加密货币:麻省理工发“币”，性能完爆比特币，新节点加入减少99%数据量！

作者|jack

排版|木木

设计|土豆

小辣椒说：本文来源麻省理工学院新闻网站，发布时间为2019年1月23日，由小辣椒区块链翻译。英文水平有限，恐翻译过程或有疏漏、错误，小辣椒把英文原文放在翻译后面，供大家参考学习。

像比特币这类加密货币是建立在区块链上的网络。在这个网络上，金融交易的账本数据格式化在一系列的区块里。这些网络是分布式的，没有银行或组织管理账户余额资金，由用户联合起来存储和验证交易信息。

但是，分布式会导致网络可扩展性不足的问题。新的用户节点在加入时，需要下载存储此前成千上万个区块数据。新用户加入后还要继续存储新的区块数据，并且帮助验证交易。这使得过交易过程缓慢，或者从计算角度来说有些不切实际。

一篇将在下个月网络和分布式系统安全研讨会展示的论文中，麻省理工的研究人员会介绍一个叫金库(Vault)的加密货币，能够让用户在加入网络时下载仅占总交易数据的一小部分数据。

它还集成了删除占用空间的空账本技术，并允许核查只使用被划分和共享在网络上，尽量减少个人用户的数据存储和处理要求的最新交易数据。

在实验中，与比特币相比，Vault将加入其网络的带宽减少了99%，与以太网相比减少了90%。重要的是，Vault仍然确保所有节点都验证所有事务，提供与现有节点相同的严格安全性。

“目前有很多加密货币在新用户加入和存储方面遇到了瓶颈。我们这里的主要目标时给越来越多的用户提供好的扩展性，”作为的参与者，计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究生莱昂说道。

CSAIL的研究人员YossiGilad和NickolaiZeldovich也参与了这项研究。NickolaiZeldovich也是电子工程与计算机科学系(EECS)的教授;还有最近的校友AdamSuhl'18。

跨过区块

加密货币网络中的每个块都包含一个时间戳、它在区块链中的位置以及固定长度的数字和字母字符串(称为“散列”)，这基本上是块的标识。每个新块都包含区块链中前一个块的散列。Vault中的块还包含多达10,000个事务——或10兆字节的数据——这些事务都必须由用户进行验证。区块链的结构，特别是哈希链，确保了对手在不被发现的情况下无法攻击块。

新用户通过下载所有过去的交易数据来加入加密货币网络，或“引导”，以确保它们是安全的和最新的。例如，要在去年加入比特币，用户需要下载50万个区块，总计约为150g。用户还必须存储所有帐户余额，以帮助验证新用户并确保用户有足够的资金完成交易。随着比特币的账户数量超过2200万个，存储要求也越来越高。

研究人员在一种名为Algorand的新型加密货币网络的基础上构建了他们的系统。这种网络由麻省理工学院的福特工程教授SilvioMicali发明。

麻省理工教授：如果比特币价值和总量有上限 它就是货币:10月29日消息，在《寻找区块链力量》节目中，美国麻省理工学院教授Robert Townsend在谈论比特币是否是泡沫时表示，如果比特币是一种旨在促进交易的电子货币，并且比特币的价值和总量有上限，那么它就是一种真正的货币。货币理论告诉我们，价值可能存在危险和不稳定。法定货币也并非神圣，而是有中央银行的大量前瞻性指导。银行努力建立信任，以确保没有负面预期。我们也希望财政当局确保一切可控等等。也有一些国家出现了问题，比如委内瑞拉和阿根廷。所以，我认为这个价值“问题”普遍存在于任何扮演货币角色的物品中，不是比特币特有。（新浪财经）[2020/10/29]

对于传统的加密货币，用户竞相解验证块的方程，第一个解得到资金的方程。随着网络的扩展，这会减慢事务处理时间。Algorand使用“利害关系证明”概念来更有效地验证块并更好地支持新用户加入。对于每一个区块，都会选出一个具有代表性的核查“委员会”。在网络中拥有更多资金或股份的用户被选中的可能性更高。要加入网络，用户需要验证每个证书，而不是每个事务。

但是每个块都包含一些关键信息，以便在它之前立即验证证书，这意味着新用户必须从链中的第一个块及其证书开始，然后依次验证每个块，这可能很耗时。为了加快速度，研究人员基于几百块或1000块后面的一个块(称为“面包屑”)给每个新的证书验证信息。当一个新用户加入时，他们会将一个早期块的面包屑匹配到前面1000个块的面包屑。这个面包屑可以与前面1000个块的另一个面包屑匹配，等等。

