📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸

✍️ Ping Chen

📥 歡迎投稿： https://medium.com/taipei-ethereum-meetup #徵技術分享文 #使用心得 #教學文 #medium

使用管線化（Pipeline）技術可以提升區塊鏈的處理效能，但也可能會產生相應的代價。

Photo by tian kuan on Unsplash

區塊鏈的擴容方案

說到區塊鏈的效能問題，目前討論度最高的應該是分片（sharding）技術，藉由將驗證者分成多組的方式，可以同時分別處理鏈上的交易需求，即使單分片效能不變，總交易量可以隨著分片/驗證者集的數量線性增加。

除了分片，另一個常用來提升程式效能的方案是將計算步驟拆解，以流水線的方式將複雜的運算攤平，降低系統的閒置時間，並大幅提升工作效率。為了達到管線化預期的目的，會需要先知道系統的瓶頸在哪。

區塊鏈的效能瓶頸

熟悉工作量證明設計哲學的人應該會知道，區塊鏈之所以需要挖礦，並不是為了驗證交易的正確性，而是要決定交易的先後順序，從而避免雙花和帳本分裂的發生。可以說，區塊鏈使用低效率的單線程設計，並付給礦工高額的成本，都只為了一件事，就是對交易的全局排序產生共識。

在這樣的基礎之上，區塊鏈在一段時間內可以處理的交易數量是有限的，這之中包含許多方面的限制，包括 CPU 效能、硬碟空間、網路速度等。其中，關於 TPS(每秒交易數) 提升和對硬體的要求大致上是線性增加的，但在設計共識演算法時，通訊複雜度常是平方甚至三次方的關係。

以現在的目標 TPS 來說，處理交易和生成一個合法的區塊並不困難，只是因為區塊鏈的特性，新區塊需要透過洪水法的方式擴散到全網路，每個節點在收到更新請求的時候都要先執行/驗證過區塊內的交易，等於整個廣播的延時會是「驗證區塊時間×經過的 hop 數量」這麼多。似乎網路越分散、節點越多，我們反而會需要降低計算量，以免讓共識不穩定。

管線化的共識機制

使用權益證明取代工作量證明算是行業發展的趨勢，除了環保或安全這些比較顯然的好處之外，權益證明對產生共識的穩定性也很有幫助。首先，權益證明在同一時間參與共識的節點數是已知的，比較容易控制數量級的邊界；其次，權益證明的出塊時間相較工作量證明固定很多，可以降低計算資源不足或閒置的機率。

相較於工作量證明是單一節點出塊，其餘節點驗證，權益證明的出塊本身就需要很多節點共同參與，瓶頸很像是從驗證轉移到通訊上。

以 PBFT 為例，每次產新區塊都需要經過 pre-prepare, prepare, commit 三個階段，你要對同意驗證的區塊簽名，還要對「你有收到某人的簽名」這件事簽名，再對「你有收到 A 說他有收到 B 的簽名」這件事簽名，過程中會有很多簽名飛來飛去，最後才能把一個區塊敲定。

為了降低每兩個區塊間都需要三輪簽名造成的延遲，後來的共識演算法包括 HotStuff 和 Casper FFG 採用了管線化的區塊驗證過程。也就是對區塊 T 的 pre-prepare 同時是對 T-1 的 prepare 和對 T-2 的 commit。再加上簽名聚合技術，出塊的開銷在複雜度等級和係數等級都降低許多。

然而，要保持管線化的區塊生產順利，需要驗證者集合固定不變，且網路通訊狀況良好。如果會經常更動驗證者集合或變換出塊的領導者，前後區塊間的相依性會是個大問題，也就是 T 的驗證者集合取決於 T-1 裡有沒有會導致刪除或新增驗證者的交易，T-1 的合法性又相依於 T-2，以此類推。

當激烈的分叉出現的時候，出塊跟共識的流水線式耦合就從優雅變成災難了。為了避免這種災難，更新的共識演算法會限制驗證者變更的時機，有些叫 epoch 有些叫 checkpoint，每隔一段時間會把前面的區塊徹底敲定，才統一讓驗證者加入或退出。到這些檢查點的時候，出塊的作業流程就會退化成原本的三階段驗證，但在大部分時候還是有加速的效果。

管線化的狀態更新

另一個可以用管線化加速的是區塊鏈的狀態更新。如前所述，現在公鏈的瓶頸在於提高 TPS 會讓區塊廣播變慢，進而導致共識不穩定，這點在區塊時間短的以太坊上尤其明顯。可是如果單看執行一個區塊內的交易所花的時間的話，實際上是遠遠低於區塊間隔的。

