Sparse and Event-Based Client Designs for EVM-Compatible Blockchains: A Sparse Node Implementation for Ethereum

Abstract

Moderne Blockchains verarbeiten mittlerweile Zehntausende Transaktionen pro Sekunde. Mit steigendem Durchsatz wachsen jedoch auch die Anforderungen für die Verifikation von Blockchains. Zentralisierte Node-as-a-Service (NaaS)-Anbieter (z.B. Infura oder Alchemy) bieten zwar praktische APIs, schaffen jedoch zusätzliche Vertrauensabhängigkeiten und bergen Risiken in Bezug auf Datenschutz und Zensurfreiheit. Ein selbst betriebener Full Node ermöglicht Datenzugang ohne zusätzliche Vertrauensannahmen, ist für die meisten Nutzerinnen und Nutzer jedoch aufgrund des hohen Ressourcenbedarfs kaum praktikabel. Im Gegensatz dazu arbeiten Light Clients deutlich ressourcenschonender, können dafür den vollständigen Anwendungszustand nicht rekonstruieren. Ein neuer Ansatz, der als Sparse Client (bzw. Partially Stateless Client) bekannt ist, ermöglicht dagegen die verifizierbare Überwachung eines Teilzustands der Blockchain, indem ausschließlich jene Transaktionen heruntergeladen, ausgeführt und gespeichert werden, die diesen Teilzustand lesen oder verändern. Bisher fehlt eine fundierte wissenschaftliche Aufarbeitung: Die einzige verfügbare Arbeit zu diesem Thema weist deutliche Limitierungen auf und wurde weder implementiert noch umfassend evaluiert. In dieser Arbeit präsentieren wir zwei Sparse-Client-Protokolle für EVM-kompatible Blockchains: Sparseth für zustandsbasierte Synchronisation und Eventeth für ereignis-basierte Synchronisation. Beide Protokolle ermöglichen es Nutzerinnen und Nutzern, überprüfbare Teilmengen der globalen Transaktions- oder Ereignissequenz und des damit verbundenen Zustands zu verwalten, ohne dass zusätzlicher Validator-Aufwand erforderlich ist. Sparseth nutzt einen Interaktionszähler, um sicherzustellen, dass keine relevanten Transaktionen ausgelassen werden, während Eventeth eine kryptographische Hash-Kette einsetzt, um die Integrität und Vollständigkeit der Ereignisse zu gewährleisten. Im Gegensatz zu bestehenden Ansätzen arbeiten beide Protokolle vollständig auf der Ausführungsschicht und sind mit EVM-basierten Blockchains kompatibel. Unsere formale Analyse zeigt, dass beide Protokolle im angenommenen Widersacher-Modell Sicherheit, Liveness und spärliche Gültigkeit garantieren. Unsere Implementierung in Go demonstriert die praktische Umsetzbarkeit: Event Nodes senken den Bandbreitenbedarf um über 95%, Sparse Nodes reduzieren die auszuführenden Transaktionen um 92% gegenüber Full Nodes. Die Gas-Kosten steigen um 4-16% für typische dApp-Transaktionen, ein Mehraufwand, der sich durch L2-Lösungen und ökonomische Anreize weiter mindern lässt.