莱昂说:“论文标题是一个双关语。”“金库是一个你可以储存钱的地方，但区块链也让你在加入一个网络时‘金库’跨越街区。”当我引导时，我只需要一个来自过去的块来验证未来的块方法。我可以跳过中间的所有块，这为我们节省了很多带宽。

分而丢弃

为了减少数据存储需求，研究人员设计了一种新的“分片”方案。该技术将事务数据分成更小的部分(或碎片)，在整个网络中共享，因此单个用户只需处理少量数据来验证事务。

为了以一种安全的方式实现共享，Vault使用了一种众所周知的数据结构，称为二进制Merkle树。在二叉树中，单个顶部节点分支为两个“子”节点，而这两个节点又各自分解为两个子节点，以此类推。

在Merkle树中，顶部节点包含一个哈希，称为根哈希。但是树是由底部向上构造的。树将底部的每一对子散列组合起来，形成它们的父散列。它在树中重复这个过程，从每对子节点中分配一个父节点，直到将所有内容组合到根哈希中。在加密货币中，顶部节点包含单个块的散列。每个底部节点包含一个散列，表示块中一个事务涉及的一个帐户的余额信息。balance散列和block散列绑定在一起。

为了验证任何一个事务，网络组合两个子节点以获得父节点散列。它在树上重复这个过程。如果最终的组合散列与块的根散列匹配，则可以验证事务。但是对于传统加密货币，用户必须存储整个树结构。

麻省理工DCI正帮助波士顿联储共同构建一种数字货币:美国麻省理工学院媒体实验室（MIT Media Lab）数字货币计划（Digital Currency Initiative，DCI）负责人Neha Narula表示，该计划正在与波士顿联邦储蓄银行共同构建一种数字货币，以供消费者规模化使用。

Neha表示：“我们正试图建立一个高吞吐量、低延迟的交易系统，供消费者使用，能够处理国家货币所需的安全和弹性......我们认为，我们现在所看到的任何现有平台都不是专门为CBDC设计的。我们不确定它们是否能够满足CBDC用例的需求。现有的平台或许能做到这些，但我们的任务是从零开始，以CBDC为出发点进行设计。”

值得一提的是，Neha Narula不愿意透露这项新技术的基础是否会使用区块链技术。（Cointelegraph）[2020/9/4]

通过Vault，研究人员将Merkle树分成不同的碎片，分配给不同的用户组。每个用户帐户只在其分配的分片中存储帐户的余额，以及根散列。诀窍是让所有用户存储一层节点，该节点横切整个Merkle树。当用户需要从碎片外部验证事务时，他们会跟踪到该公共层的路径。从这个公共层，他们可以确定分片之外的帐户余额，并正常地继续验证。

莱昂说:“网络的每个碎片负责存储大数据结构的一小部分，但这一小部分允许用户验证来自网络所有其他部分的交易。”

此外，研究人员还设计了一种新的方案，可以识别和丢弃用户指定的在一定时间内没有余额的碎片帐户。其他加密货币保留所有空帐户，这增加了数据存储需求，但没有真正的用途，因为它们不需要验证。当用户在Vault中存储帐户数据时，他们会忽略那些旧的、空的帐户。

英文原文

title：Afaster,moreefficientcryptocurrency

abstract:Designreducesby99percentthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions.

MITresearchershavedevelopedanewcryptocurrencythatdrasticallyreducesthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions—byupto99percentcomparedtotoday’spopularcryptocurrencies.Thismeansamuchmorescalablenetwork.

Cryptocurrencies,suchasthepopularBitcoin,arenetworksbuiltontheblockchain,afinancialledgerformattedinasequenceofindividualblocks,eachcontainingtransactiondata.Thesenetworksaredecentralized,meaningtherearenobanksororganizationstomanagefundsandbalances,sousersjoinforcestostoreandverifythetransactions.

动态 | 麻省理工将于5月召开区块链专题活动:据PR NEWSWIRE消息，《麻省理工科技评论》宣布，将于2019年5月2日举行第三届年度区块链专题活动。据了解，本次与会的演讲嘉宾都是来自金融科技各分支领域的资深人士，其中包括联合国儿童基金会区块链战略组织、蚂蚁金服、新加坡金融管理局、埃森哲等等。[2019/3/22]

Butdecentralizationleadstoascalabilityproblem.Tojoinacryptocurrency,newusersmustdownloadandstorealltransactiondatafromhundredsofthousandsofindividualblocks.Theymustalsostorethesedatatousetheserviceandhelpverifytransactions.Thismakestheprocesssloworcomputationallyimpracticalforsome.

