引介 | 可驗證分發網絡：區塊鏈擴容終極解決方案_區塊鏈:TPS

AleksandarKuzmanovic是美國西北大學計算機科學教授。他最近的研究包括內容分發網絡、網絡中立性和區塊鏈。他是初創公司bloXrouteLabs的聯合創始人，并在該公司擔任首席架構師。本譯本在譯者的原稿基礎上修改而成。由于區塊鏈的去中心化特性，越來越多的人們期待，或者至少是希望，區塊鏈在更多領域發揮其顛覆性潛力。然而，去中心化是有代價的：區塊鏈無法擴展，即無法及時處理大量甚至適量的交易。例如，比特幣每秒僅能處理三筆交易。問題的根源，也是區塊鏈的瓶頸，在于區塊鏈乃是基于免信任的對等網絡的。在這個模式下，信息在網絡中節點間的每一次傳輸中都必須先經過驗證。毫無疑問，云分發網絡可以解決其他領域的類似性能挑戰，也可以用于解決區塊鏈的可擴展性問題。問題在于，像云這樣如此龐大的中心化基礎設施擾亂了區塊鏈的去中心化特性，從而消除了區塊鏈的顛覆性潛力。由此，可以提出這樣一個問題：云分發網絡能否在不破壞區塊鏈去中心化特性的前提下提高其可擴展性？答案是肯定的，解決方案的關鍵是基于現有概念提出一個改進后的高級版本：可驗證中立云分發網絡。由比特幣在2008年8發起區塊鏈和密碼學貨幣革命正在蓬勃發展。主流密碼學貨幣的市值雖然劇烈波動，但仍有數千億美金的規模。區塊鏈的一個獨特特性是沒有中心化治理。區塊鏈只依賴于一個由驗證和認證所有交易的參與節點組成的全球點對點網絡。基于區塊鏈的純粹分布式和去中心化設計，許多人認為，這種系統在密碼學貨幣之外的其他領域具有顛覆性的潛力，包括醫療、政府、制造、零售、保險、物聯網、共享經濟等。許許多多大大小小的高科技公司都在密切關注區塊鏈領域，分析這項新技術將如何影響他們現有或未來的運營。但區塊鏈的一個主要問題是可擴展性。區塊鏈系統吞吐量是用系統能夠支持的TPS來度量的。比特幣目前的平均吞吐量為3TPS，而Visa中心化系統的平均吞吐量為2000TPS，每日峰值為4000TPS，最大吞吐量為5.6萬TPS。沒有可擴展性，密碼學貨幣系統將很難成為主流，區塊鏈也不太可能在任何其他領域實現其顛覆性潛力。什么是區塊鏈?

區塊鏈是一個公開的分布式賬本，它存儲所有過去的交易，本質上是一種類型的數據庫，由對等網絡中相互連接的多個節點創建和共享。為了就數據庫的正確性達成共識，必須對寫入數據庫的某些規則加以規定。雖然規則可能有所不同，但一般包括以下內容：交易必須包含來自發起者的數字簽名，以便進行身份驗證。必須按順序添加交易。交易不會單個單個加入賬本，相反，它們是成批添加的，稱為區塊。例如，比特幣區塊鏈要求每個新區塊都包含一個哈希“難題”的答案，而哈希“難題”的具體情形是由上一個區塊和當前嘗試上鏈的區塊的具體情形決定的。添加區塊的過程非常昂貴，而且參與者需要相互競爭。想要向區塊鏈添加區塊的各個參與節點要么投資密碼學貨幣，要么投資算力，比如用于計算比特幣出塊所需哈希“難題”的計算設備。這樣的參與節點稱為礦工，向區塊鏈添加新區塊的過程稱為挖礦。最長的區塊鏈便是最新版本。這條規則與前面的規則相結合，便使得成功偽造區塊鏈的代價非常高。即使復制現有的區塊鏈并試圖修改最后幾個區塊，其代價也非常昂貴。一旦區塊在網絡上得到足夠的確認，刪除或修改區塊就變得極為昂貴且無利可圖。因此，交易只能添加到區塊鏈，上鏈之后便永遠不會被刪除。獨立驗證。當節點檢查區塊鏈數據庫的副本時，它能夠獨立地驗證前面的所有規則是否已被遵守。如果每個用戶都能獨立驗證區塊鏈，那么所有用戶就可以就正確的區塊鏈達成共識。在區塊鏈中添加區塊可以收獲報酬。因為向區塊鏈寫入區塊比較困難，所以并不是所有節點都會參與這個過程。許多用戶會創建交易，然后要求將交易寫入網絡，用戶通常會支付一定的費用作為礦工報酬。此外，只要礦工在一輪挖礦過程中獲勝，并有機會在區塊鏈中添加一個區塊，他們就可以將新產出的密碼學貨幣分發給自己。區塊鏈發生分叉，通過最長鏈規則解決。因為區塊鏈運行在點對點網絡中，由于網絡延遲問題，可能出現同一個位置上挖出兩個區塊的情況，這種情形我們稱之為“分叉”。分叉實際上就是節點間就區塊鏈的最新版本產生了分歧。但只要節點始終選擇網絡上最長的區塊鏈，一段時間后就可以解決分叉，達成共識。區塊鏈可擴展性問題

