本篇文章將剖析eth 1.0 存在的各項問題，並介紹Ethereum Foundation 提出的eth 1.x 升級相關改動能如何改善當前以太坊的困境。

什麼是eth 1.x

以太坊2.0 的研究行之有年，迄今（2020/06 ）距離全面啟動仍需要2–3 年的時間，並且eth 2.0 將被部署為由信標鏈（Beacon Chain）與多條分片鏈（ Shard Chains）構成的獨立區塊鏈，而eth 1.0 需要經過改動與升級方能成為eth 2.0 中的其中一條分片鏈。這意味著現在運行的以太坊1.0 區塊鏈需要進行改動，並且在未來的5~10 年保持運作，持續發展。而 eth 1.x 即為以太坊1.0 升級版本的代稱。

eth 1.x 的首要目標旨在解決現在區塊鏈日益增長的資料負擔（編者註：即數據規模負擔），在區塊鏈大小持續增長的情況下保持eth 1.0 網絡的彈性。

以太坊1.0 的弊端與問題

在開始介紹以太坊1.x 之前，必須先認知到目前（2020/06）以太坊存在的問題，如此方能充分了解eth 1.x 被提出的背景與旨在解決的痛點。

Problem (A)：網絡趨於中心化

自2020/05 以來，Gas Price 的節節攀升導致開發者與高頻率使用者叫苦連天，其背後原因除了以太坊用戶數量的增加，亦是由於耗費大量Gas 的智能合約互動行為比例提升（單純轉帳ETH的佔比被稀釋），使得以太坊網絡持續壅塞。

面對這樣的情景，礦工社群於2020/6/19 UTC 投票通過，將每個區塊的Gas Limit 從10,000,000 提升到12,000,000。

截至2020/06/30，儘管每個區塊的Gas Limit 提升至12,000,000，合約交易占比的提升依舊讓每個區塊所能容納的交易數十分有限，在Etherscan 上可以查看到以太坊的TPS（Transactions Per Second）在Gas Limit 提升前平均落在12 左右（低於號稱的15 TPS）；在Gas Limit 擴增後，TPS 亦沒有出現明顯的提升。

- etherscan.io -

可能有些人會想說既然12,000,000 Gas Limit 依舊壅塞，那怎麼不再往上提升？原因是Gas Limit 的提升將導致每個區塊的處理時間變長，進而造成 Uncle Block 的數量增加，使得網絡的共識機制變不健康，礦工必須耗費大量額外運算來進行處理。

此外，由於獨立節點與小型礦池更容易挖到Uncle Block，長期下來出塊獎勵的期望值降低將導致部分節點入不敷出，進而離開網絡。如此將讓以太坊網絡變得更加中心化，更向大型礦池集中，危害了網絡的長期健康與安全性。

Problem (B)：狀態爆炸

隨著越來越多的智能合約被部署，以及大量的合約互動行為，導致以太坊網絡需要儲存的「狀態」大小正以「等比級數」增長。狀態的增長即反映在節點的儲存空間大小上。

筆者於另一篇文章中摘要介紹了以太坊網絡中的節點： 全節點與輕節點：以太坊節點面面觀（10）文科生也該知道的區塊鏈技術知識

在2019 年年底，全節點的每月增長大小「小於20 GB」；到了2020/06，隨著Gas Limit 的提升，全節點的每月增長大小「逼近40 GB」。狀態不斷加速增長的結果會對以太坊網絡的性能帶來衰退與網絡健康的損害。未來全節點的運行將會變得更加艱難，可能導致網絡變得越來越「中心化」。 （編者註：此處作者的計算有點粗疏了，以Etherscan 上的數據來看，Gas Limit 提升以後，以太坊區塊的平均大小上升到30 多KB（在提升以前平均是20 多KB），即以30 KB 計算，單月的區塊數據增長量為30×4×60×24×30 = 5,184,000 KB，換算過來就是5 GB。而狀態數據的增長更不可能有幾十GB 之巨。）

此外，區塊驗證的難度將隨之提升，導致整體網絡的延遲與TPS 的進一步下降。

儘管這個過程如同溫水煮青蛙，在數年之後才會導致以太坊網絡出現巨大的安全性問題，然而為了避免走到那步田地，早在數年前便開始以太坊2.0 的相關研究與開發。

- Roadmap of Ethereum tweeted by Vitalik on 2020/3/19 -

以太坊的未來

Vitalik 於2020/3/19 在推特上分享了他對於以太坊未來5~10 年發展觀點的路線圖，主要由以下四個部分構成：

eth 1.x othereth 1.x statelessness（無狀態性）eth 2 phase 0 prep（核心路徑，聚焦於eth 1 ➔ eth 2 合併，移除PoW）eth 2 phase 2 and beyond

