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.

Modern blockchains are scaling to tens of thousands of Transactions Per Second (TPS), but higher throughput increases resources needed for verification and state access. Centralized Node-as-a-Service (NaaS) providers (e.g., Infura, Alchemy) offer convenient APIs but introduce trust, privacy, and censorship risks. Running a full node is trustless but impractical for most users due to resource requirements, while light clients are efficient but cannot reconstruct application state. A new kind of blockchain client has recently been introduced under the name of sparse client (aka. partially stateless client): it verifiably monitors a substate of the ledger by only downloading, executing, and storing transactions that read from or write to the substate. As of today, this client is understudied and the only existing design has significant drawbacks and lacks implementation and evaluation. This thesis introduces two sparse client protocols for EVM-compatible blockchains: Sparseth for state-based synchronization and Eventeth for event-based synchronization. Both enable clients to maintain verifiable subsets of the global ledger and state without validator overhead. Sparseth uses an interaction counter to ensure no relevant transactions are omitted, while Eventeth uses a cryptographic hash chain to verify event log integrity and completeness. Contrary to the existing design, both protocols operate entirely at the execution layer and are finally compatible with EVM-based chains. We provide formal security analysis proving both protocols satisfy safety, liveness, and sparse validity under our adversarial model. Our implementation in Go demonstrates practical feasibility, achieving over 95% bandwidth reduction for event nodes and 92% computational reduction for sparse nodes compared to full nodes. Gas overhead analysis shows the protocols add 4-16% to typical dApp transaction costs, with mitigation strategies including L2 deployment and economic mechanisms.