科普 | 帶寬和區塊鏈：開發者如何最小化開銷_GRE

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。

聲音 | 上海股交所總經理：區塊鏈想要大規模發展要做好社會科普工作:金色財經報道，上海股交所總經理張云峰表示，區塊鏈當前還處于一個“概念”的階段，距離成熟應用，影響到百姓的日常生活還有很長的路要走。對于“區塊鏈”和其會帶來的社會和經濟效果，沈陽應當持審慎的態度。區塊鏈想要大規模發展，一方面要做好這項復雜技術的社會科普工作，加快社會大眾對區塊鏈的了解。另一方面，要充分發揮市場的作用，讓企業用實實在在的技術創新，賦能實體經濟的發展。[2019/11/17]

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。

聲音 | CNBC主持人：加密貨幣最大的缺點之一就是難以向外行快速科普:CNBC主持人Ran NeuNer近期發推稱，加密貨幣最大的缺點之一就是很難向外行快速解釋。當人們要求我向他們解釋比特幣時，我知道他們至少需要一個小時才能真正理解。[2019/9/10]

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。

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

聲音 | ETC Labs主管：科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰:ETCLabs主管Darin Kotalik認為，科普教育是未來幾年公鏈面臨的巨大挑戰，人們必須要對區塊鏈有基本的認識，分清楚公鏈和私鏈的區別。[2019/8/25]

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。

-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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