößen weiter wachsen. Mehr Bandbreite führt zu höheren Kosten für Knotenbetreiber.
• Langsamere Blocküberprüfung – Das Lesen und Aktualisieren eines größeren Status macht die Blocküberprüfung langsamer und begrenzt den Transaktionsdurchsatz. Jede Transaktion erfordert mehrere Lese- und Schreibvorgänge im Speicher, um Salden, Nonces, Vertragsstatus usw. zu aktualisieren. Ein größerer Zustand bedeutet mehr Lese-/Schreibvorgänge pro Block, wodurch sich die Anzahl der Transaktionen verringert, die pro Sekunde verarbeitet werden können.
• Permanente Speicherkosten – Sobald Daten dem Status hinzugefügt werden, müssen sie für immer gespeichert werden. Dadurch entsteht ein grenzenloses Staatswachstum. Derzeit gibt es keinen Mechanismus, um alte und nicht verwendete Statusdaten aktiv zu löschen. Die staatlichen Aufbewahrungskosten steigen also auf unbestimmte Zeit, solange Ethereum weiter betrieben wird.

Staatenlose Clients erklärt

Zustandslose Clients bieten eine Möglichkeit, neue Blöcke zu überprüfen, ohne Zugriff auf den vollständigen Ethereum-Status zu benötigen. Sie nutzen kryptografische Beweise, sogenannte „Zeugen“, die die Gültigkeit von Zustandsänderungen in einem Block beweisen, ohne dass die zugrunde liegenden Zustandsdaten vorliegen.

So funktionieren zustandslose Clients auf hohem Niveau:

• Der Client speichert nur Blockheader und Statuswurzeln, keine vollständigen Statusdaten. Blockheader enthalten Metadaten wie den Root-Hash des Statusversuchs, nachdem dieser Block verarbeitet wurde.
• Bei der Verifizierung eines neuen Blocks erhält der Kunde zusammen mit dem Block einen „Zeugen“. Bei diesem Zeugen handelt es sich um eine Reihe von Merkle-Beweisen, die belegen, dass bestimmte Zustandsaktualisierungen von Transaktionen gültig sind.
• Der Zeuge enthält Merkle-Beweise für bestimmte Staatswerte, die für die Abwicklung von Transaktionen erforderlich sind. Beispielsweise werden Kontostände oder Vertragsspeicher aktualisiert.
• Der Client verwendet den Zeugen, um sicherzustellen, dass die Transaktionen für den letzten bekannten Statusstamm gültig sind. Die Beweise bestätigen, dass die Statusänderungen mit dem vorherigen Stamm übereinstimmen.
• Wenn gültig, aktualisiert der Client auf den neuen Statusstamm, der im Blockheader angegeben ist. Dieser neue Zustandsstamm wird zur Überprüfung des nächsten Blocks verwendet.

Durch die Verwendung von Zeugen zur Überprüfung des Status, anstatt den vollständigen Status lokal zu speichern, erhalten zustandslose Clients mehrere Vorteile:

• Sehr schnelle Synchronisierungszeit – keine Notwendigkeit, historische Zustandsänderungen erneut abzuspielen. Ein zustandsloser Client kann fast sofort nur mit den Blockheadern synchronisiert werden.
• Geringe Speicheranforderungen – Statuswurzeln sind nur 32 Byte groß. Anstelle von Hunderten GB an Status werden nur Blockheader benötigt.
• Weniger Bandbreite – nur Blockheader und Zeugen werden übertragen, kein vollständiger Status. Die Bandbreitennutzung wird minimiert.
• Schnelle Überprüfung – Zeugen enthalten nur kleine relevante Teilmengen der Bundesstaaten. Es werden nur die aktualisierten Konten/Speicher überprüft, die berührt wurden.
• Einfache Unterstützung für Light-Kunden – Light-Kunden können Proofs problemlos überprüfen. Das Light-Client-Modell ist sehr kompatibel mit der zustandslosen Verifizierung.

Herausforderungen mit zustandslosen Clients

Während zustandslose Clients einige große Vorteile bieten, müssen auch erhebliche technische Herausforderungen bewältigt werden:

• Zeugengröße – Zeugen könnten zu groß sein, um effizient zu übertragen. Wenn vollständige Merkle-Beweise verwendet werden, können diese die Blockgrößenbeschränkungen überschreiten.
• Zeugenerstellung – Die Generierung optimaler Zeugen ist für Blockantragsteller komplex. Antragsteller müssen die richtigen Beweisfragmente zusammenstellen, um jede Transaktion zu überprüfen.
• Keine Anreize für Zeugen – die Bereitstellung von Zeugen bringt keine direkten Belohnungen mit sich. Im Gegensatz zum Bergbau gibt es keine integrierte Anreizstruktur für die Erstellung von Zeugen.
• Temporäre Daten – Zeugen beweisen den Zustand zu einem bestimmten Zeitpunkt und erfordern eine Wiederherstellung. Zeugen können im weiteren Verlauf des Staates nicht wiederverwendet werden.
• Zustandsspeicherung – jemand muss immer noch den vollständigen Zustand aufrechterhalten, um Zeugen vorzulegen. Die zustandslose Verifizierung basiert auf der Generierung zustandsbehafteter Zeugen.
• Komplexe Anträge – einige Verträge stützen sich möglicherweise auf große staatliche Teilmengen, wodurch Zeugen aufgebläht werden. Zum Beispiel Verträge, die viele Speicherplätze pro Transaktion aktualisieren.

