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 Layer 1 。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。

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。

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（虽然不一定能扩大用户基础）。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。

问题

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。

—— Greg Maxwell

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 Gavin Andresen 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（来源：bitcoinfibre.org）-

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 Greg Maxwell 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（已接收到但未经确认的交易集合）中已有的。Greg Maxwell 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 Matt Corallo 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（eclipse attack）。 TumbleBit 的创建者 Ethan Heilman 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骗过，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。