科普 | 帶寬和區塊鏈：開發者如何最小化開銷_GREG

區塊鏈將全世界都記錄在了同一個賬本上。每挖出一個新的區塊，這個賬本就會生成一個新的狀態來代替之前的狀態。共識機制旨在確保這個狀態得到了社區中大多數人的認可。在巧妙設計的系統中，激勵機制可以確保不可變性。只要等待足夠長的時間，已成歷史的狀態就無法被篡改。區塊鏈為我們帶來了可編程貨幣，并且俘獲了許多人的想象力。

比特幣和以太坊是區塊鏈世界的兩大領頭羊。事實證明，這兩種賬本技術流行程度高，而且發展勢頭強勁，但是人們普遍不看好它們的可擴展性。為什么會出現這種情況呢？又如果改善這種狀況呢？

背景

區塊鏈本身也叫作Layer1。區塊鏈充當的是網絡中所有數字資產歸屬權的全局信任來源。網絡中的全節點會追蹤賬本的當前狀態。要想保持這種去中心化或無權力中心的狀態，就必須讓小礦工也能夠參與驗證并為區塊鏈做貢獻。小礦工手中的系統資源和帶寬遠比不上大礦工。

人民數字FINTECH推出區塊鏈科普動畫:人民日報數字傳播發布微博稱，人民數字FINTECH出品《趣味科普|區塊鏈動畫》。[2020/3/31]

為實現免信任性和抗審查性，區塊鏈不能由某個實體或小團體控制。開發人員認為要讓掌握不同資源的人都能夠參與進來，從而避免權力集中和單點控制的問題。因此，比特幣的區塊大小上限得不到提高。這一上限會抑制整個系統在資源要求上的膨脹，讓更多人能夠參與進來。

要注意的是，參與方之間也可以通過局部協議進行轉賬，無需進行全局更新。這就是我們通常所說的二層方案或鏈下交易，對于擴大交易的規模具有深遠影響。其思路是，各方之間的交易在上鏈之前可以聚合起來。在某些設計中，這種局部協議從開啟到將狀態上鏈可以歷時幾個月或者更久。

工程師都很看好二層解決方案，認為它能夠大幅提升區塊鏈的可擴展性，對于密碼學貨幣能否滿足大用戶群的需求具有決定性作用。然而，盡管二層解決方案具有很大的影響力，但它能做的只是提升底層區塊鏈的吞吐量，而非帶來無限的可擴展性。因此，重點還是要對網絡進行優化，最小化每個交易所需使用的資源。

動態 | 報告：區塊鏈等熱點詞促使童書科普百科類成交額同比增速最高:近日，京東圖書與艾瑞咨詢聯合發布了《2019中國圖書市場報告》。報告指出，AI、5G、區塊鏈、機器人、VR、智能家居、AR這些熱點詞，不斷點燃科技熱潮，科技在改變大眾生活的同時，也吸引了越來越多家長的關注，從小培養孩子對科技的興趣和熱愛。因此童書中科普百科類成交額同比增速最高，占比將近40%。[2020/1/8]

問題

去中心化的比特幣區塊鏈是全球共享的廣播媒介——很有可能是人類設計過最低效的通信方式。

——GregMaxwell

一層區塊鏈的基本問題是全網的副本必須與總賬同步更新。每一個全節點都會存儲一個區塊鏈的副本，每個副本都是完全相同的，并經過了每一個全節點的獨立驗證。

新挖出的每一個區塊必須廣播給其他節點。延遲對挖礦節點來說尤為關鍵，因為它們需要緊接著最新挖出的區塊繼續挖，否則就會白費力氣。為了驗證最新挖出的區塊，礦工需要知道區塊中包含哪些交易，并且掌握所有交易的副本。

動態 | 人民日報官方微博科普區塊鏈 強調區塊鏈不等于比特幣:人民日報官方微博今早發表9圖科普區塊鏈。其中涉及區塊鏈的特點有：1、安全；2、不可篡改；3、可訪問；4、無第三方。區塊鏈對未來的影響：1、不需繁瑣個人證明；2、看病避免反復檢查；3、旅行消費更加便捷；4、交易無需第三方。同時強調，區塊鏈不等于比特幣。比特幣只是區塊鏈技術的一種應用，區塊鏈還有醫療衛生、食品安全、版權保護等諸多應用領域。[2019/10/28]

