Mô hình: Những thách thức và giải pháp cho sự phát triển của trạng thái Ethereum
Tác giả gốc: Storm Slivkoff, Georgios Konstantopoulos
Tổng hợp gốc: Luffy, Tin tức tầm nhìn xa
Sự tăng trưởng trạng thái Ethereum và mối quan hệ của nó với giới hạn gas bị hiểu lầm rộng rãi. Người ta tin rằng sự tăng trưởng của trạng thái là nút thắt mở rộng chính của Ethereum. Tuy nhiên, các cuộc thảo luận về tăng trưởng nhà nước thường bị cản trở bởi sự thiếu chính xác về mặt thuật ngữ và thiếu bằng chứng định lượng chi tiết.
Áp dụng cách tiếp cận dựa trên dữ liệu có thể làm cho vấn đề tăng trưởng của nhà nước trở nên rõ ràng hơn. Trong bài viết này, chúng tôi tận dụng bộ dữ liệu có độ phân giải cao để hiểu quy mô và hình dạng của sự tăng trưởng trạng thái. Trong quá trình này, chúng tôi đã đi đến một kết luận đáng ngạc nhiên: phần cứng tiêu dùng hiện đại có thể duy trì trạng thái tăng trưởng hiện tại trong ít nhất một thập kỷ. Hơn nữa, với những cải tiến liên tục về phần mềm và phần cứng, đường băng này có thể được kéo dài vô thời hạn.
Chúng tôi tin rằng Ethereum có lộ trình rõ ràng: 1) Loại bỏ hoàn toàn sự tăng trưởng của nhà nước như một nút cổ chai mở rộng; 2) Tăng giới hạn Gas lên mức hỗ trợ hệ thống tài chính phi tập trung quy mô toàn cầu. Mục tiêu của loạt bài viết này là phát triển một cách tiếp cận khoa học để hiểu và phát triển lộ trình cho việc mở rộng này.
Bài viết này là phần đầu tiên trong loạt bài viết về việc mở rộng Ethereum, chủ yếu giới thiệu về sự tăng trưởng trạng thái, phần 2 là về sự tăng trưởng lịch sử, phần 3 là về khả năng tiếp cận trạng thái và phần 4 là về giới hạn gas.
Tăng trưởng nhà nước là gì?
Thuật ngữ “tăng trưởng trạng thái” thường được sử dụng để tóm tắt bất kỳ tắc nghẽn mở rộng quy mô Ethereum nào, trong đó kích thước dữ liệu vượt quá khả năng của phần cứng nút Ethereum. Tuy nhiên, sự tăng trưởng của nhà nước không nên được nghĩ theo cách đơn lẻ này. Có nhiều loại dữ liệu Ethereum, mỗi loại có mối quan hệ riêng với các thành phần phần cứng cơ bản của nút. Vì vậy, điều quan trọng là phải sử dụng thuật ngữ chính xác để giải thích từng nút thắt quy mô khác nhau.
Trạng thái là một tập hợp dữ liệu cần thiết để xây dựng và xác minh các khối Ethereum mới. Trạng thái bao gồm mã byte hợp đồng, lưu trữ hợp đồng, số dư tài khoản và số ngẫu nhiên của tài khoản. Lịch sử là tập hợp dữ liệu mà một nút cần đồng bộ hóa từ khối gốc sang khối mới nhất. Lịch sử bao gồm các khối và giao dịch. Trạng thái và lịch sử là các tập dữ liệu không chồng chéo. Từ những định nghĩa này, có ít nhất 3 hiện tượng khác nhau gây áp lực rất lớn lên phần cứng của nút:
Tăng trưởng trạng thái: tích lũy tài khoản mới, mã byte hợp đồng mới và lưu trữ hợp đồng mới.
Tăng trưởng lịch sử: sự tích lũy của các khối mới và giao dịch mới.
Truy cập trạng thái: Một tập hợp các thao tác đọc và ghi được sử dụng để xây dựng và xác minh các khối.