7月29日以來Aave存款總量下降6.4億美元，降幅超12%:8月1日消息，歐科云鏈OKLink多鏈瀏覽器數據顯示，Aave存款總量從7月29日的52.5億美元，下降至46.1億美元，降幅達12.1%。[2023/8/1 16:10:37]

在解釋區塊鏈可擴展性問題之前，我們先看看區塊鏈系統的性能表現如何。圖1和圖2顯示了比特幣和以太坊這兩種主流密碼學貨幣的交易積壓情況。你可以看到，成千上萬的交易等待著被寫入區塊鏈。為了增加被礦工選中“上鏈"的可能性，用戶增加了交易費。因此，在交易擁堵期間，交易費可能會大幅增長。為了理解瓶頸在哪里，我們先算一下區塊鏈的實際吞吐量。系統吞吐量直接取決于兩個參數：區塊大小B和出塊間隔時間T。在比特幣中，B=1MB，T~600秒，大約是3TPS。由此，可以通過以下選項改進區塊鏈的吞吐量：增加B，以包含更多交易；減少T，以更快的速度出塊；或雙管齊下。問題是，這些參數都不能隨意更改。顯然，正是區塊鏈的分布式特性導致了這些問題。的確，只要區塊和交易能夠在節點之間瞬時傳播，就可以快速地挖出大量區塊，直到達到特定CPU和閃存陣列的性能上限4。然而，實際上，區塊鏈節點——成千上萬甚至更多——分布在世界各地。因此，網絡才是瓶頸。區塊鏈網絡中的節點以對等方式通信。不幸的是，這與以下高吞吐量、低延遲的目標背道而馳：信息從一個節點傳輸到另一個節點；因此，在整個網絡中傳播信息需要多跳。由于網絡中的每個節點都不信任其他節點，因此會在每一跳中獨立地驗證所傳播的信息。驗證過程通常需要執行密碼學運算，而這會增加延遲并影響吞吐量。區塊鏈網絡中節點的性能差異較大，這意味著關鍵路徑上的單個慢節點會使傳播時間膨脹。最后，對等網絡中的節點是隨機形成的；因此，它們無法保證組織起來的網絡可以達到最優傳播效果：數據往往會通過網絡中的次優路徑傳輸。因此，將一個1MB的區塊傳播到比特幣網絡90%的節點平均需要11.6秒，這是2017年3月觀察到的平均傳播時間1。不幸的是，這只是問題的一部分。在理論7和實踐45中都表明，將區塊大小B增大X倍也會使區塊傳播所需的時間增大X倍。同樣地，將出塊間隔時間T縮減X倍也會產生完全對應的效果。這意味著區塊傳播時間會隨著這兩個參數的增加而成比例地增加。例如，將區塊大小增加十倍也會使區塊傳播時間增加十倍，使它們的時間超過100秒。同樣，將區塊大小增加100倍將導致區塊傳播時間超過1000秒。這樣的傳播時間超過了出塊間隔，導致每次挖出一個新區塊時都會產生一個分叉。實際上，在這個場景中，無法通過繼續挖出后續區塊來解決分叉，相反，區塊鏈將分解為”分叉“、”分叉的分叉“和”分叉的分叉的分叉“，直到節點和礦工不知道哪個分叉是“正確的”鏈——因此區塊鏈崩潰。這是由網絡瓶頸引起的區塊鏈可擴展性問題。云分發網絡

FTX CEO Ray：將在Alvarez、Sullivan與Cromwell的協助下重組公司:金色財經報道，FTX首席執行官Ray表示，將在Alvarez、Sullivan與Cromwell的協助下重組公司。根據破產法第11章申請破產保護，是制定下一步計劃的必要步驟。[2022/11/12 12:53:12]