圖中間的橫軸代表時間線，沿著時間軸是一個從Phase 0 啟動，到Phase 1，再到「eth1 ➔ eth2 合併」的「核心路徑」。要完成合併有三個先備條件：

eth 2 phase 1eth1 ➔ eth2 合併的規範與實現eth 1.x statelessness（無狀態性）

其中，「eth 1.x statelessness（無狀態性）」可說是對於eth1 ➔ eth2合併最至關重要的一個條件，本文將以「無狀態性」為主軸做相關的介紹。

狀態爆炸對以太坊網絡的影響

由於以太坊區塊鏈的本質是一台依靠礦工維護的去中心化大型「狀態機」，隨著區塊數量的增加更迭狀態，不斷向前移動。以太坊的完整「狀態」包含所有個人帳戶和余額的當前狀態，以及在EVM 中部署和運行的所有智能合約的整體記憶體。

以太坊網絡在每個區塊高度都只有唯一一個獲得全網所有節點共識的「狀態」，這個「狀態」在每一個新區塊會產生變動並隨著區塊接至區塊鏈上。

礦工在執行交易運算時，必須依據交易內容至節點內以「Merkle-Patricia Trie 」資料結構組成的狀態樹中更改相關的狀態值，再重新計算出每個樹狀節點的hash 值，算出新的「Merkle Root」，生成新的狀態樹。

- 圖片來源：https://blog.ethereum.org/ -

截至2020/06，當前的以太坊網絡中約有5 億個狀態值，總狀態大小約為10 GB，狀態會隨著網絡上的帳戶與智能合約數量增加而按比例增長。因此，如果以太坊繼續獲得主流採納，狀態可能會在未來數年持續爆發性增長。不斷擴大的狀態主要會對節點造成兩大影響：

節點讀取狀態耗時增加，交易處理速度變慢

目前每個新區塊礦工大約需要添加或修改3000~6000 個狀態值。由於礦工處理每一筆交易時都必須要讀取節點資料庫中狀態的相關資訊，當狀態數量持續增長，在狀態樹中查詢到指定狀態值的耗費時間就越長。

建構新的狀態樹耗時更長，區塊驗證速度減慢

當礦工將交易處理完時，必須建構一個由新的狀態組成的Trie 結構狀態樹，當中涉及大量的hash 值運算。計算完Root Hash 方能建構出新的Block Header，打包出新區塊。

小結

綜合來說，持續增大的「狀態」與「節點大小」將導致新的全節點啟動成本大幅提升：對於「儲存空間」的需求與「同步時間」的增加可能會進一步導致網絡中全節點數量的減少。

此外，以太坊網絡的整體性能下降也在所難免。以太坊隨著狀態樹查詢與運算耗時的增加以及越來越多的合約交易，TPS 可能會進一步下降，導致網絡變得更加壅塞，迎來更高的Gas Price 競逐。

eth 1.x 的提出

對於以太坊1.0 升級的相關研究最早可以溯及到2018/10 在捷克布拉格召開的Devcon IV，會議談論到以太坊2.0 無法在未來3~5 年內完全取到以太坊1.0 的所有功能，因此eth 1.0仍必須保持安全穩定運行，於是乎無數的核心開發人員開始研究一系列延長eth 1.0 壽命以及與eth 2.0 介接的解決方案。

既然狀態的持續增大對於以太坊網絡的健康帶來重大影響，解決方案之一便是「消除以太坊網絡對狀態的需求」。細看Vitalik 於2020/3/19 發布的以太坊未來路線圖中即可看到一系列的解決方案：

上述的路線圖是較為精要的版本，以太坊研究員Griffin Ichiba Hotchkiss 於2020/4/2 在Ethereum Blog 分享了他對於目前eth 1.x 研究開發方向的理解，整理出下圖的「技能樹」 ：

-2020/4/2 更新的eth 1.x 科技樹-

由於細節族繁不及備載，本文只會挑出其中幾個核心來做說明。有興趣的朋友可以參考並持續關注Ethereum Blog 中的相關文章：

The 1.x Files: The Updated Stateless Tech Tree （April 2, 2020）The 1.x Files: A Primer for the Witness Specification （May 4, 2020）The 1.x Files: EIP 1559 and the Ethereum Improvement Horizon （June 16, 2020）（Up to date）

eth 1.x 的目的

簡而言之，eth 1.x 的核心目的有兩個：

(A) 延長eth 1.0 的壽命

在區塊持續增長的情況下維持eth 1.0 區塊鏈的安全、穩定與彈性，讓人們可以選擇僅下載部分的狀態，在較便宜的硬件上運行節點。

(B) 與eth 2.0 介接

由於eth 2.0 中的分片（shards）將是無狀態的，因此「無狀態」將是參與eth 2.0 區塊驗證的先決條件。 eth 1.0 要與eth 2.0 相容的話勢必得支援無狀態運作，方能順利過度，與eth 2.0 介接。