Mỗi nút cổ chai có mối quan hệ riêng với các giới hạn phần cứng của nút. Bốn hạn chế phần cứng có liên quan nhất là:
Mạng IO là tốc độ tải lên và tải xuống mà một nút phải duy trì để đạt được sự đồng thuận ổn định với các nút ngang hàng.
Kích thước lưu trữ là lượng dữ liệu mà một nút phải lưu giữ trong bộ lưu trữ vĩnh viễn để xây dựng, xác minh và phân phối các khối.
Kích thước bộ nhớ là lượng dữ liệu mà một nút phải lưu vào bộ nhớ đệm để duy trì đồng bộ với phần cuối của chuỗi khối.
IO lưu trữ là lượng hoạt động đọc và ghi mỗi giây mà một nút phải thực hiện để duy trì đồng bộ hóa với phần cuối của chuỗi khối.
Mối quan hệ giữa những tắc nghẽn này và những hạn chế về phần cứng được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1: Nút thắt mở rộng Ethereum
Bắt đầu từ đầu sơ đồ, mỗi khi Ethereum thực hiện một giao dịch, tất cả tài nguyên được sử dụng bởi giao dịch đó đều được định giá bằng Gas. Do đó, giới hạn gas của Ethereum là đại lượng một chiều giới hạn tỷ lệ tất cả các hình thức hoạt động trên chuỗi. Phần cuối của giới hạn gas là kích thước khối và hoạt động trên mỗi khối. Càng có nhiều byte trên mỗi khối thì lịch sử càng phát triển nhanh hơn. Càng nhiều hoạt động IO trên mỗi khối, tốc độ truy cập trạng thái càng lớn và (thường) tốc độ tăng trưởng trạng thái càng lớn.
Do đó, nút cổ chai mở rộng có liên quan đến các hạn chế về phần cứng của nút, như sau:
Để hỗ trợ mức tăng trưởng trạng thái lớn, các nút phải có đủ dung lượng lưu trữ và bộ nhớ. Nếu trạng thái trở nên quá lớn, nó sẽ không vừa với bộ nhớ hoặc các phần trạng thái được truy cập thường xuyên sẽ không vừa với bộ nhớ, dẫn đến suy giảm hiệu suất.
Để hỗ trợ sự tăng trưởng lịch sử lớn, các nút phải có đủ băng thông mạng để chia sẻ lượng lớn dữ liệu khối và đủ dung lượng lưu trữ để lưu trữ dữ liệu đó.
Để hỗ trợ số lượng lớn truy cập trạng thái, nút phải có lượng bộ nhớ lớn để lưu trữ trạng thái nóng và lượng IO lưu trữ lớn để hỗ trợ đủ các hoạt động đọc và ghi.
Đối với sự phát triển của bang nói riêng, thách thức chính là đảm bảo rằng quy mô bang không tăng nhanh hơn những cải tiến liên tục về phần cứng của người tiêu dùng. Bộ nhớ và bộ lưu trữ của nút là tài nguyên hữu hạn nên cuối cùng chúng sẽ gặp phải tình trạng thắt cổ chai trừ khi trạng thái ngừng phát triển hoặc phần cứng được nâng cấp thường xuyên. May mắn thay, phần cứng bộ nhớ và lưu trữ đã tiếp tục được cải thiện qua nhiều năm. Mặc dù vậy, những dự đoán chính xác về những cải tiến này vẫn chưa chắc chắn và không nên cho rằng sự tăng trưởng nhanh chóng của chúng sẽ tiếp tục vô thời hạn.
Lưu ý rằng các đốm màu dữ liệu được giới thiệu bởi EIP-4844 sắp tới sẽ mang lại một số thay đổi cho các mối quan hệ mở rộng này. Sau EIP-4844, dự kiến lịch sử được tích lũy trên đĩa sẽ ít hơn nhiều và IO của mạng có thể tăng đáng kể khi truyền lượng lớn dữ liệu blob.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung chủ yếu vào kích thước trạng thái và tốc độ tăng trưởng trạng thái, thay vì kích thước bộ nhớ và các kiểu truy cập trạng thái. Chúng tôi sẽ điều tra các chủ đề khác trong công việc trong tương lai.