云分發網絡在解決Internet上的性能問題方面非常成功。這樣的網絡通過一個巨大的基礎設施分發內容，這個基礎設施可以由全世界成千上萬的服務器組成。此外，云分發網絡執行廣泛的網絡和服務器測量，并使用這些測量結果將客戶重定向到附近的服務器。互聯網因此得以形成巨大的規模6。舉個例子，單單YouTube就擁有超過10億的用戶，而北美晚上高峰時段高達70%的網絡流量來自Netflix和YouTube等流媒體視頻和音頻網站。如果沒有云分發網絡，這是不可能的。這與區塊鏈的現狀形成了鮮明對比。實際上，正如前面所解釋的，通過區塊鏈網絡傳播一個1MB的區塊是一項耗時的任務，并且增加區塊的大小可能會導致無法挽回的錯誤。然而，云分發網絡每秒鐘能夠發送TB級的數據，而且大家也都覺得這是理所應當的。這樣的網絡可以用來擴展區塊鏈嗎？毫無疑問，云分發網絡可以提高區塊鏈的性能。但問題在于信任。在區塊鏈生態系統中，節點不信任它的直連對等節點，那么它如何信任一個比任何單個節點都強大得多的云分發網絡呢？云分發網絡是可以審查區塊鏈網絡的交易、區塊或礦工的中心化系統。例如，云分發網絡管理員可以根據自己的政策、業務利益或法律要求，拒絕包含未經授權交易者的區塊，或未經授權礦工的區塊。因此，關鍵的問題是，是否有可能讓云分發網絡變得免信任，這樣它們就可以被用來擴展區塊鏈網絡，而無需借助本文前面提到的審查和其他權力。這個概念被稱為可驗證網絡中立。本文沒有深入討論其形式化定義，只是概述了與此概念相關的關鍵屬性。首先，網絡不應該基于區塊的內容審查信息。其次，網絡不應該審查節點。第三，節點應該能夠連續地驗證上述兩個屬性，并且在網絡出現錯誤行為時，可以放棄和替換網絡。如何在一個網絡中實現這些屬性呢?一個可驗證的中立區塊鏈分發網絡

考慮一個云分發網絡，它的目標是使區塊鏈系統能夠擴展到每秒數千個上鏈交易。此外，它的另一個目標是同時為眾多密碼學貨幣和區塊鏈提供可伸縮性，使用全球基礎設施以可驗證的中立方式支持分布式區塊鏈系統。這就是所謂的區塊鏈分發網絡BDN。本節概述了系統的信任模型，然后描述了實現中立屬性所需的關鍵機制。反向信任模型

數據：USDC Treasury燒毀72,773,874枚USDC:金色財經報道，Whale Alert監測數據顯示，USDC Treasury燒毀72,773,874枚USDC 。[2022/10/27 11:45:55]

區塊鏈分發網絡的信任模型基于兩個觀察結果：首先，長時間的區塊傳播永遠不可能大幅度提高免信任區塊鏈對等網絡的可擴展性；其次，小型中心化系統可以很好地擴展，即通過信任一小部分參與節點并將區塊鏈打包交易的控制權交給它們。然而，這種中心化破壞了區塊鏈最顯著的一個方面：對交易的分布式和去中心化控制。把區塊鏈交易打包權交給有限數量的參與節點，這樣就允許參與節點在用戶、節點和礦工之間串通、審查和區別對待。有限的參與節點還降低了惡意節點為控制系統而不得不付出的節點數量代價。可驗證網絡中立

簡而言之，區塊鏈分發網絡只能將所有區塊公平地傳播給所有區塊鏈節點，而且，BDN無法區別對待區塊，因為區塊鏈節點會經常測試BDN網絡，并且節點間仍然以點對點的方式連接。加密區塊

為了防止區塊鏈分發網絡根據其內容阻止任何區塊的傳播，區塊在加密后進行傳播。BDN的加密還改變了區塊大小，隱藏了交易的數量和它們的總大小。在區塊被傳播之后，接收方通過發送區塊的哈希通知發送方。最后，公布一個區塊的加密密鑰，并直接在區塊鏈對等網絡上傳播。加密密鑰很小，只有幾個字節，允許它在對等網絡上直接快速傳播，且BDN不能阻止它。。間接中繼

為了確保區塊鏈分發網絡不會阻止單個節點傳播它們的區塊，節點可以不將區塊直接傳播到BDN。對于一個沒有被BDN傳播的區塊，發送節點將把它傳播到對等網絡上的一個對等節點，這個對等節點將把它轉發給BDN，對BDN混淆區塊的起源。例如，在中國挖出一個區塊的節點可以將其轉發給歐洲的一個節點，然后該節點通過BDN發送該區塊。除了間接地將區塊中繼到BDN之外，節點還可以請求它們的對等節點將來自BDN的傳入區塊中繼給它們。這確保BDN不能通過延遲分發區塊來區別對待節點，因為節點不需要為了從其服務中獲益而與BDN直接交互。通過測試區塊進行審計

