Dans le développement continu de la technologie des registres distribués, l'évolutivité est toujours l'objectif principal mais aussi le plus grand défi pour chaque protocole. Alors que des solutions telles que Layer 2 ou Sharding se concentrent sur l’augmentation du débit des transactions, un problème plus silencieux mais plus dangereux menace la durabilité du réseau : la croissance et l’hypertrophie de l’État. L'état de la blockchain n'est pas simplement un historique des transactions mais une « carte actuelle » de l'ensemble du compte, du solde et du code du contrat intelligent. Selon l'analyse de Tan Phat Digital, lorsque ces données augmentent de manière incontrôlable, la barrière matérielle pour exploiter un nœud complet devient trop élevée, conduisant à la centralisation du pouvoir d'authentification entre les mains de quelques entités disposant de ressources importantes. Dans ce contexte, l'architecture Stateless Client (stateless node) est apparue comme une direction révolutionnaire, permettant au réseau de maintenir la décentralisation même lorsque l'échelle des données atteint des niveaux énormes.
Analyse de la structure des données de la Blockchain : la différence entre l'état et l'historique
Pour comprendre la nature du Stateless Client, il est d'abord nécessaire d'analyser en profondeur la différence entre deux principaux types de données dans une Blockchain système : l'historique et l'état. De nombreux utilisateurs et même les nouveaux développeurs confondent souvent ces deux concepts, mais dans l'architecture système, ils ont des rôles et des besoins en ressources complètement différents.
Comparaison des caractéristiques entre les données historiques et les données d'état :
1. Données historiques (Historique) :
Contenu : Toutes les transactions et tous les blocages jusqu'à présent depuis le blocage d'origine.
Fréquence d'accès : Faible (uniquement lors de la synchronisation ou de l'interrogation d'anciens événements).
Exigences matérielles : Disque dur de grande capacité et bon marché (peut atteindre des milliers Téraoctet).
Propriétés : Ajout uniquement et immuable.
Rôle d'authentification : Sert à vérifier l'intégrité à long terme du grand livre.
2. Données d'état :
Contenu : Instantané actuel du solde du compte, du code du contrat et de la mémoire de stockage.
Fréquence d'accès : Très élevée (récupérée en continu à chaque étape du traitement de la transaction).
Exigences matérielles : SSD ou RAM haute vitesse pour garantir une faible latence.
Propriétés : Changeant continuellement (lecture/écriture) à chaque bloc de transaction.
Rôle d'authentification : Nécessaire pour valider la validité des transactions instantanées (par exemple, vérifier le solde).
La croissance incontrôlée de l'État est la cause du phénomène de « gonflement de l'État ». À mesure que le nombre d'utilisateurs augmente, que le nombre de nouveaux comptes est créé et que les applications DeFi et NFT deviennent plus complexes, la taille de l'État augmentera progressivement au fil du temps. Cela impose une charge de ressources importante aux nœuds complets, car ils doivent conserver une copie complète et à jour de cet état pour participer au processus de consensus.
Voir aussi : Blockchain Qu'est-ce que Trilemma ? Feuille de route 2030
La ballonnement de l'État : une « maladie chronique » et le risque de décentralisation
Le gonflement de l'État n'est pas un bug technique mais une conséquence naturelle du succès et de l'adoption de la blockchain. Cependant, si elle n’est pas gérée, elle deviendra un obstacle majeur au développement durable du réseau. Les principaux moteurs de la croissance de l'État incluent la création de nouvelles adresses, le déploiement de contrats intelligents complexes et le stockage de données arbitraires en chaîne.
Dans un système comme Ethereum, chaque « emplacement de stockage » utilisé dans un contrat intelligent existera pour toujours dans l'État à moins qu'il ne soit explicitement supprimé. Cependant, la plupart des développeurs et des utilisateurs ne sont pas incités économiquement à supprimer les anciennes données, ce qui conduit à ce que l'on appelle la « tragédie des biens communs ». Les utilisateurs ne paient que des frais de transaction uniques pour mettre les données sur la chaîne, mais les nœuds de validation doivent supporter le coût du stockage de ces données pour toujours.
Les conséquences de la surcharge d'état pour le réseau blockchain sont graves :
Seuil matériel accru : Les nœuds nécessitent des disques SSD de plusieurs téraoctets avec des performances IOPS extrêmement élevées pour suivre les taux de mise à jour.
Synchronisation étendue des temps de synchronisation : Le chargement de l'état initial peut prendre des jours ou des semaines, empêchant les nouveaux membres de se joindre.