Thành phần của trạng thái Ethereum
Bước tiếp theo để hiểu sự tăng trưởng của bang là xem xét tổng quy mô của các bang và quy mô đóng góp của mỗi bang. Hiện tại, lượng dữ liệu trạng thái Ethereum là khoảng 245,5 GB. Con số này được đo bằng nút reth, nhưng số lượng máy khách trên mỗi nút gần như có thể so sánh được, nhưtờ giấycho xem. Tài khoản, mã byte hợp đồng và lưu trữ hợp đồng lần lượt chiếm 14,1%, 4,3% và 81,7% trạng thái.
Hình 2 cho thấy kích thước trạng thái được chiếm giữ bởi các giao thức hợp đồng thông minh khác nhau. Trong hình bên dưới, kích thước của từng danh mục hợp đồng biểu thị số byte được chiếm bởi khe lưu trữ và mã byte của nó.
Hình 2: Phân phối trạng thái Ethereum
Các số trong Hình 2 biểu thị tổng số byte mà máy khách nút phải lưu trữ trên đĩa. Điều này bao gồm dữ liệu được sử dụng bởi các chỉ mục và các loại chi phí lưu trữ khác. Kích thước lưu trữ trung bình trên mỗi tài khoản và trên mỗi khe lưu trữ lần lượt là 133,6 byte và 191,3 byte.
Dưới đây là một số thông tin quan trọng nhất trong Hình 2:
Token là những người đóng góp lớn nhất cho nhà nước. Những người đóng góp lớn nhất cho trạng thái của Ethereum là các token ERC-20 và ERC-721, lần lượt chiếm 27,2% và 21,6% trạng thái. Lý do mã thông báo chiếm nhiều trạng thái là vì số dư của mỗi người dùng đối với mỗi mã thông báo phải được lưu trữ riêng trong khe lưu trữ 32 byte riêng. Do đó, một nửa kích thước trạng thái Ethereum tỷ lệ thuận với tổng số người dùng Ethereum và tổng số token mà mỗi người dùng nắm giữ.
Ít nhất 7,4% trạng thái của Ethereum không hoạt động. Một số hợp đồng lớn nhất ở trạng thái Ethereum không còn hoạt động. Các giao thức này được ra mắt vào thời điểm không gian khối và không gian trạng thái rẻ hơn nhiều so với hiện tại và bao gồm hầu hết các giao thức trong danh mục trò chơi, cờ bạc và lừa đảo, cũng như nhiều DEX không còn hoạt động, bao gồm IDEX, Etherdelta và Oasis. Cùng với nhau, các giao thức này chiếm ít nhất 7,4% trạng thái của Ethereum. Mức độ ngủ đông thực sự cao hơn vì nó cũng bao gồm các dự án dài hạn trong ERC-20, ERC-721 và các danh mục khác.
Cầu nối chuỗi chéo L2 chiếm ít hơn 2% trạng thái Ethereum. Bằng cách tận dụng các công nghệ như nén, bằng chứng ZK và mã hóa cải tiến, các giao dịch L2 sử dụng trạng thái hiệu quả hơn mạng chính. Mặc dù L2 chỉ chiếm 2% trạng thái mainnet nhưng L2 có tổng số giao dịch mỗi giây cao gấp 5 lần so với mainnet.
Trạng thái Ethereum đang phát triển nhanh như thế nào?
Khía cạnh quan trọng nhất của sự tăng trưởng của bang là tốc độ tăng trưởng của bang theo thời gian. Tỷ lệ này cho thấy mức độ nghiêm trọng của các vấn đề quốc gia và xu hướng thay đổi của chúng.