InapaperbeingpresentedattheNetworkandDistributedSystemSecuritySymposiumnextmonth,theMITresearchersintroduceVault,acryptocurrencythatletsusersjointhenetworkbydownloadingonlyafractionofthetotaltransactiondata.

Italsoincorporatestechniquesthatdeleteemptyaccountsthattakeupspace,andenablesverificationsusingonlythemostrecenttransactiondatathataredividedandsharedacrossthenetwork,minimizinganindividualuser’sdatastorageandprocessingrequirements.

Inexperiments,Vaultreducedthebandwidthforjoiningitsnetworkby99percentcomparedtoBitcoinand90percentcomparedtoEthereum,whichisconsideredoneoftoday’smostefficientcryptocurrencies.Importantly,Vaultstillensuresthatallnodesvalidatealltransactions,providingtightsecurityequaltoitsexistingcounterparts.

“Currentlytherearealotofcryptocurrencies,butthey’rehittingbottlenecksrelatedtojoiningthesystemasanewuserandtostorage.Thebroadgoalhereistoenablecryptocurrenciestoscalewellformoreandmoreusers,”saysco-authorDerekLeung,agraduatestudentintheComputerScienceandArtificialIntelligenceLaboratory(CSAIL).

声音 | 麻省理工Brian Forde：虚拟货币和加密货币交替使用不正确:据Coindesk消息，麻省理工学院数字货币计划的创始董事Brian Forde表示，了解使用加密货币进行的活动贡献的范围非常重要。 世界上近40％的人口不使用加密货币。虚拟货币和加密货币这两个词交替使用是不正确的，虚拟货币是最广泛的名称。加密货币用户不会成千上万。[2018/11/5]

JoiningLeungonthepaperareCSAILresearchersYossiGiladandNickolaiZeldovich,whoisalsoaprofessorintheDepartmentofElectricalEngineeringandComputerScience(EECS);andrecentalumnusAdamSuhl’18.

Vaultingoverblocks

Eachblockinacryptocurrencynetworkcontainsatimestamp,itslocationintheblockchain,andfixed-lengthstringofnumbersandletters,calleda“hash,”that’sbasicallytheblock’sidentification.Eachnewblockcontainsthehashofthepreviousblockintheblockchain.

BlocksinVaultalsocontainupto10,000transactions—or10megabytesofdata—thatmustallbeverifiedbyusers.Thestructureoftheblockchainand,inparticular,thechainofhashes,ensuresthatanadversarycannothacktheblockswithoutdetection.

Newusersjoincryptocurrencynetworks,or“bootstrap,”bydownloadingallpasttransactiondatatoensurethey’resecureanduptodate.TojoinBitcoinlastyear,forinstance,auserwoulddownload500,000blockstotalingabout150gigabytes.

Usersmustalsostoreallaccountbalancestohelpverifynewusersandensureusershaveenoughfundstocompletetransactions.Storagerequirementsarebecomingsubstantial,asBitcoinexpandsbeyond22millionaccounts.

声音 | 麻省理工研究人员：区块链无法解决所有问题 但可能改善信任问题:据Coindesk报道，麻省理工学院数字货币计划区块链研究高级顾问Michael J. Casey表示，区块链无法解决所有问题，但确实有可能改善社会经济架构中的一个重要信任问题，就好像电子表格和企业软件解决方案并未解决企业数据管理的所有问题，但确实改善了它们。我们希望改进的特定信任层最重要的是分类帐这方面。任何有效的区块链解决方案的结果应该是加强我们对彼此的集体信任，而不是削弱它。[2018/10/1]

TheresearchersbuilttheirsystemontopofanewcryptocurrencynetworkcalledAlgorand—inventedbySilvioMicali,theFordProfessorofEngineeringatMIT—that’ssecure,decentralized,andmorescalablethanothercryptocurrencies.

Withtraditionalcryptocurrencies,userscompetetosolveequationsthatvalidateblocks,withthefirsttosolvetheequationsreceivingfunds.

