关于 Ethereum Stateless 你想了解的一切
Source: Dev.to
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介绍
要验证区块，今天运行节点需要一块 2 TB+ NVMe SSD 和大量带宽。这一硬件门槛导致中心化，迫使用户依赖可信的第三方服务，如 Infura 或 Alchemy，而不是自行验证链。
约束条件：延迟与带宽
为什么不能只发送验证区块所需的数据？
要在无状态的情况下验证一个区块，节点需要特定的账户数值（余额、nonce、代码）以及一个证明这些数值正确的加密证明。这个包被称为 the Witness。
问题在于 网络传播。区块必须在几秒钟内在全球 P2P 网络中传播。按照目前的数学计算，Witness 的大小约为每个区块 10–20 MB。在这种规模下，传播速度会变慢，陈旧区块率会提升，只有大型数据中心才能跟上。
Goal: 将证明从约 20 MB 缩减至每个区块 < 100 KB。
无状态架构
无状态将网络划分为两类不同的节点：
| 节点类型 | 角色 |
|---|---|
| 提议者（重型） | 存储完整的约 2 TB 状态，构建区块，并生成 Witness。 |
| 验证者（轻型） | 不存储任何数据；接收 (Block, Witness) 元组并进行数学验证。 |
瓶颈：Merkle‑Patricia Trie
以太坊目前使用 Merkle‑Patricia Tries（Radix‑16）。在此结构中，每个节点有 16 个子节点。要证明某个特定子值的存在，需要在树的每一层提供所有 15 个兄弟节点 的哈希。
数学原理
Size ≈ 15 × Depth × 32 bytes大小呈线性增长。随着状态的扩大，树会变得更深，证明也会更大。如今这大约为每个账户 3–4 KB。在一个消耗 30 M gas 的繁忙区块中，总见证数据超过了 P2P 网络的带宽预算。
修复方案：Verkle 树与向量承诺
Ethereum 正在迁移到 Verkle 树。
在 Verkle 树中，每个节点有 256 个子节点，而不是 16。要在 256 个子节点中证明某一个子节点，朴素的做法是需要发送 255 个兄弟哈希——这会产生巨大的数据量。
解决思路：多项式
我们不对兄弟节点进行哈希，而是把这 256 个子节点视为多项式 P(x) 的系数 v：
[ P(x) = v_0 + v_1 x + v_2 x^2 + \dots + v_{255} x^{255} ]
随后使用 KZG 承诺 对整个多项式进行 提交（commit）。
KZG 魔法公式 🔮
承诺 C 是由一个秘密值 s 推导出的单个曲线点：
[ C = G \cdot P(s) ]
要证明在索引 z 处的子节点值为 y，证明者计算 商多项式 Q(x)：
[ Q(x) = \frac{P(x) - y}{x - z} ]
工作原理：
如果索引 z 处的值真的等于 y，则从多项式中减去 y 后，整个多项式能够被 ((x - z)) 整除。如果值不相等，则会留下非零余数，(Q(x)) 将不再是有效的多项式。通过提供 (Q(x)) 的承诺，证明者表明除法是整除的，数据是正确的。
该证明仅是对这个商多项式 Q(x) 的承诺。它固定为 48 字节，无论树是宽的还是窄的。
影响：节省带宽
| 证明类型 | 每个账户的大约大小 |
|---|---|
| Merkle Proof | ~3 000 字节（线性复杂度） |
| Verkle Proof | ~150 字节（常数复杂度） |
这将无状态区块见证从 ≈ 10 MB 降至 ≈ 200 KB。
工程挑战
1. 权衡：可信设置
KZG 承诺需要 结构化参考字符串 (SRS) —— 一组使用秘密值 s 生成的参数。
风险： 如果攻击者获知 s，他们可以伪造证明 (P’(s) = P(s))，并欺骗网络接受错误数据。
防御： “Tau 的幂”仪式。超过 140 000 名参与者贡献熵来生成这些参数。只要 任意一位 参与者销毁了他们的“有毒废料”（秘密随机数），系统在数学上仍然安全。
2. 并发陷阱（竞争条件）
谁应该生成这些证明？
| 方法 | 描述 |
|---|---|
| 强无状态 | 用户为自己的交易生成证明。 |
| 弱无状态 | 区块构建者为所有人生成证明。 |
以太坊选择了 弱无状态，因为存在一个根本的分布式系统问题：竞争条件。如果用户必须自行生成证明，当网络繁忙时他们的交易往往会失败。将负担放在 区块构建者（提议者）上，使他们能够即时重新生成证明，拥有足够的服务器容量。
前瞻性：状态过期
另一个关键环节是 State Expiry（EIP‑7736）。无状态化解决了验证问题，但底层数据库（由提议者存储）仍会无限增长。
- 机制： Epoch‑based tree rotation。
- 逻辑： 如果一个叶子（账户）约一年未被访问，它将从活动树中移除。
- 恢复： 若要再次使用该账户，用户必须提供来自 archive 的证明以重新激活它。
结论：“Verge”愿景
所有这些数学都服务于 Vitalik 路线图中的一个单一愿景，称为 “The Verge”。 目标是让链路轻量化，以至于验证以太坊不再需要信任像 Alchemy 或 Infura 这样的中心化提供商。
| 时间线 | 信任模型 |
|---|---|
| 今天 | 我们信任。 |
| 明天 | 我们验证。 |
概述与规格
| 功能 | 描述 |
|---|---|
| Stateless Consensus | 节点使用 (Block, Witness) 元组验证区块，无需存储完整状态。 |
| Verkle Trees | 宽（256 叉）向量承诺树，将每个账户的证明压缩至约 150 B。 |
| KZG Commitments | 常量大小（48 B）的多项式承诺，支持简洁证明。 |
| Trusted Setup | 通过 Powers‑of‑Tau 仪式完成可信设置；任意一名诚实参与者即可保证安全。 |
| Weak Statelessness | 区块构建者生成证明，避免用户侧的竞争条件。 |
| State Expiry (EIP‑7736) | 基于 epoch 的不活跃账户裁剪，以限制证明者的存储需求。 |
| Target Witness Size | 每个区块目标见证大小 < 100 KB（实际约 200 KB）。 |
| Bandwidth Reduction | 带宽从约 10 MB 降至约 0.2 MB 每区块。 |
路线图仍在推进，但上述数学与工程奠定了实现真正去中心化、轻量级以太坊的基础。
KZG 多项式
KZG 多项式将 256 个兄弟节点压缩至 48 字节。
网络
将带宽开销降低约 99 %。
用户体验
“弱”无状态性可防止交易失败。
目标
“Hegota” 升级（2026 年下半年）。