Hình 3 cho thấy tốc độ tăng trưởng của bang kể từ khi Ethereum ra đời vào năm 2015. Các tốc độ tăng trưởng này được tính bằng cách tính tổng mã byte hợp đồng và dung lượng lưu trữ hợp đồng trong mỗi danh mục hợp đồng.
Hình 3: Tăng trưởng trạng thái Ethereum theo thời gian
Dưới đây là một số thông tin quan trọng nhất từ Hình 3:
Hiện tại, trạng thái đang tăng ở mức khoảng 2,62 GB mỗi tháng, giảm từ mức cao nhất là 5,99 GB mỗi tháng. Những con số này dự đoán rằng tổng kích thước trạng thái trong vòng 5 năm tới sẽ nằm trong khoảng từ 396 GB đến 606 GB. Mặc dù người ta có thể mô tả tốc độ tăng trưởng hiện tại là 12,8% mỗi năm, tốc độ tăng trưởng tuyệt đối đã giảm trong khi nhà nước tiếp tục phát triển, do đó, tăng trưởng theo cấp số nhân đơn giản có thể không phải là một mô hình phù hợp.
Sự suy giảm tăng trưởng của bang gần đây chủ yếu là do hoạt động NFT giảm. Mặc dù người ta có thể mong đợi một mức độ tương quan nhất định giữa các loại hoạt động mạng lưới khác nhau, nhưng có sự độc lập đáng ngạc nhiên giữa những người đóng góp trạng thái cá nhân. Ví dụ: trong khi mức tăng trưởng chung của bang đã giảm trong vài năm qua, thì mức tăng trưởng của bang ERC-20 thực sự đã tăng lên hàng năm kể từ năm 2020.
Tăng trưởng của bang đạt mức thấp nhất kể từ năm 2021. Sự sụt giảm này khá đáng ngạc nhiên, nhưng sẽ hợp lý khi xem xét rằng trạng thái chủ yếu tỷ lệ thuận với số dư của các token mới. Nếu tốc độ tăng trưởng trạng thái tiếp tục giảm, người ta có thể nghĩ rằng Ethereum có khả năng hỗ trợ giới hạn gas cao hơn. Điều này có thể đúng, nhưng điều quan trọng cần nhớ là: 1) theo mô hình định giá khí đốt hiện tại, không có gì có thể ngăn cản tốc độ tăng trưởng đột biến mới và 2) tình trạng không phải là nút thắt duy nhất về giới hạn khí đốt.
Giá trị chấp nhận được cho sự tăng trưởng trạng thái là gì?
Bây giờ chúng ta đã biết 1) quy mô, 2) thành phần và 3) tốc độ tăng trưởng của trạng thái Ethereum. Làm thế nào để chúng ta xác định phạm vi giá trị tăng trưởng trạng thái có thể chấp nhận được? Câu hỏi này rất phức tạp vì nó phụ thuộc cả vào các lực lượng thị trường không thể đoán trước và vào các lựa chọn mang tính triết lý về sự đánh đổi mà Ethereum nên thực hiện.
