区块链:科普 | 带宽和区块链：开发者如何最小化开销

区块链将全世界都记录在了同一个账本上。每挖出一个新的区块，这个账本就会生成一个新的状态来代替之前的状态。共识机制旨在确保这个状态得到了社区中大多数人的认可。在巧妙设计的系统中，激励机制可以确保不可变性。只要等待足够长的时间，已成历史的状态就无法被篡改。区块链为我们带来了可编程货币，并且俘获了许多人的想象力。

比特币和以太坊是区块链世界的两大领头羊。事实证明，这两种账本技术流行程度高，而且发展势头强劲，但是人们普遍不看好它们的可扩展性。为什么会出现这种情况呢？又如果改善这种状况呢？

背景

区块链本身也叫作Layer1。区块链充当的是网络中所有数字资产归属权的全局信任来源。网络中的全节点会追踪账本的当前状态。要想保持这种去中心化或无权力中心的状态，就必须让小矿工也能够参与验证并为区块链做贡献。小矿工手中的系统资源和带宽远比不上大矿工。

人大附中物理老师李永乐科普拜占庭将军问题和区块链:5月14日，人大附中物理老师、科普视频网红李永乐在其公众号发布视频《拜占庭将军问题是什么？区块链如何防范恶意节点？》。李永乐老师在视频中对拜占庭将军问题和区块链进行了讲解，他表示，拜占庭将军问题本质上指的是，在分布式计算机网络中，如果存在故障和恶意节点，是否能够保持正常节点的网络一致性问题。在近40年的时间里，人们提出了许多方案解决这一问题，称为拜占庭容错法。例如兰波特自己提出了口头协议、书面协议法，后来有人提出了实用拜占庭容错PBFT算法，在2008年，中本聪发明比特币后，人们又设想了通过区块链的方法解决这一问题。区块链通过算力证明来保持账本的一致性，也就是必须计算数学题，才能得到记账的权力，其他人对这个记账结果进行验证，如果是对的，就认可你的结果。与拜占庭问题比起来，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

为实现免信任性和抗审查性，区块链不能由某个实体或小团体控制。开发人员认为要让掌握不同资源的人都能够参与进来，从而避免权力集中和单点控制的问题。因此，比特币的区块大小上限得不到提高。这一上限会抑制整个系统在资源要求上的膨胀，让更多人能够参与进来。

动态 | 链客社区联合北京交通广播推出区块链技术科普节目:12月11日15:15—16:00，区块链技术社区——链客区块链技术社区将联合北京交通广播FM103.9从零开始为大众科普解码区块链技术，蜻蜓FM及北京广播网同期进行全球直播。首期做客嘉宾为链客区块链技术社区创始人郄建军和百度区块链产品负责人于雅楠。[2019/12/11]

要注意的是，参与方之间也可以通过局部协议进行转账，无需进行全局更新。这就是我们通常所说的二层方案或链下交易，对于扩大交易的规模具有深远影响。其思路是，各方之间的交易在上链之前可以聚合起来。在某些设计中，这种局部协议从开启到将状态上链可以历时几个月或者更久。

工程师都很看好二层解决方案，认为它能够大幅提升区块链的可扩展性，对于密码学货币能否满足大用户群的需求具有决定性作用。然而，尽管二层解决方案具有很大的影响力，但它能做的只是提升底层区块链的吞吐量，而非带来无限的可扩展性。因此，重点还是要对网络进行优化，最小化每个交易所需使用的资源。

动态 | 新浪财经：官媒针对区块链的报道从科普宣传转向打假监管:据新浪财经今日消息，“1025新政”满月，一个月间，官媒对区块链的态度风向已转。据11月初的一项统计，七家党媒在新政一周内发布了65篇直接相关报道，当时文章中的关键词是数据、产业、安全、创新等，大量文章偏向于科普区块链的概念以及应用介绍，提醒警惕虚拟货币炒作的仅有3篇。近期，官媒的批评焦点则纷纷指向借区块链之名进行的虚拟货币发行和炒作行为。据统计，新华网、人民网收录转载的，以打击虚拟货币或揭露假借区块链行为主题的文章，自10月25日到11月25日午间，共28篇；其中，11月19日至11月25日的一周内就高达15篇。这些文章主要围绕三个观点展开：厘清区块链和虚拟货币的关系，说明二者概念不等；打击伪“区块链”局，或是虚拟货币局揭露；提醒民众，区块链不能成为炒作的噱头，更不是行的招牌，需警惕此类活动，理性投资。[2019/11/26]