只有在收到新區塊的時候，節點才會執行狀態轉移函數，並根據執行結果是否合法來決定要不要把區塊資訊再廣播出去。不過其實只要給定了交易集合，新的狀態 s’ = STF(s, tx) 應該是確定性的。

於是我們有了一個大膽的想法：何不乾脆將交易執行結果移出共識外呢？反正只要大家有對這個區塊要打包哪些交易有共識，計算的結果完全可以當作業留給大家自己算吧。如果真的不放心，我們也可以晚點再一起對個答案，也就是把這個區塊執行後的新狀態根包在下個區塊頭裡面。

這就是對狀態更新的管線化，在區塊 T 中敲定交易順序但暫不執行，區塊 T+1 的時候才更新狀態（以及下一批交易）。這麼做的好處十分顯而易見，就是將原本最緊繃的狀態計算時間攤平了，從原本毫秒必爭的廣播期移出來，變成只要在下個塊出來之前算完就好，有好幾秒的時間可以慢慢來。新區塊在廣播的每個 hop 之間只要驗證交易格式合法（簽名正確，有足夠的錢付手續費）就可以放行了，甚至有些更激進的方案連驗簽名都省略了，如果真的有不合法交易混進去就在下個區塊處罰礦工/提案者便是。

把負擔最重的交易執行移出共識，光用想的就覺得效能要飛天，那代價呢？代價是區塊的使用程度會變得不穩定。因為我們省略了執行，所以對於一筆交易實際用掉多少 gas 是未知的。本來礦工會完整的執行所有交易，並盡可能的塞滿區塊空間，然而在沒有執行的情況下，只能以使用者設定的 gas limit 當作它的用量，能打包的交易會比實際的上限少。

緊接著，下一個問題是退費困難。如果我們仍然將沒用完的手續費退還給使用者，惡意的攻擊者可以透過發送 gas limit 超大，實際用量很小的交易，以接近零的成本「霸佔」區塊空間。所以像已故區塊鏈 DEXON 就直接取消 gas refund，杜絕濫用的可能。但顯然這在使用者體驗和區塊空間效率上都是次優的。

而最近推出的 smartBCH 嘗試擬了一套複雜的退款規則：交易執行後剩餘的 gas 如果小於 gas limit 的一半（代表不是故意的）就退款；如果剩餘量介於 50%-75% 可以退一半；超過 75% 推斷為惡意，不退款。乍看是個合理的方案，仔細一想會發現製造的問題似乎比解決的還多。無論如何，沒用掉的空間終究是浪費了，而根據殘氣比例決定是否退款也不會是個好政策，對於有條件判斷的程式，可能要實際執行才知道走哪條路，gas limit 一定是以高的情況去設定，萬一進到 gas 用量少的分支，反而會噴更多錢，怎麼想都不太合理。

安全考量，退費大概是沒希望了。不過呢，最近以太坊剛上線的 EIP1559 似乎給了一點方向，如果區塊的使用程度能以某種回授控制的方式調節，即使偶爾挖出比較空的區塊似乎也無傷大雅，也許能研究看怎麼把兩者融合吧。

管線化方案的發展性

考慮到以太坊已經堅定地選擇了分片的路線，比較激進的單鏈高 TPS 管線化改造方案應該不太有機會出線，不過管線化畢竟是種歷史悠久的軟體最佳化技巧，還是很有機會被使用在其他地方的，也許是 VDF 之於信標鏈，也許是 rollup 的狀態轉換證明，可以坐等開發者們表演。

倒是那些比較中心化的 EVM fork/sidechain，尤其是專門只 for DeFi 的鏈，管線化加速可以在不破壞交易原子性的前提下擴容，確實是有一些比分片優秀的地方可以說嘴，值得研究研究，但這就要看那些機房鏈們有沒有上進心，願不願意在分叉之餘也投資發展自己的新技術了。

給我錢

ping.eth

區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.

👏 歡迎轉載分享鼓掌

是的，指考。

不意外的，又有一波擔憂國家數理發展，以及另一波擔心語言發展，還有其他波的擔心XX發展，加上奧運舉辦，體育發展的憂慮也刷一波

依照各方大德的憂慮，想要達成全部目標，我們現在的國民教育應該會從小一開始改成全住宿制，每天課程排到晚上9，一路上到大學還得要義務化。

簡稱，不可能的任務。

看不懂？嗯，因為這算月經文..........年經文才對。

我的意思很簡單啦，每次大考考完，除了那些每年都要靠邀幾句的校長，總會多出一批新人，憂心教育內容每況愈下，學子未來值得擔憂，國家競爭力缺乏等等。從教改啟動前就開始罵，罵到今天還是沒停。

坦白說，我對罵沒意見，但總要有具體點的建議出來。具體的建議可不是什麼提高數學教學強度，增加閱讀測驗等等，這叫做毫不具體。

具體的事項，要很明確的講出：
「必須從國一開始上三角函數，國二要會球座標」
「當前作文與閱讀課不敷需求，每周要加到5堂課」

用產業界的說法，就是你得提出目標-需求-資源，不然誰曉得你想幹嘛。那種高喊今年業績要提高的老闆很多，拍桌說業務要更積極搶單的經理更多，但具體計畫寫下來，恐怕是沒幾個能動的。

說不出個所以然，只是單純地看到數理教學內容變少，然後看則新聞說半導體落後，就膝蓋反射認定是教改失敗，學生程度太差，這連結相關度說有多高嘛...........