Mögliche Lösungen

Forscher haben verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um diese Herausforderungen anzugehen:

• Verkle-Bäume – spezielle Datenstrukturen zur Reduzierung der Zeugengröße. Verkle-Bäume verwenden prägnante kryptografische Verpflichtungen, um die Beweisgröße zu minimieren.
• Zeugen-Caches – Antragsteller könnten aktuelle Zeugen zur Wiederverwendung aufbewahren. Durch das Zwischenspeichern von Zeugen, die wahrscheinlich wieder relevant sind, werden die Erstellungskosten amortisiert.
• Protokollanreize – Belohnungsmechanismen für die Bereitstellung nützlicher Zeugen. Neue Anreizstrukturen könnten die Zeugenbildung kompensieren.
• Zwischenstatus-Wurzeln – Verfolgen Sie Wurzeln im Laufe der Zeit, um eine erneute Generierung von Beweisen zu vermeiden. Durch die Beibehaltung teilweiser Wurzeln könnten Zeugenfragmente wiederverwendet werden.
• Staatsmiete – erfordert Zahlungen, um den Zustand langfristig aufrechtzuerhalten und ungenutzten Zustand zu beschneiden. Miete erzwingt die Bereinigung von veraltetem Speicher, um die Proofgröße zu begrenzen.
• Partitioniertes Zeugenmodell – geteilte Zustandsbehandlung zwischen Antragstellern und Prüfern. Lassen Sie einige dedizierte Antragstellerknoten Zeugen generieren.

Es gibt Kompromisse zwischen diesen Ansätzen und weitere Forschung ist erforderlich, um optimale Implementierungen zu finden. Glücklicherweise könnten die rasanten Innovationen in der Zero-Knowledge-Kryptografie neue Möglichkeiten für effiziente zustandslose Clients eröffnen.

Mögliche Auswirkungen

Wenn die technischen Hürden überwunden werden können, könnten staatenlose Clients Ethereum deutlich voranbringen:

• Schnellere Synchronisierungen und Überprüfungen zur Unterstützung eines höheren Transaktionsdurchsatzes. Die zustandslose Validierung wird die Blockverarbeitung drastisch beschleunigen.
• Reduzierter Ressourcenbedarf für den Betrieb von Knoten, wodurch die Dezentralisierung verbessert wird. Laptops und Bastler könnten realistischerweise vollständige Knoten ausführen.
• Bessere Unterstützung für Light-Clients wie mobile Geldbörsen. Zustandsnachweise sind in hohem Maße mit dem Light-Client-Modell kompatibel.
• Reibungslosere Einführung von Sharding mit zustandsloser Überprüfung zwischen Shards. Shardübergreifende Transaktionen können effiziente Zustandsnachweise nutzen.
• Möglichkeit zum Löschen und Bereinigen alter Statusdaten, die nicht mehr nützlich sind. Das staatliche Wachstum kann aktiv gesteuert werden, anstatt grenzenlos zu sein.
• Mehr Flexibilität für Knotenbetreiber, um den Status je nach Bedarf anzupassen. Knoten könnten Richtlinien zur Zustandsaufbewahrung an Anwendungsfälle anpassen.
• Übergang zu einem Modell, bei dem Rechenleistung und Bandbreite wichtiger sind als Speicher. Die Architektur verlagert sich hin zu einem cloudfreundlicheren Modell.

Es bestehen auch einige potenzielle Risiken, wie z. B. eine erhöhte Anfälligkeit für DDoS-Angriffe und die Tatsache, dass der Blockchain-Verlauf nur von wenigen Knotenbetreibern zuverlässig gespeichert wird. Allerdings könnten kryptografische Beweise diese Risiken verringern. Insgesamt sind staatenlose Clients einer der vielversprechendsten Ansätze zur Überwindung der aktuellen Einschränkungen von Ethereum.

Abschluss

Die wachsende Staatsgröße von Ethereum stellt die Dezentralisierung mit zunehmender Akzeptanz vor Herausforderungen. Einen Ausweg bieten zustandslose Clients, die es Knoten ermöglichen, Transaktionen ohne den vollständigen Blockchain-Status zu überprüfen. Dies könnte es schließlich ermöglichen, dass Mobiltelefone Ethereum-Knoten betreiben, was die Dezentralisierung erheblich steigert.

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