Risque de centralisation : Seules les grandes organisations ou les fournisseurs d'infrastructures spécialisés disposent des ressources nécessaires pour maintenir le nœud, ce qui affaiblit la décentralisation.
Risque de déni de service (DoS) : Les attaquants peuvent exploiter la création d'état. Un moyen peu coûteux de remplir la base de données de nœuds.
En savoir plus : Couche 1 et couche 2 dans la blockchain : multicouche solutions d'architecture et de mise à l'échelle du réseau
Qu'est-ce qu'un client sans état ? Révolution dans l'architecture des nœuds de validation
Le client sans état est un concept de conception dans lequel les nœuds de validation ne sont pas obligés de stocker l'intégralité de l'état de la blockchain pour vérifier la validité d'un nouveau bloc. L'État existe toujours, mais la responsabilité de son stockage et de son service est déplacée ou redistribuée.
Dans cette architecture, le nouveau bloc sera accompagné d'un élément d'information supplémentaire appelé témoin. Le témoin est un ensemble de valeurs d'État spécifiques accompagnées de preuves cryptographiques prouvant leur exactitude sur la base de la « racine d'État » engagée.
Classification des niveaux d'apatridie :
Apatridie faible (apatridie faible) : l'objectif à court terme d'Ethereum. Seuls le proposant et le constructeur de blocs doivent stocker l'état complet pour créer un témoin. D'autres validateurs peuvent fonctionner en mode sans état.
Apatridie forte : même les producteurs de blocs n'ont pas besoin de stocker l'état. Les utilisateurs doivent fournir leur propre témoignage de leurs transactions. Cependant, ce niveau se heurte à un obstacle majeur en termes d'expérience utilisateur.
Apatridie partielle : Les nœuds sélectifs stockent les parties d'état « chaudes » couramment utilisées et demandent un témoin pour les parties d'état « froides ».
Arbres Verkle : outil pour réaliser des capacités sans état
Le plus grand défi du client sans état est la taille du témoin. Avec la structure actuelle de Merkle Patricia Trie, la taille du témoin pour chaque bloc peut atteindre des mégaoctets, provoquant une congestion de la bande passante. Pour résoudre le problème, Tan Phat Digital a noté que la feuille de route d'Ethereum s'oriente vers Verkle Trees.
Comparaison technique entre Merkle Patricia Trie et Verkle Tree :
1. Merkle Patricia Trie (MPT) :
Mécanisme de liaison : Utilise les fonctions de hachage traditionnelles (SHA-256/Keccak).
Largeur du nœud (k) : Généralement 2 ou 16.
1 taille de preuve de feuille : Environ 1 Ko.
Taille du témoin pour 1 bloc : Environ 1 Mo (impossible pour une architecture sans état).
Coût de calcul : Faible (nécessite uniquement un calcul de hachage de base).
2. Arbre Verkle :
Octets.Taille du témoin pour 1 bloc : Seulement de 150 octets à quelques dizaines de Ko (tout à fait faisable).
Coût de calcul : Élevé (nécessite des calculs complexes sur des courbes elliptiques).
Les arbres Verkle permettent de réduire la taille du témoin à environ 1/20 à 1/30 par rapport aux appareils traditionnels, permettant aux appareils mobiles de devenir également des nœuds d'authentification.
Chemins de support : loyer de l'État, expiration de l'État et élagage de l'État
Loyer de l'État
Appliquer un mécanisme économique : les utilisateurs doivent payer pour maintenir les données en chaîne.
Solana : Solde SOL minimum requis pour être « sans loyer ». Si cela ne suffit pas, le compte peut être supprimé.
Nervos CKB : 1 pièce CKB correspond à 1 octet de stockage. Les utilisateurs doivent verrouiller les jetons pour sauvegarder les données, créant ainsi une barrière économique à la surcharge de l'État.
Expiration de l'État
Supprime automatiquement les parties de l'État qui ont été intactes pendant une longue période (par exemple, 1 an) de l'ensemble d'états actifs. Pour réutiliser, l'utilisateur doit fournir la preuve de "faire revivre" ce compte.
Élagage d'état
Technique interne des nœuds pour purger les anciennes données d'état (par exemple, ne conserver que les 128 blocs les plus récents) pour économiser de l'espace disque local.
Future architecture blockchain : symbiose entre modulaire et sans état
Dans la vision de Tan Phat Digital, la future architecture sera une combinaison de :
Couche d'exécution (rollups L2) : Maintient l'état complet (avec état) pour des performances élevées, mais ne gère qu'une petite partie des données.