唉

我是希望，每個老師或是教授，真想對教育內容有建設性意見，不要只是碎念，請從現場時數去反推課程合理性，自己做不到也沒關係，試著想一次就曉得多麻煩，沒教過學校會很難這種「分配力學」。

做不到的人可以反過來，從希望達成的目標去反推該做什麼，這個業界也常做。那就是，你覺得我們哪些產業，或是未來需要哪些能力，必需在教育上立刻改變？

例如「半導體業是國家未來重點項目，所以要增加基層作業員素質，故全國技職體系都該開設鍍膜工藝、真空技術、現場操作技巧，所以今年就該鼓勵現場工程師轉職，進修教育學分後，分發到高職開始進行高強度的基層訓練。」(從爆肝工程師變成爆肝技工的概念)

或如「綠能產業是未來重點，所以國中理化課程應該大幅增加相關內容，電磁學要放到國二，基礎理化放到國一，生物課程另開，增加時數從文科挪走。並在國三大幅增加實驗課程，除高中以外，高職開設新的電力與製造工程師課程。」(人社科去死的概念)

不然喔，永遠只是在那邊憂國憂民，因為憂的範圍超級大，所以基本上台灣所有的問題都可以被囊括進去，可以給抱怨者宇宙無敵大的憂國情懷，卻沒有半個人可以提出具體解決辦法。

但不去討論實際運作的狀態，多數人都只是看著小孩課本，抱怨怎麼內容變那麼簡單，然後看了新聞說XX國很強，就反射認為都是課本教壞，這種想法沒有意義啦。

沒篇幅了，所以我這邊就提一個問題，看有沒人會想討論，之後再來講：
我們教育究竟是要傾向全民篩選制，還是積極放長線釣大魚的概念。這兩者雖然可以並行，但若全力推動一種，另一種就會被當成不公平喔。

目前還是有很多公司手開發票，每次填寫時都是手心冒汗，一個不小心作廢重開啦，更怕寄給客戶後反映有問題，收回來重開那是一個頭兩個大。

這堂稅務課程除了兼顧稅法規定與會計實務，各方面力求將Excel函數指令黑科技都用上，每天都開的發票當然不會錯過。精心設計了Excel手開統一發票模版，除了各項注意事項提醒，目前已經針對最麻煩中文大寫金額，函數公式深加工處理，只要輕鬆在一旁填入數字，發票範本會自動跳出中文大寫，邊看電腦螢幕邊開發票，Excel做你的最佳小助手！

課程所有Excel範本都會提供給學員，報名課程的學員對於範本有任何進一步需求，只要Excel函數指令可以做到的，甚至是設計VBA程式，贊贊小屋都會全力以赴！

歡迎報名，學稅務學會計、學Excel：
https://mastertalks.tw/products/tax-planning?ref=VINCENTTAXP

完整教學影音DVD分享申請 http://goo.gl/lsqo7

完整播放清單：
http://groups.google.com/group/autocad2010?hl=zh-TW

已經把一到五類上完，接下來就是最難的第六類，
第六類的前三題是新的題目，所以之前也沒什麼老師解過，
大多是自己花時間思考想出來的解法，應該和別的老師解的差蠻多的，
最主要的差別就是我堅持不背指令，盡量用滑鼠不用鍵盤輸入，
善用最新的AUTOCAD2010的新功能，如極座標追蹤功能，
因此可以在最少的步驟完成繪圖，正確性也最高，因為少了很多輔助線，
自然就不會有許多要刪不刪的線段了。
下學期會開的課程只是送審，但會開什麼就等結果了，
一向都開新課程以符合大家的學習需求，希望下學期也能有新氣象。

完整教學影音DVD申請

申請頁面：
http://goo.gl/ZlBZE

(100/10/04說明)
能分享自己授課的影音是件快樂的事，在數年前就有個想法，如果上課內容可以錄下來，
不但可以讓自己上課的學生反覆學習，更可以結合YOUTUBE讓更多人受益，
尤其是學習資源不豐富的中南部，學習的費用也是個問題，很多課程費用昂貴，
但不一定學的有成效，因此分享計畫從此誕生。

