GRE:科普 | 帶寬和區塊鏈：開發者如何最小化開銷_比特幣十年走勢一覽

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。

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]

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。

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]

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。

問題

中科院自動化研究所將面向大中小學生開展區塊鏈等主題的科普講座:5月21日，新華網訊，今年，中國科學院自動化研究所將舉辦第十四屆“自動化之光”公眾科學開放日活動。屆時，自動化所將面向大中小學生分別開展《腦與智能》、《區塊鏈技術與平行智能》、《大數據時代的視覺智能》、《動畫真奇妙》等4個主題報告，用實例和生動的演示深入淺出地為大家揭示智能技術的原理和奧妙。[2018/5/21]

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。

科普時報：區塊鏈與云計算長期發展目標不謀而合:據《科普時報》今日報道，區塊鏈與云計算兩項技術的結合，從宏觀上來說，一方面，利用云計算已有的基礎服務設施或根據實際需求做相應改變，實現開發應用流程加速，滿足未來區塊鏈生態系統中初創企業、學術機構、開源機構、聯盟和金融等機構對區塊鏈應用的需求。另一方面，對于云計算來說，“可信、可靠、可控制”被認為是云計算發展必須要翻越的“三座山”，而區塊鏈技術以去中心化、匿名性，以及數據不可篡改為主要特征，與云計算長期發展目標不謀而合。[2018/5/4]

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。

-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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