為了達成這兩個目的，在技能樹圖最右側的終點我們可以看到「無狀態以太坊Stateless Ethereum」。然而，「無狀態」的以太坊這個詞可能有些不夠精確，因為整個以太坊網絡就是基於狀態而存在的。

具體來說，是找到一種方式讓以太坊網絡中的部分節點可以將「保留整個以太坊狀態的副本」這件事變為一個選項，而非必須。因此，要讓現行的以太坊網絡能夠支援沒有保存完整全網狀態的輕量級節點：「無狀態節點」參與到網絡中的新區塊驗證。

而為了讓無狀態節點能夠進行驗證，以太坊1.x 提出了以下三項主要改動，我們將逐一來進行介紹：

(1) 區塊見證機制(2) EVM 改動(3) 資料結構轉換為二進位制（Binary）

(1) 區塊見證機制

無狀態節點如何參與驗證

簡單來說，作法是：擁有全網狀態資訊的「完整狀態節點Full State Node」在打包新區塊時會一併產生「區塊見證Block Witness」，讓沒有保存全網狀態的「無狀態節點」能藉由區塊見證提供的資訊對新區塊進行驗證。

什麼是「區塊見證Block Witness」

前面提到，以太坊的資料結構是由約5 億個狀態值所構成的Merkle-Patricia Trie。然而，其中大約只有0.1% 狀態值（約50 萬個）會隨著區塊高度產生變化，如：個人帳戶的ETH 餘額、合約底下記載的每個地址持有Token 數量。 99.9% 的狀態值如：智能合約的程式碼、Uniswap 手續費0.3% 的參數等資訊一但智能合約部署完成便不會再進行更動。

由於一個新的區塊（目前為1,200 萬Gas Limit）至多只能容納571 筆交易，其涉及的狀態值更改是十分有限的。那麼一個沒有儲存所有狀態值的無狀態節點只要向擁有完整狀態的節點請求涉及交易的相關狀態值與未涉及到的hash 值其實即可算出Merkle Root 進行驗證。

如下圖所示，假設底層的14 個菱形代表以太坊網絡中所有的狀態值，而新區塊中僅有一筆交易，針對綠色的狀態值進行更改，那麼無狀態節點其實只需要1 個綠色的原狀態值以及紫色的Hash 值與其它未變動的6 個Hash 值資訊即能透過4 次Hash 值計算，算出新的Root Hash（Merkle Root），而不需要擁有所有的14 個狀態值來進行9次Hash 值計算。

-圖片來源：https://blog.ethereum.org/-

這些為了完成Root Hash 計算所需要向擁有全網狀態資訊的「完整狀態節點（全節點）」請求的「最小資訊量」即為「區塊見證Block Witness」，包含了狀態Trie 中「不涉及變動的部分Hash 值」與「涉及變動的原狀態值」。如此一來，沒有保存完整全網狀態的「無狀態節點Stateless Client」將可以藉由請求而來的「區塊見證」資訊計算出新的Root Hash。

為了便於讓無狀態節點參與驗證，目前的最新研究方向是「區塊見證」將可能成為「區塊標頭Block Header」的一部分，隨著新挖出的區塊一併廣播給全網節點，讓無狀態節點不用再發起額外的「區塊見證請求」即能進行驗證區塊的動作。

透過這樣的方式，無狀態節點即能參與以太坊網絡中新區塊的驗證。

礙於篇幅，我們在這篇文章只會做概念性的闡述，具體的實作細節先不展開細說，想更進一步了解的朋友可以參考我上方附上的鏈接以及以太坊博客中的其它相關文章。

(2) EVM 改動

狀態值的更改和運算都是在EVM 中進行，同理，區塊見證也必須經由全節點的EVM 透過運算來生成。 EVM 的改動目標與成本和激勵機制息息相關，主要包含耗費Gas 的估算以及如何降低對節點間廣播延遲的影響。

區塊見證Gas 計算（Witness Gas Accounting）

由於區塊見證必須由全節點花費額外的計算資源來運算生成，因此會產生相應的Gas 成本，而這個成本目前比較可行的方式是由交易的發起者來進行負擔。至於如何讓交易發起者在發送交易時即能準確估算額外的Gas，以設定精確的Gas Limit，目前仍在研究中，尚未產生明確的定案。

另外，考慮到在同個區塊中可能有一個狀態值被不止一筆交易進行更改，因而產生重複支付Gas 的情形，這部分可能會成為礦工額外的獎勵費用。

智能合約程式碼分塊（Code Merkleization）

區塊見證的目的是為了讓無狀態節點能夠進行新區塊的驗證，其中必定包含了智能合約相關的運算。然而，無狀態節點沒有儲存包含智能合約程式碼在內的狀態，所以當無狀態節點要進行一筆智能合約交易的狀態運算時，便需要一併擁有包含智能合約程式碼的在內區塊見證。