目前來說，比特幣軟件采用的是一種幼稚的方法來廣播交易和區塊。節點接收到交易之后會將它們廣播給其他節點。創建的區塊會被廣泛傳播出去，不管接收者是否已經掌握其中的部分數據段。對于需要實時跟進出塊情況的礦工來說，這么低效的流程簡直不能忍。

補救措施

比特幣的低效問題是眾所周知的。多年來，提高網絡效率的努力都在減少帶寬成本和加快傳播速度上。前比特幣維護者GavinAndresen在2014年發布了一個O(1)區塊傳播路線圖。后來，這個路線圖經過了大幅修改，不過基本思路沒怎么變。

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

-FIBRE網絡示意圖-

中繼網絡

礦工已經在積極實現FIBRE和Falcon之類的區塊中繼網絡了。這些中繼網絡采用的是低延遲+高帶寬的連接方式，不過存在一些缺陷，例如中心化程度高，為實現延遲最小化消耗了大量帶寬等等。這些網絡不會減少運行非挖礦節點所需的帶寬總量，這在工程師擴大系統規模之前是必需實現的。

壓縮區塊

如果在傳輸區塊的時候，區塊中包含的交易是接收者已有的，就不是最優方案。密碼學家GregMaxwell曾指出，新挖出的區塊中有大部分交易都是接收者已知的。說明白點，新挖出的區塊中有很多交易很可能是接收者的內存池中已有的。GregMaxwell研究了這一問題，并在2015年12月草擬了一個提議。

核心開發者MattCorallo在Greg研究的基礎上改進了這個提議，并于2016年初正式提出了BIP152，闡明了壓縮區塊的概念。壓縮區塊協議指的是發送者向接收者發送的不再是完整的區塊數據，而是接收者肯定沒有的區塊頭、交易ID縮寫和交易集。這一改動旨在節省帶寬，不過也有降低延遲的效果。

Erlay

比特幣采用的是“大水漫灌”型的區塊廣播方式，顯然不是在網絡中傳播交易的最佳方式。一個節點可能會接收到同一個交易的多個副本，而且必須將這些副本廣播給所有與之相連的節點。由此一來，消耗了大量帶寬，造成了不必要的開支。此外，這會打擊節點與更多節點建立連接的積極性，因為多連接一個節點，每傳播一個交易所需的帶寬就會相應遞增。

連接的節點越少，消耗的帶寬就越低。然而，這可能會帶來一定的危險，使用戶更容易遭受日蝕攻擊。TumbleBit的創建者EthanHeilman在2015年發布了一篇關于日蝕攻擊的研究論文。這篇論文的基本思路與女巫攻擊有關。攻擊者偽裝成多個不同的實體來迷惑受害者。攻擊者會壟斷被攻擊節點的所有外部連接。作為被攻擊節點僅有的信息來源，攻擊者會通過創建特殊的區塊來偽造當前狀態。這種攻擊的成本很高，但是如果攻擊者可以讓被攻擊者相信自己收到了一大筆比特幣，實際上卻將這筆資金轉移到了其他地方，被攻擊者可能就會被騙過，以為自己已經收到了錢并且愿意出貨。

Erlay可以實現一個連接更好且更強大的網絡。如果是在每個節點都連接到其它32個節點的網絡種，Erlay的研究人員發現，優化過后，節點使用的帶寬會比當前軟件下使用的帶寬減少75%。

下一步怎么走？

一方面讓挖礦節點使用中繼網絡，另一方面讓普通節點用戶使用壓縮區塊協議，區塊廣播就能得到極大的優化。研究人員仍在努力減少系統的開支，并盡可能精簡流程。只有當開發人員認為當前吞吐量下帶寬消耗量足夠低之時，談論提高吞吐量的問題才會提上日程。

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