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以太坊，作为全球领先的智能合约平台，其共识机制从工作量证明（PoW）向权益证明（PoS）的转型（“The Merge”）是区块链发展史上的重要里程碑，即便完成了这一转型，以太坊网络在发展过程中仍面临一些持续的技术挑战，其中之一便是DAG（有向无环图）的持续增大及其带来的相关问题，本文将深入探讨以太坊DAG增大的原因、带来的挑战,以及社区已提出和正在实施的解决方案。
什么是以太坊的DAG？
在以太坊的PoW时代，DAG（也称为“挖矿图”）是每个 epoch（每个epoch包含约30,000个区块，即约125天的周期）生成的一个巨大数据结构，它主要用于Ethash挖矿算法，矿工需要快速访问DAG的一部分来进行哈希计算，从而争夺出块权，DAG的大小会随着每个epoch的到来而线性增长,每个epoch增加约几GB。
虽然“The Merge”后以太坊不再使用PoW共识，但DAG并未就此消失，在当前的PoS机制下，DAG被用于验证节点的“同步”过程，新加入的节点或需要同步最新状态的节点，需要下载和处理整个DAG，以确保其拥有验证新区块所需的所有历史数据和信息，DAG的增长问题从PoW时期的挖矿性能影响,延续到了PoS时期的节点同步和运行效率问题。
DAG增大带来的挑战
随着以太坊网络的持续运行和时间的推移，DAG的体积越来越大,这给节点运行者和整个网络带来了诸多挑战：
- 存储压力急剧增加：DAG的持续增长意味着运行全节点需要越来越大的存储空间，早期DAG可能只有几GB，而现在已增长到数十GB，并且未来还会继续增加，这对于普通用户来说，运行一个全节点的门槛越来越高,可能导致节点中心化风险。
- 节点同步时间延长：新节点在同步以太坊区块链数据时，除了下载区块头和状态根外，还需要下载整个DAG，DAG越大，下载和验证所需的时间就越长，这不仅增加了新用户加入网络的难度,也影响了网络的去中心化程度。
- 硬件要求提升：运行一个高效的全节点需要更高性能的存储设备（如SSD，尤其是高速NVMe SSD），因为DAG的读取速度直接影响节点的同步速度和响应能力,这进一步提高了参与网络维护的成本。
- 潜在的性能瓶颈：对于验证节点（尤其是质押者）而言，频繁访问DAG数据可能会成为性能瓶颈，影响其验证效率和出块机会，尤其是在DIO（DAG IO）操作上。
解决DAG增大问题的探索与方案
面对DAG增大带来的挑战，以太坊社区和开发者们一直在积极探索和实施各种解决方案，主要思路可以从“优化现有DAG使用”和“改变DAG生成机制”两个层面展开：
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状态 expiry 与状态根历史 (State Expiry and State Root History)：
- 核心思想：这是目前最受关注且已进入EIP（以太坊改进提案）讨论阶段的方案，其核心是限制状态（State）的保存时间，例如只保留最近N个 epoch（如2个epoch，约250天）的状态，更早的状态数据可以通过状态根（State Root）来验证其完整性,但完整数据可能需要从归档节点或其他存储介质中获取。
- 对DAG的影响：由于DAG与状态紧密相关，限制状态的保存时间可以有效控制DAG的体积，使其不再无限增长，这能显著降低全节点的存储需求,缩短同步时间。
- 挑战：需要设计巧妙的数据恢复机制，确保用户在需要访问较旧状态时（例如某些合约的历史查询）能够高效获取,这可能会对依赖于长期历史数据的某些应用场景带来影响。
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DAG 分片与分层存储 (DAG Sharding and Layered Storage)：
- 核心思想：将庞大的DAG数据分割成多个片段，不同节点可以负责存储和验证不同的片段，或者，将不常用的DAG数据迁移到成本更低的存储层（如分布式存储网络IPFS、Arweave，或传统的云存储）。
- 对DAG的影响：分片可以减轻单个节点的存储压力，分层存储则可以利用更经济的存储方案来保存全量DAG,而全节点只需保留热数据或频繁访问的数据。
- 挑战：分片会增加协议的复杂性和验证逻辑的难度，分层存储则需要引入新的数据可用性保障机制，确保数据在需要时能够及时、可靠地获取。
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优化DAG访问与存储格式：
- 核心思想：通过改进DAG的存储格式（例如使用更高效的压缩算法、数据库结构）和访问机制，减少I/O操作,提高读取效率。
- 对DAG的影响：虽然不直接减少DAG的物理大小，但能显著提升节点运行效率,缓解因DAG增大带来的性能瓶颈。
- 挑战：优化效果可能有限,且需要持续投入研发资源。
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鼓励归档节点与轻客户端发展：
- 核心思想：承认全节点无法由所有参与者运行的现实，鼓励专业机构或个人运行归档节点（保存完整历史数据），同时大力发展轻客户端，轻客户端无需下载完整DAG，通过验证关键数据（如状态根、区块头）来与网络交互,信任归档节点或其他全节点提供的数据。
- 对DAG的影响：这是一种间接解决方案，通过降低全节点的普遍性要求,来缓解DAG增长对网络整体去中心化的直接冲击。
- 挑战：轻客户端的安全性依赖于其验证的数据来源,如何确保归档节点或数据提供方的可信度是一个关键问题。
未来展望
DAG的增大问题是以太坊在追求可扩展性、安全性和去中心化（“以太坊三难”）过程中持续面临的一个具体体现，解决DAG问题，不仅关乎节点运行的效率,更关乎以太坊网络的长期去中心化愿景。
“状态 expiry”方案被认为是较为可行且已取得一定进展的方向，未来可能会通过EIP的形式逐步实施，其他方案如分层存储、轻客户端技术等也在同步发展和完善中。
可以预见，随着以太坊生态的不断壮大和技术的持续迭代，DAG增大问题将通过多种技术手段的组合得到有效缓解，这不仅会降低用户参与网络的门槛，提升网络的整体效率和韧性，也将为以太坊未来的进一步发展（如Layer 2扩容、更复杂应用场景的落地）奠定坚实的技术基础。
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