关键词：Verkle Trees、Ethereum 扩容、零知识证明、可验证查询、轻节点、状态树优化
背景：The Verge 与轻节点未来
Vitalik 在最新的路线图中，将 The Verge 描述为“让节点验证区块链状态变得更快、更轻、更简单”。要让 1 TB 的状态数据在几秒钟之内可验证，传统 Merkle Patricia Tree（MPT）已显得笨重。答案正是 Verkle Trees：在保持去中心化安全假设的同时，把节点负担降了两个数量级。
1 背景知识：从可验证查询说起
| 场景 | 问题 | 解决思路 |
|---|---|---|
| 云数据库 | 怀疑返回结果是否真实 | 可验证数据结构（ADS） |
| 客户端 RPC | 不信任节点返回的状态 | Merkle Tree 证明 |
| 无状态客户端 | 不想下载整个状态 | Verkle Trees |
可验证查询技术的核心，就是“我信不过你，但我可以 快速验证 你”。
从传统的 Merkle Tree，到 Verkle Tree（向量承诺 + Merkle 结构），是一次从“线性许可证”到“压缩授权”的飞跃。
2 Merkle Tree：老而弥坚的结构
2.1 原子组成
- 叶子：键值数据
- 非叶子：哈希子节点的和
- 根哈希：成为“小型信任锚”
2.2 轻节点如何验证
轻节点只存储 block header，内含状态根。向全节点请求一笔账户数据时，会同时拿到
- 该数据块本身
- 一个 Merkle Path（约 log₂N 个兄弟节点，常见深度 ≈ 7）
- 计算根哈希并与本地 header 对比。一致即通过。
2.3 结构拓展
- Merkle-B Tree：支持范围查询；VO 过大
- MPT：把 Radix Tree 合并进来；在 Ethereum 状态读写时被滥用已达 900 GB
因此，扩容瓶颈 = 大量兄弟节点带来的网络 + 计算负载。
👉 深入了解如何在链下巧妙压缩这些证明细节，让钱包一秒完成状态验证
3 Verkle Trees：向量承诺的降维打击
3.1 定义
作者给出了简明口诀：
Verkle Trees = Vector Commitments + Merkle Trees
- 宽 256（对比 MPT 的 16）减少树深
- 用 KZG 多项式承诺替代哈希，把整层并行打包
- 兄弟节点 不再需要回传，只证明“父→子存在”
3.2 证明大小对比
| 说明 | Merkle Tree（理想） | Verkle Tree（主网设计） |
|---|---|---|
| 10 亿条目路径 | 1 KB | < 150 B |
| 压缩比例 | 1× | ~10× |
| 验证时间（轻节点） | ~3 s | < 100 ms |
引自 Vitalik blog 的结论：“Size ≤ 150 bytes 让 无状态客户端 在移动设备也能诞生。”
3.3 工作流程拆解
- Committer：为每层节点生成 48 B 多项式承诺
- Prover：一键算出针对某路径的 multiproof（单次 96 B）
- Verifier：运行椭圆曲线双线性配对，两步即可通过
3.4 进阶优化：合并证明
- 用随机线性组合将整条路径压缩到 固定 1 个承诺 + 2 条证明
- 全网平均深度 4，意味着 3×KZG 承诺即可打包验证 10 亿级别的状态
4 性能、更新与未来兼容性
| 视角 | 运算成本 | 未来方案 |
|---|---|---|
| Proof 生产 | log₂56 × 椭圆曲线乘法 | 预计算缓存可换时间 |
| Proof 验证 | 1×FFT + 2×配对所有网络均在 100 ms 内 | 可通过 ZK-SNARK 再次精简 |
| 状态更新 | 触发整条路径重算，可以用备份承诺缓解 | 未来转向量子安全 STARK 化哈希 |
社区预期：
- 2024–2025 纳入 下一个硬分叉
- 先行落地在无状态客户端 & 分片数据层
5 常见问题 FAQ
Q1：Verkle Trees 与 EIP-4844 的 KZG Commitment 区别？
A：EIP-4844 是交易 数据可用性层 的多项式承诺；Verkle Trees 面向 全局状态存储。两者使用同一套 KZG 数学器件，目的与位置不同。
Q2：为何要采用如此宽的 256 分支而非传统 2 分支？
A：宽度越大，树深越浅，路径证明越少。向量承诺让兄弟节点不再必要，反而带宽瓶颈前端。
Q3：主网一旦升级，我的合约需要迁移吗？
A：不，EVM 语义层无感知升级。底层 MPT→Verkle 共享同一条 RPC 接口。
Q4：KZG 突破 128 位安全了吗？
A：当前采用 BN254，满足 NIST P-256 安全级别；若未来标准升级，可用高阶曲线（BLS12-381）无缝替换。
Q5：若量子计算到来，Verkle Trees 是不是废了？
A：Vitalik 已在方案中写明：届时可退回 STARKed Merkle Tree；中途不需任何社会分叉，可通过策略层脚本即可完成。
Q6：如何本地体验 Devnet？
A：下载最新 geth-verkle 分支即可用 --verkle 标志启动；同步时间 < 30 min（本地 SSD）。
尾声
当所有树深、网络往返与计算瓶颈被压缩到 150 字节以内，手机也能跑全以太坊客户端的那天——这就是 Verkle Trees 带来的未来。
对开发者而言，理解这一核心技术不仅是跟上扩容的第一步，更是提前布局 状态层可组合性 的关键拼图。