雖然區塊鏈分發網絡不知道哪個節點挖到的區塊，但它可能試圖阻止或拖延來自某些節點的區塊，從而影響它們所中繼的所有區塊。為了檢測和防止這種行為，節點必須能夠持續監視BDN的服務。這種監視是通過允許節點將加密的無效區塊、測試區塊直接發送到BDN并測量對等節點報告測試區塊到達所需的時間來實現的。BDN無法僅對有效區塊使用歧視性策略，并忠實地傳播測試區塊，因為這兩個測試區塊在密鑰發布之前是無法區分的。因此，通過使用流量加密和間接流量中繼，以及顯式審計BDN，區塊鏈節點能夠限制BDN的不端行為，有效地將BDN管理員的權限與BDN基礎設施解耦。如果BDN完全停止分發區塊，或者只向一小部分節點分發區塊，區塊鏈節點可以放棄使用BDN。因為節點經常使用測試區塊來推斷接收區塊的最佳來源，被BDN歧視的節點將只是從其對等節點接收區塊。因此，如果BDN惡意歧視許多或所有對等節點，對等節點將直接形成它們自己的對等網絡，直到一個不同的系統取而代之。此外，如果歧視是由大規模的系統故障引起的，一旦故障得到解決，對等節點將返回使用BDN。性能

俄羅斯將向哈薩克斯坦的比特幣礦工供電:金色財經報道，Bitcoin Archive在社交媒體上表示，俄羅斯將向哈薩克斯坦的比特幣礦工供電。[2022/10/2 18:37:41]

本質上，區塊鏈分發網絡部署了一種廣播原語，這意味著它可以有效地將數據從一個源節點傳輸到區塊鏈網絡中的所有其他節點。與對等網絡相反，區塊鏈節點將這種一對多的通信替換為一對一的通信。這是因為區塊鏈節點連接到單個BDN服務器。對于較大的TPS速率，使用單個連接比使用多個連接更有助于提高可擴展性。為了有效地審計BDN，必須在對等網絡中連接區塊鏈節點。然而，大部分數據是在BDN之間來回傳輸的。以下是BDN幫助擴展區塊鏈的幾種方法。交易緩存

在區塊鏈系統中，如比特幣或以太坊，每個節點都會重復收到同一筆交易的數據：第一次是廣播原始交易時，第二次是交易上鏈之時。BDN可以有效地通過云分發交易，并對它們進行索引，然后在傳輸區塊時利用索引。這可以有效地將區塊大小壓縮100多倍，假設原始交易大約500字節，而索引可以是4字節或更少。交易緩存是區塊鏈生態系統中已經存在的一種思想，它已經被某些項目采用3，但一般只有少數節點部署這項技術，而沒有在網絡協議中實現，因為純區塊鏈系統中并非所有交易都會到達所有節點，即使是輕微的異步也會導致區塊大小的顯著增加，性能會因此受到影響。相反，BDN可以有效地傳輸和索引區塊鏈交易。直通路由

與區塊鏈節點不同，BDN不能檢查流經網絡的區塊的有效性，因為區塊是加密的。這有助于通過網絡快速傳輸數據塊。特別是，在一個BDN節點接收到一個區塊的所有比特之前，BDN已經可以開始將接收到的區塊的比特傳輸到網絡的其他部分。這就是所謂的直通路由，它已經在網絡交換機中被廣泛采用了幾十年。對于區塊傳播，它仍然可以顯著加快數據傳輸速度，尤其是當數據塊很大的時候。交易Incast問題

交易需要在區塊鏈網絡中廣播。在沒有BDN的情況下，當TPS速率較高時，就會產生了所謂的交易incast問題：一個節點會同時從多個源以較高的速率接收相同的交易。這將顯著影響節點的資源，并影響整個區塊鏈的性能。BDN消除了這個問題，因為大部分數據都是通過單個BDN服務器傳播的。區塊鏈可擴展性的相關研究

下面描述了提高區塊鏈可擴展性的其他方法。Off-chain解決方案

Velodrome：團隊成員從項目錢包中盜竊35萬美元:金色財經報道，Velodrome周六宣布，已確認一名前團隊成員是8月初發生的35萬美元盜竊案的責任人。

DEX平臺表示，匿名編碼員 \"Gabagool\"——其推特賬號Gabagool.eth，在調查后對該盜竊案負有責任。Velodrome團隊已經切斷與Gabagool的關系，并正在與法律顧問合作，以確定最佳的下一步行動。Velodrome還向用戶保證，這一事件并沒有影響他們的資金。