Couche de règlement (L1 Stateless) : Devient apatride, uniquement responsable de l'authentification des preuves des Rollups sans avoir besoin de stocker les données d'origine.
Couche de disponibilité des données (DA Layer) : Garantit que les données brutes sont toujours disponibles pour réinitialiser l'état en cas de besoin, sans forcer chaque nœud à stocker l'historique.
Foire aux questions (FAQ)
1. Quelle est la différence la plus fondamentale entre « État » et « Historique » ? L'historique est un journal qui enregistre chaque transaction effectuée depuis le passé, tandis que l'État est le "plan comptable" actuel nécessaire pour déterminer si une nouvelle transaction est valide ou non.
2. Pourquoi State Bloat présente-t-il un risque pour la centralisation du réseau ? Lorsque l'État est trop grand, seules les organisations disposant d'un matériel supérieur peuvent exécuter des nœuds complets. Cela place le contrôle du réseau entre les mains de quelques entités riches en ressources, entraînant une perte de décentralisation.
3. Comment Verkle Trees aide-t-il à réduire la taille des témoins ?
Au lieu d'utiliser une fonction de hachage à l'ancienne qui nécessite d'inclure plusieurs "nœuds frères" dans l'arborescence de données, Verkle Trees utilise des engagements polynomiaux KZG qui aident à créer des preuves d'adhésion extrêmement compactes et de taille fixe ($O(1)$ au lieu de $O(\log n)$).
4. En quoi l'« apatridie faible » est-elle différente de l'« apatridie forte » ?
L'apatridie faible exige uniquement que le proposant global conserve l'État, les autres validateurs ne le font pas. Apatridie Manh exige que même le proposant du bloc ne conserve pas l'état, toute la charge du témoin incombe à l'utilisateur.
5. Comment fonctionne le mécanisme State Rent de Solana ?
Les comptes sur Solana doivent maintenir un solde SOL minimum pour payer les frais d'hébergement. Si le compte est fermé, l'utilisateur peut récupérer l'intégralité du numéro SOL déposé.
6. Qu'est-ce que la « loi impossible » de Stateless Blockchain ? La recherche montre qu'il est impossible d'avoir un système dans lequel à la fois l'état au niveau du nœud de validation est constant et la fréquence de mise à jour des preuves pour les utilisateurs est faible. Il y a toujours un compromis entre l'un de ces deux facteurs.
7. L'expiration de l'état supprime-t-elle définitivement les données utilisateur ?
Non. State Expiry déplace uniquement les données inactives (par exemple inutilisées pendant 1 an) vers un stockage froid. Les utilisateurs peuvent utiliser des preuves pour « réveiller » et ramener le compte à l'état actif en cas de besoin.
8. Qui sont les fournisseurs de preuves et quel rôle jouent-ils ?
Il s'agit de parties spécialisées (comme les constructeurs de blocs ou les fournisseurs RPC) qui possèdent l'intégralité de l'état. Ils sont chargés de créer et d'envoyer des preuves cryptographiques (témoin) aux clients apatrides afin que ces nœuds puissent authentifier les transactions sans enregistrer de données.
9. Comment Nervos CKB résout-il la « tragédie des terres publiques » en matière de stockage ?
Nervos considère l'espace de stockage comme une propriété privée. Les utilisateurs qui souhaitent enregistrer 1 octet de données doivent posséder et verrouiller 1 pièce CKB. L'inflation due à l'émission annuelle de CKB supplémentaires (émission secondaire) agit comme un « impôt sur le loyer de statut » pour ceux qui occupent cet espace.
10. Les téléphones mobiles peuvent-ils exécuter des nœuds blockchain ?
Oui, via une architecture client sans état combinée à des SNARK. Lorsque la charge de stockage est réduite à quelques Go et que l'authentification n'est qu'une vérification mathématique, un smartphone ou une montre intelligente peut également participer à la sécurité du réseau.
La croissance et l'hypertrophie de l'État sont des risques existentiels qui menacent la survie de l'idéal décentralisé. Stateless Client, optimisé par Verkle Trees, offre un moyen stratégique de dissocier l'autorité d'authentification de la charge de stockage. La lutte contre l’hypertrophie de l’État est la lutte pour maintenir la blockchain ouverte, transparente et appartenant à tous. Avec la collaboration d'unités de recherche comme Tan Phat Digital, nous pouvons croire en une infrastructure numérique décentralisée, durable et capable d'une application massive à l'avenir.
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