Hãy bắt đầu với mô hình đơn giản nhất, giả sử không có cải tiến nào về phần cứng trong tương lai, mức tăng trưởng ở trạng thái hiện tại có thể được duy trì trong bao lâu trên phần cứng tiêu dùng trung bình. Như được hiển thị trong Hình 3, mức tăng trưởng trạng thái hàng năm trong những năm gần đây nằm trong khoảng từ 31 GB/năm đến 72 GB/năm. Hiện nay, phần cứng tiêu dùng thông thường có dung lượng lưu trữ tối đa khoảng 4 TB và dung lượng bộ nhớ khoảng 64 GB. Từ đó, chúng ta có thể tạo một mô hình dự đoán yêu cầu bộ nhớ và lưu trữ đơn giản:
Lưu trữ: Các nút hiện cần lưu trữ tổng cộng khoảng 1 TB dữ liệu trạng thái. Trong thực tế, điều này có nghĩa là nhiều nút đang sử dụng đĩa có dung lượng tối thiểu 2 TB. Để đơn giản, hãy bỏ qua sự phát triển lịch sử trong tương lai và hành động như thể chúng ta đang ở trong một thế giới hậu EIP-4444. Chúng ta có thể tính toán thời gian chạy trong tương lai như sau: (dung lượng lưu trữ còn lại)/(tốc độ tăng trưởng trạng thái), chẳng hạn nhưtờ giấycho xem. Do đó, phần cứng lưu trữ nút có thể hỗ trợ tốc độ tăng trưởng ở trạng thái hiện tại trong hơn 10 năm mà không làm cạn kiệt 2 TB dung lượng. Với mức tăng trưởng hiện tại, 4 TB là đủ để hỗ trợ hoạt động trong gần nửa thế kỷ.
Bộ nhớ: Người dùng Ethereum trên tay báo cáo rằng bộ nhớ khả thi tối thiểu để chạy nút Ethereum là khoảng 16 GB. Nếu chúng tôi giả định rằng yêu cầu bộ nhớ tăng tỷ lệ thuận với kích thước trạng thái thì mức tăng trưởng trạng thái từ 30 GB đến 72 GB mỗi năm sẽ chuyển thành yêu cầu bộ nhớ bổ sung là 2 GB - 4,7 GB mỗi năm. Vì vậy, với tốc độ gas hiện tại, RAM 32 GB sẽ đủ dùng trong 3 đến 8 năm. RAM 64 GB là đủ dùng trong 10 đến 23 năm.
Đây là một mô hình đơn giản hóa với nhiều giả định. Các điều kiện mở rộng có thể có cho mô hình này bao gồm 1) tăng trưởng lịch sử, 2) yêu cầu mở rộng phi tuyến tính về bộ nhớ, 3) giảm chi phí phần cứng, 4) tăng giới hạn gas, 5) định giá lại gas opcode và 6) cải tiến kiến trúc Ethereum trong tương lai. Mỗi yếu tố này có thể tương tác phi tuyến tính và phát triển theo thời gian. Chúng ta sẽ khám phá những phần mở rộng mô hình này trong công việc tương lai.
Điều quan trọng cần nhấn mạnh là tính bền vững lâu dài là một điều tốt. Ngay cả khi phần cứng hiện đại có thể hỗ trợ hoạt động trong nhiều năm, việc rút ngắn thời gian chạy cũng không nên xem nhẹ. Bất kỳ kế hoạch nào nhằm đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng của bang đều phải bao gồm một khoảng đệm đáng kể để giải quyết những thay đổi không thể đoán trước trong môi trường phần cứng hoặc phần mềm.
Làm thế nào để giải quyết vấn đề tăng trưởng nhà nước?
Để giải quyết vấn đề tăng trưởng nhà nước, nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất. Ba cải tiến nổi bật đối với kiến trúc Ethereum: Rollup, nỗ lực Verkle và hết hạn trạng thái. Tổng hợp lại, những điều này tạo thành một lộ trình toàn diện để giải quyết các vấn đề tăng trưởng ngắn hạn, trung hạn và dài hạn của nhà nước.
Ngắn hạn: Bản tổng hợp không giải quyết được vấn đề tăng trưởng trạng thái nhưng chúng làm giảm gánh nặng cho mạng. Như được hiển thị trong Hình 2 và 3, Rollup có thể sử dụng trạng thái hiệu quả hơn Mainnet. Việc chuyển hoạt động sang L2 yêu cầu một lượng trạng thái nhất định được lưu trữ trên mạng chính để hỗ trợ người dùng thoát. Tuy nhiên, dấu chân trạng thái của các giao dịch L2 thấp hơn nhiều so với giao dịch mạng chính. Do đó, Rollup có thể tăng tổng hoạt động trong hệ sinh thái một cách bền vững hơn. Việc áp dụng bản tổng hợp dự kiến sẽ tăng lên cùng với sự ra mắt sắp tới của EIP-4844, trong đó các đốm màu sẽ khiến cho bản tổng hợp thậm chí còn có giá cả phải chăng hơn.