Gabagool在8月份接受采訪時表示，該團隊正在調查此事，目標錢包中有團隊的私人工資資金。[2022/8/14 12:23:55]

提高可擴展性的另一種方法是使用off-chain交易，例如，閃電網絡，其目的是減少主鏈上的冗余數據。一般來說，一個off-chain解決方案會在交易雙方之間打開一個支付通道，即讓買賣雙方交換資金，同時記錄中間結余，然后在區塊鏈上進行交易結算。BDN與這些解決方案沒有相關，也不會相互沖突。作為一個off-chain擴展解決方案，本質上仍然需要上鏈功能。此外，潛在的擴展效益是倍增的。如果底層的區塊鏈能夠支持比以前多1000倍的交易數量，并且off-chain交易將吞吐量增加1000倍，那么，區塊鏈的吞吐量可以倍增6個數量級。On-chain解決方案

On-chain解決方案通常涉及以某種方式修改共識協議，以實現更高的吞吐量。其中一種方法，即分片技術，將區塊鏈分割成幾個較小的分片，一個全節點只需要追蹤一個分片，而不是完整的區塊鏈。這些分片相互交錯，精心維護，以便保留區塊鏈的原始安全屬性。在這個領域還有許多其他的想法2。雖然這些方法顯示出一些潛力，但是它們的健壯性、安全性和可用性在實踐中還有待觀察。盡管如此，在更快的網絡層中，所有的on-chain解決方案都將執行得更好，這也是BDN的用武之地。事實上，在分布式共識協議中，每個遵循協議的節點必須達成相同的決策。因此，每個這樣的對等節點都必須獨立于共識協議，獲取關于系統中每個交易的信息。BDN只致力于解決這個問題，因為每個有效的信息片段都必須傳播到系統中的每個對等節點。因此，BDN方案的有效性與共識協議無關，它能夠顯著提高任何區塊鏈的性能。總結

可驗證中立云無疑是提高區塊鏈可擴展性的可行解決方案。通過優化傳輸層，不僅可以從根本上提高吞吐量，而且可以顯著降低延遲。事實上，當今數據中心的延遲分布主體已經偏向于微秒級，毫秒級只存在于分布的尾部。BDN入網點沒有理由不能實現類似的性能。在這些BDN入網點之間添加專用的光纖基礎設施，將進一步減少吞吐量和延遲，從而建立高級BDN主干網。然而，實現這一愿景的關鍵在于通過區塊鏈生態系統在底層網絡基礎設施中建立信任。而通過一個可驗證中立網絡設計將管理權限與基礎設施解耦就是我們的答案。注1：Bitcoinstats.com.Datapropagation;http://www.bitcoinstats.com/network/propagation/.注2：Cachin,C.,Vukolic,M.2017.區塊鏈共識協議雜談.arXiv;https://arxiv.org/pdf/1707.01873.pdf.注3：Clifford,A.,Rizun,P.Suisani,A.,Stone,A.,Tschipper,P.2016.邁向大規模鏈上擴展方案：用Xthin展現我們的區塊廣播成果;https://medium.com/@peter_r/towards-massive-on-chain-scaling-presenting-our-block-propagation-results-with-xthin-da54e55dc0e4.注4：Croman,K.,Decker,C.,Eyal,I.,Gencer,A.E.,Juels,A.,Kosba,A.,Miller,A.,Saxena,P.,Shi,E.,Sirer,E.G.,Song,D.,Wattenhofer,R.2016.論如何擴展去中心化的區塊鏈.InInternationalConferenceonFinancialCryptographyandDataSecurity.Springer.106-125.注5：Decker,C.,Wattenhofer,R.2013.比特幣網絡中的信息傳播.Inthe13thIEEEInternationalConferenceonPeer-to-PeerComputing;https://ieeexplore.ieee.org/document/6688704.注6：InternetLiveStats;http://www.internetlivestats.com/one-second/.注7：Klarman,U.,Basu,S.,Kuzmanovic,A.,Sirer,E.G.2018.bloXroute:一種可擴展的免信任區塊分發網絡;https://bloxroute.com/wp-content/uploads/2018/03/bloXroute-whitepaper.pdf.注8：Nakamoto.S.2008.Bitcoin:apeer-to-peerelectroniccashsystem.Bitcoin.org;https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.

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