一文搞懂區(qū)塊鏈的區(qū)塊傳播相關(guān)問題

缺乏可擴(kuò)展性被認(rèn)為是大規(guī)模采用區(qū)塊鏈技術(shù)的最大障礙，現(xiàn)在，所有的區(qū)塊鏈項(xiàng)目都在尋找能夠提高其網(wǎng)絡(luò)性能的解決方案。許多新興項(xiàng)目聲稱他們有解決這個(gè)問題的靈丹妙藥，這是夸大其詞了，很多觀察員和投資者甚至都沒有意識(shí)到這個(gè)問題的核心和根源。

沒有深入的調(diào)查和足夠的技術(shù)支持，我們很難確定這背后的瓶頸和利弊權(quán)衡。本文，我們將探討阻礙比特幣擴(kuò)展的公認(rèn)因素。

在分散式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)比特幣發(fā)明后不久，研究人員對(duì)決定比特幣規(guī)模極限的因素產(chǎn)生了興趣。很快，其核心問題就被確定為區(qū)塊傳播時(shí)間或區(qū)塊傳播延遲。

這是新區(qū)塊到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)所需要的平均時(shí)間。在像比特幣這樣的大型去中心化網(wǎng)絡(luò)中，每當(dāng)產(chǎn)生新塊，都會(huì)根據(jù)Gossip協(xié)議進(jìn)行信息傳播。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)占領(lǐng)了新的有效區(qū)塊，它將通知其他連接它的節(jié)點(diǎn)。

然后，節(jié)點(diǎn)將該區(qū)塊傳輸?shù)揭笃鋱?zhí)行此操作的那些節(jié)點(diǎn)。在區(qū)塊到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)完整節(jié)點(diǎn)之前，它要經(jīng)過7個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，每個(gè)誠實(shí)的節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)該區(qū)塊給其他對(duì)等節(jié)點(diǎn)之前都要驗(yàn)證該區(qū)塊。顯然，整個(gè)過程需要一段時(shí)間。每個(gè)新的區(qū)塊都會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)，使節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)以最大功率工作。

有人會(huì)說，自從該網(wǎng)絡(luò)推出以來，Gossip協(xié)議已經(jīng)有了很多改進(jìn)。例如，比特幣改進(jìn)方案BIP0152引入了只在區(qū)塊體中傳輸短交易ID的選項(xiàng)，而不是整個(gè)交易列表。但如果節(jié)點(diǎn)在其內(nèi)存池中沒有該事務(wù)，則必須要求其對(duì)等方在單獨(dú)的消息中進(jìn)行傳輸。如果該區(qū)塊中有大量此類事務(wù)，則BIP 0152的改進(jìn)將失去意義。

由于數(shù)據(jù)傳輸是區(qū)塊中繼中最耗時(shí)的部分，研究人員對(duì)確定大小的數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中50%、90%或95%的節(jié)點(diǎn)所需的時(shí)間感興趣。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)大小大于20KB的區(qū)塊，區(qū)塊傳播延遲時(shí)間幾乎和區(qū)塊大小成正比。根據(jù)2013年發(fā)布的研究，該塊中每多出1KB的數(shù)據(jù)都會(huì)導(dǎo)致區(qū)塊傳播延遲增加80毫秒。

自那時(shí)起，每年都會(huì)有幾篇關(guān)于此主題的學(xué)術(shù)論文和調(diào)查，他們更新上述數(shù)據(jù)并提出各種改進(jìn)建議。

此外，該網(wǎng)站監(jiān)測(cè)比特幣網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)和區(qū)塊傳播時(shí)間，它還提供了有關(guān)這一主題的歷史數(shù)據(jù)圖表。大多數(shù)成熟的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)與比特幣有著相同的設(shè)計(jì)，這些網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)塊傳播時(shí)間遵循同樣的規(guī)則。

不幸的是，區(qū)塊傳播時(shí)間對(duì)區(qū)塊鏈的安全性有很大的影響。在網(wǎng)絡(luò)中傳播時(shí)間越長(zhǎng)，礦工在舊區(qū)塊上開采的頻率越高。主鏈的分叉發(fā)生得更頻繁，孤立區(qū)塊的占比上升，長(zhǎng)的傳播延遲導(dǎo)致了所謂的驗(yàn)證者困境。

一些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)跳過區(qū)塊驗(yàn)證步驟是一個(gè)有益的策略。但在這種情況下，他們面臨著在錯(cuò)誤區(qū)塊上開采的風(fēng)險(xiǎn)。然而，如果區(qū)塊驗(yàn)證時(shí)間很長(zhǎng)，這個(gè)策略或許就會(huì)有利可圖。研究人員發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)傳播延遲降低了節(jié)點(diǎn)抵消51%攻擊和獨(dú)立挖掘的能力。

為了解決上述問題，區(qū)塊鏈開發(fā)人員經(jīng)常試圖將區(qū)塊傳播時(shí)間控制在平均區(qū)塊時(shí)間的1%以下。

對(duì)于比特幣、以太坊和其他基于PoW共識(shí)的主要區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)都是如此。因此，比特幣網(wǎng)絡(luò)中50%的節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊傳播時(shí)間通常低于6秒。

盡管像BIP 0152中所述的那樣，快速區(qū)塊中繼減少了平均區(qū)塊傳播時(shí)間，但在最壞的情況下，它可能比基本協(xié)議花費(fèi)更多的時(shí)間。但即使在最壞的情況下，傳播延遲也應(yīng)該是合理的，這樣礦工才能在大部分時(shí)間保持他們的節(jié)點(diǎn)同步，并始終驗(yàn)證提議的區(qū)塊。

每當(dāng)人們談?wù)搮^(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性時(shí)，都會(huì)提到系統(tǒng)的交易吞吐量。然而，人們忘記了交易吞吐量的提高不應(yīng)損害網(wǎng)絡(luò)的安全性，也不應(yīng)對(duì)希望參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)提出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。這些修改可以減少網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立交易驗(yàn)證器的數(shù)量，從而減少去中心化。

比特幣交易吞吐量可以簡(jiǎn)單使用公式計(jì)算：

Bsize是區(qū)塊大小（以字節(jié)為單位）

Tsize是區(qū)塊中交易記錄的平均大小

Btime是區(qū)塊鏈中連續(xù)區(qū)塊之間的平均時(shí)間

顯然，可以通過增加區(qū)塊大小、減少交易記錄大小或減少區(qū)塊之間的間隔來增加交易吞吐量。其中，減少交易記錄的大小是比較困難的。

人們也可以嘗試其他兩種選擇。然而，這些操作將增加花費(fèi)在區(qū)塊傳播上的時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)的安全性和分散性可能會(huì)因此受到威脅。

或許有人會(huì)注意到，在比特幣協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率很低，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在很短的時(shí)間內(nèi)處理和傳輸一個(gè)新區(qū)塊的重要數(shù)據(jù)。它的網(wǎng)絡(luò)帶寬確實(shí)很重要，但它被充分使用的時(shí)間只有幾秒鐘。

其余時(shí)間，此節(jié)點(diǎn)只是傳輸未決交易和輔助數(shù)據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)促使研究人員尋找更有效的協(xié)議設(shè)計(jì)，以在不影響網(wǎng)絡(luò)安全性和分散性的情況下顯著提高交易吞吐量。
責(zé)編AJX