问题

动态 | 区块链技术入选科普杂志《科学美国人》2019十大突破性技术榜单:据新浪网今日新闻报道，美国科普杂志《科学美国人》公布 2019 十大突破性技术榜单。区块链技术因在保障食品安全中的作用而上榜。 入选榜单具体原因：区块链技术的发展应用将显著改善食品污染源数据追踪的困境。利用区块链云端系统，食品制造商可以依次在计算机储存各类过程的信息。[2019/9/29]

去中心化的比特币区块链是全球共享的广播媒介——很有可能是人类设计过最低效的通信方式。

——GregMaxwell

一层区块链的基本问题是全网的副本必须与总账同步更新。每一个全节点都会存储一个区块链的副本，每个副本都是完全相同的，并经过了每一个全节点的独立验证。

新挖出的每一个区块必须广播给其他节点。延迟对挖矿节点来说尤为关键，因为它们需要紧接着最新挖出的区块继续挖，否则就会白费力气。为了验证最新挖出的区块，矿工需要知道区块中包含哪些交易，并且掌握所有交易的副本。

目前来说，比特币软件采用的是一种幼稚的方法来广播交易和区块。节点接收到交易之后会将它们广播给其他节点。创建的区块会被广泛传播出去，不管接收者是否已经掌握其中的部分数据段。对于需要实时跟进出块情况的矿工来说，这么低效的流程简直不能忍。

补救措施

比特币的低效问题是众所周知的。多年来，提高网络效率的努力都在减少带宽成本和加快传播速度上。前比特币维护者GavinAndresen在2014年发布了一个O(1)区块传播路线图。后来，这个路线图经过了大幅修改，不过基本思路没怎么变。

-FIBRE网络示意图-

中继网络

矿工已经在积极实现FIBRE和Falcon之类的区块中继网络了。这些中继网络采用的是低延迟+高带宽的连接方式，不过存在一些缺陷，例如中心化程度高，为实现延迟最小化消耗了大量带宽等等。这些网络不会减少运行非挖矿节点所需的带宽总量，这在工程师扩大系统规模之前是必需实现的。

压缩区块

如果在传输区块的时候，区块中包含的交易是接收者已有的，就不是最优方案。密码学家GregMaxwell曾指出，新挖出的区块中有大部分交易都是接收者已知的。说明白点，新挖出的区块中有很多交易很可能是接收者的内存池中已有的。GregMaxwell研究了这一问题，并在2015年12月草拟了一个提议。

核心开发者MattCorallo在Greg研究的基础上改进了这个提议，并于2016年初正式提出了BIP152，阐明了压缩区块的概念。压缩区块协议指的是发送者向接收者发送的不再是完整的区块数据，而是接收者肯定没有的区块头、交易ID缩写和交易集。这一改动旨在节省带宽，不过也有降低延迟的效果。

Erlay

比特币采用的是“大水漫灌”型的区块广播方式，显然不是在网络中传播交易的最佳方式。一个节点可能会接收到同一个交易的多个副本，而且必须将这些副本广播给所有与之相连的节点。由此一来，消耗了大量带宽，造成了不必要的开支。此外，这会打击节点与更多节点建立连接的积极性，因为多连接一个节点，每传播一个交易所需的带宽就会相应递增。

连接的节点越少，消耗的带宽就越低。然而，这可能会带来一定的危险，使用户更容易遭受日蚀攻击。TumbleBit的创建者EthanHeilman在2015年发布了一篇关于日蚀攻击的研究论文。这篇论文的基本思路与女巫攻击有关。攻击者伪装成多个不同的实体来迷惑受害者。攻击者会垄断被攻击节点的所有外部连接。作为被攻击节点仅有的信息来源，攻击者会通过创建特殊的区块来伪造当前状态。这种攻击的成本很高，但是如果攻击者可以让被攻击者相信自己收到了一大笔比特币，实际上却将这笔资金转移到了其他地方，被攻击者可能就会被过，以为自己已经收到了钱并且愿意出货。

Erlay可以实现一个连接更好且更强大的网络。如果是在每个节点都连接到其它32个节点的网络种，Erlay的研究人员发现，优化过后，节点使用的带宽会比当前软件下使用的带宽减少75%。

下一步怎么走？

一方面让挖矿节点使用中继网络，另一方面让普通节点用户使用压缩区块协议，区块广播就能得到极大的优化。研究人员仍在努力减少系统的开支，并尽可能精简流程。只有当开发人员认为当前吞吐量下带宽消耗量足够低之时，谈论提高吞吐量的问题才会提上日程。

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