這時會有另外一個問題，智能合約洋洋灑灑的程式碼中可能只有其中的一小片段是與該交易運算相關聯的，因此「程式碼分塊」的概念被提出。

「程式碼分塊」是一種拆分智能合約位元組碼（Bytecode）的方式，將智能合約中與涉及交易相關的程式碼拆出，作為區塊見證中的一部分，一併提供給無狀態節點讓其做運算驗證之用。

其目的便是避免調用到不必要的程式碼，免於生成龐大的區塊鏈見證導致運算時間的增加及節點間傳遞溝通的延遲。

(3) 資料結構轉換為二進位制（Binary）

根據以太坊研究員Igor Mandrigen 進行的實驗（Binary Tries Experiment），若將以太坊資料結構從目前的十六進位制（Hex）更改為二進位制（Binary），每個區塊的區塊見證大小將能從800~3,400 kB縮小至300~1,400 kB，如此將大幅減低區塊見證在網絡中傳播的延遲時間，讓區塊見證機制能夠運行得更加理想。

然而從Hex 轉換為Binary 具體的實作方式以及過度策略目前仍未有完全的定論，有興趣的朋友可以持續關注Ethereum Foundation 釋出的相關消息。

無狀態以太坊Stateless Ethereum

介紹至此，透過引入「區塊見證機制」、對「EVM」進行必要的改動，以及將資料結構轉換為「二進位制」，已能勾勒出eth 1.x 的大致樣貌。

支援無狀態節點的1.x 網絡，將能夠對以太坊1.0 的區塊鍊網絡產生下方幾點關鍵影響：

i. 對新加入節點更加友善

隨著全網狀態的膨脹與區塊高度的提升，啟動一個新節點的同步時間會變得越來越長（截至2020/06，啟動一個新全節點需要同步至少一周的時間），超長耗時的原因是因為全節點的同步必須從創世區塊開始對每一個區塊進行驗證與同步的動作，而驗證區塊必須要擁有該區塊高度的全網狀態，因此在每一個區塊同步狀態是目前同步節點的極大瓶頸。

無狀態節點時代的到來將能夠大幅改善同步區塊的痛苦過程，未來僅需憑藉「區塊標頭」與「區塊見證」即能完成區塊的驗證，同步節點體驗的改善將能讓更多人有意願且能夠負擔運行節點的成本（時間與硬件資源）。

ii. 輕節點得以自力更生

在現行的以太坊網絡中，輕節點不具備獨立驗證新區塊與驗證交易的能力，因為輕節點沒有保存驗證交易需要的merkle proof 資訊，因而必須向鄰近全節點發出p2p request 進行請求，但輕節點現在願意提供支援的佛心全節點變得越來越少。

無狀態機制將能幫助輕節點依靠自己維護的部分狀態（自己帳戶與合約的餘額等資訊），以區塊標頭和區塊見證獨立進行驗證，不求於人。

iii. 節點網絡安全性提升

由於區塊鍊網絡的安全性取決於能參與新區塊驗證的節點總數量，對網絡的攻擊成本將隨著節點總數量的增加而提高，能有效地低系統被擊潰的風險。

隨著新節點啟動成本的降低以及大量的輕節點投入到新區塊的驗證中，將讓網絡的整體安全性大幅提升。

iv. 介接eth 2.0

最後一點也是最核心的一點，前面提到eth 2.0 將會是由核心的信標鏈與多條分片鏈構成，全網的狀態將被多個分片分開儲存。由於每條分片各自擁有不同的狀態，並且沒有保存其它分片的狀態資訊。因此對每條分片來說，其它條分片都像是「無狀態節點」。

為了能夠在多條分片鏈間有效驗證與同步，必須依靠「無狀態的驗證機制」。因此現在的eth 1.0 未來要能順利成為eth 2.0 的其中一條分片鏈，升級為無狀態的eth 1.x是至關重要的一個步驟。

結論

透過以上介紹，相信讀者們應該對於現行的eth 1.0 升級到eth 1.x 需要進行的改動，以及改動完成後的未來有更清晰的認識。

在eth 1.x 升級完成後，人們將能用便宜的硬件運行自己的無狀態節點（輕節點），更多能夠參與驗證的輕節點可以進一步維護全網的安全性。

擁有無狀態驗證機制的eth 1.x 方能順利和eth 2.0 的信標鏈與其它分片鏈介接，正式讓以太坊網絡進入由無狀態驗證機制與分片技術構築成的輕量化eth 2.0未來。