Asthenetworkscales,thisslowsdowntransactionprocessingtimes.Algorandusesa“proof-of-stake”concepttomoreefficientlyverifyblocksandbetterenablenewusersjoin.

Foreveryblock,arepresentativeverification“committee”isselected.Userswithmoremoney—orstake—inthenetworkhavehigherprobabilityofbeingselected.Tojointhenetwork,usersverifyeachcertificate,noteverytransaction.

Buteachblockholdssomekeyinformationtovalidatethecertificateimmediatelyaheadofit,meaningnewusersmuststartwiththefirstblockinthechain,alongwithitscertificate,andsequentiallyvalidateeachoneinorder,whichcanbetime-consuming.

Tospeedthingsup,theresearchersgiveeachnewcertificateverificationinformationbasedonablockafewhundredor1,000blocksbehindit—calleda“breadcrumb.”Whenanewuserjoins,theymatchthebreadcrumbofanearlyblocktoabreadcrumb1,000blocksahead.Thatbreadcrumbcanbematchedtoanotherbreadcrumb1,000blocksahead,andsoon.

“Thepapertitleisapun,”Leungsays.“Avaultisaplacewhereyoucanstoremoney,buttheblockchainalsoletsyou‘vault’overblockswhenjoininganetwork.WhenI’mbootstrapping,Ionlyneedablockfromwayinthepasttoverifyablockwayinthefuture.Icanskipoverallblocksinbetween,whichsavesusalotofbandwidth.”

Divideanddiscard

Toreducedatastoragerequirements,theresearchersdesignedVaultwithanovel“sharding”scheme.Thetechniquedividestransactiondataintosmallerportions—orshards—thatitsharesacrossthenetwork,soindividualusersonlyhavetoprocesssmallamountsofdatatoverifytransactions.

Toimplementsharinginasecureway,Vaultusesawell-knowndatastructurecalledabinaryMerkletree.Inbinarytrees,asingletopnodebranchesoffintotwo“children”nodes,andthosetwonodeseachbreakintotwochildrennodes,andsoon.

InMerkletrees,thetopnodecontainsasinglehash,calledaroothash.Butthetreeisconstructedfromthebottom,up.

Thetreecombineseachpairofchildrenhashesalongthebottomtoformtheirparenthash.Itrepeatsthatprocessupthetree,assigningaparentnodefromeachpairofchildrennodes,untilitcombineseverythingintotheroothash.

Incryptocurrencies,thetopnodecontainsahashofasingleblock.Eachbottomnodecontainsahashthatsignifiesthebalanceinformationaboutoneaccountinvolvedinonetransactionintheblock.Thebalancehashandblockhasharetiedtogether.

Toverifyanyonetransaction,thenetworkcombinesthetwochildrennodestogettheparentnodehash.Itrepeatsthatprocessworkingupthetree.

Ifthefinalcombinedhashmatchestheroothashoftheblock,thetransactioncanbeverified.Butwithtraditionalcryptocurrencies,usersmuststoretheentiretreestructure.

WithVault,theresearchersdividetheMerkletreeintoseparateshardsassignedtoseparategroupsofusers.

Eachuseraccountonlyeverstoresthebalancesoftheaccountsinitsassignedshard,aswellasroothashes.ThetrickishavingallusersstoreonelayerofnodesthatcutsacrosstheentireMerkletree.Whenauserneedstoverifyatransactionfromoutsideoftheirshard,theytraceapathtothatcommonlayer.

Fromthatcommonlayer,theycandeterminethebalanceoftheaccountoutsidetheirshard,andcontinuevalidationnormally.

“Eachshardofthenetworkisresponsibleforstoringasmallersliceofabigdatastructure,butthissmallsliceallowsuserstoverifytransactionsfromallotherpartsofnetwork,”Leungsays.

Additionally,theresearchersdesignedanovelschemethatrecognizesanddiscardsfromauser’sassignedshardaccountsthathavehadzerobalancesforacertainlengthoftime.

Othercryptocurrencieskeepallemptyaccounts,whichincreasedatastoragerequirementswhileservingnorealpurpose,astheydon’tneedverification.WhenusersstoreaccountdatainVault,theyignorethoseold,emptyaccounts.

——END——

注：原文作者RobMatheson，翻译小辣椒&有道，来源MITNEWS。链接：

http://news.mit.edu/2019/vault-faster-more-efficient-cryptocurrency-0124

如果大家对研究成果有疑问，可以邮件联系麻省理工学院新闻办公室负责人Abby。

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