Trung hạn: Verkle cố gắng giải quyết vấn đề tăng trưởng trạng thái cho các nút xác thực, nhưng không giải quyết vấn đề các nút cần xây dựng giao dịch mới. Các nỗ lực của Verkle là cấu trúc dữ liệu mới cho trạng thái Ethereum. Chúng hỗ trợ các máy khách ánh sáng hiệu quả hơn và các nút không trạng thái. Các nút này sẽ có thể xác thực các khối mới mà không cần biết các giá trị trạng thái hiện có. Điều này giúp loại bỏ vấn đề tăng trưởng trạng thái cho các nút xác thực. Việc xây dựng các giao dịch mới vẫn yêu cầu lưu trữ và truy cập trạng thái, nhưng điều này vẫn bền vững hơn so với những gì chúng ta có ngày nay, vì việc xây dựng giao dịch là một nhiệm vụ có thể dễ dàng phân phối trên nhiều máy. Về phạm vi, nỗ lực của Verkle thể hiện một cam kết lớn có thể mất nhiều năm để thực hiện.
Dài hạn: Hết hạn trạng thái giải quyết vấn đề tăng trưởng trạng thái cho tất cả các nút, nhưng yêu cầu cơ sở hạ tầng bổ sung. Hết hạn trạng thái cho phép các nút loại bỏ các phần không hoạt động của trạng thái, như trong Hình 2. Lưu ý rằng thuật ngữ trạng thái ngủ đông có thể là tên thích hợp hơn, vì hầu hết các đề xuất hiện có đều cho phép khôi phục trạng thái đã hết hạn thông qua các bằng chứng. Liên quan đến những lo ngại về việc trạng thái hết hạn bị mất theo thời gian, trạng thái có thể được xây dựng lại miễn là có sẵn lịch sử (dữ liệu khối và giao dịch). Do đó, bất kỳ giải pháp nào được phát triển cho vấn đề bảo tồn lịch sử của EIP-4444 cũng sẽ giải quyết được vấn đề bảo tồn trạng thái. Nhưng nếu Verkle cố gắng đạt được mục tiêu của mình một cách thành công thì việc hết hạn trạng thái có thể không cần thiết.
Có nhiều giải pháp khác cho vấn đề tăng trưởng của bang, những giải pháp khác bao gồm tiền thuê nhà nước và sharding, nhưng về mặt lịch sử, những giải pháp này có thể có tác động đến trải nghiệm hoặc sự tỉnh táo của người dùng. Những giải pháp này có thể cần phải được kết hợp với những giải pháp khác để đạt được giải pháp cuối cùng trong tương lai xa hơn.
Tóm tắt
Mặc dù sự tăng trưởng của trạng thái là một thách thức chính trong việc mở rộng quy mô Ethereum nhưng chúng tôi tin rằng đây là một vấn đề có thể giải quyết được. Giải thích dữ liệu của chúng tôi cho thấy Ethereum có thể duy trì mức tăng trưởng hiện tại trong nhiều năm và cung cấp một bước đệm thoải mái cho việc nâng cấp kiến trúc.
Chúng tôi tin rằng cách tiếp cận thực nghiệm là rất quan trọng để thiết kế giới hạn gas của Ethereum và hướng Ethereum tới giải pháp mở rộng quy mô tối ưu. Bài viết này chỉ là một bước hướng tới mục tiêu đó. Có nhiều loại dữ liệu khác vượt qua trạng thái, mỗi loại dữ liệu đều đặt gánh nặng lên các nút Ethereum và giới hạn gas Ethereum. Chúng tôi hy vọng sẽ khám phá những nút thắt khác trong công việc trong tương lai.