關於AUTOCAD有2008與2010版本，但?的方向有些不同，
08以基礎與建築為主，10以證照解題為主，10的光碟已經是完整的TQC+證照解題，
看完後就可以參加證照考試，對社會新鮮人找工作很有幫助。

程式語言類涵蓋豐富，對想從事程式設計相關工作前的培訓很有幫助，
VB.NET也是證照考試解題，所以有志於此者，不彷可以考張證照，對找工作有一定助益。

EXCEL函數與VBA則是新趨勢，最近?了很多班，都是EXCEL函數與VBA，與大家分享。

原本打算取消索取DVD光碟計畫，因為許多網友與學生鼓勵與支持，
填寫以下後，先不要匯款給我，我會回信給您，等候同意後，
再去匯款，避免彼此不必要的麻煩。 填寫以下資料

匯入帳號：中華郵政700-0011002-1007314
***所有DVD光碟內容如部落格所列的，都是在學校上課實收錄的上課內容，
如果覺得不錯再提出索取要求。收到您的索取訊息與匯款，隔日寄出。
若有疑問，請洽吳老師：terry28853669@gmail.com

分享DVD教學光碟：
1.AutoCAD2008入門使用技巧01-16 共16週課程(勞工大學)
2.TQC AUTOCAD證照班01-16 共16週課程(勞工大學)
3.AUTOCAD2010入門影音 共18週課程(勞工大學)
4.AUTOCAD2010進階與應用實例共18週課程(勞工大學)
5.VB.NET2008程式設計入門 共16週課程(勞工大學)
6.VB.NET實務與資料庫設計 共18週課程(勞工大學)
7.JAVA程式設計 共81小時課程(文大進修推廣部)
8.ASP.NET 3.5程式設計共24週課程(文大進修推廣部)
9.ASP.NET影音資料庫課程 (文大進修推廣部)
10.Excel2003進階與函數應用 共21小時課程(公務人員訓練處)
11.Excel2010進階與函數應用 共21小時課程(公務人員訓練處)
12.Excel函數與VBA設計 共48小時課程(勞工大學)
13.Excel函數與VBA雲端班 共30小時課程(自強基金會)
14.Android程式開發 共30小時課程 (淡江資工系上課錄影)

申請頁面：
http://goo.gl/ZlBZE

吳老師 2011/5/6

01_601題解說
02_601題外框部分
03_601題中間的部分
04_601題前面12個圓角矩形
05_601題右邊的鋸齒狀
06_601題結束
07_601題求答案
08_602題解說
09-602右邊花朵畫法
10_602扇形畫法


完整播放清單：
http://groups.google.com/group/autocad2010?hl=zh-TW

吳老師教學網：
http://3cc.cc/10g
部落格：
http://terry55wu.blogspot.com/
論壇：
http://groups.google.com/group/autocad2010?hl=zh-TW


AutoCAD,2010,2D,入門使用技巧,TQC,TQC+,TQC PLUS,電腦證照,湜憶電腦,AutoCAD WS,免費線上影音,吳清輝老師,程式設計,WEB2.0,線上教學

AUTOCAD進階與應用實例第10次上課

完整播放清單：
http://groups.google.com/group/autocad2010?hl=zh-TW

已經把一到五類上完，接下來就是最難的第六類，
第六類的前三題是新的題目，所以之前也沒什麼老師解過，
大多是自己花時間思考想出來的解法，應該和別的老師解的差蠻多的，
最主要的差別就是我堅持不背指令，盡量用滑鼠不用鍵盤輸入，
善用最新的AUTOCAD2010的新功能，如極座標追蹤功能，
因此可以在最少的步驟完成繪圖，正確性也最高，因為少了很多輔助線，
自然就不會有許多要刪不刪的線段了。
下學期會開的課程只是送審，但會開什麼就等結果了，
一向都開新課程以符合大家的學習需求，希望下學期也能有新氣象。

完整教學影音DVD申請

申請頁面：
http://goo.gl/ZlBZE

(100/10/04說明)
能分享自己授課的影音是件快樂的事，在數年前就有個想法，如果上課內容可以錄下來，
不但可以讓自己上課的學生反覆學習，更可以結合YOUTUBE讓更多人受益，
尤其是學習資源不豐富的中南部，學習的費用也是個問題，很多課程費用昂貴，
但不一定學的有成效，因此分享計畫從此誕生。

關於AUTOCAD有2008與2010版本，但敎的方向有些不同，
08以基礎與建築為主，10以證照解題為主，10的光碟已經是完整的TQC+證照解題，
看完後就可以參加證照考試，對社會新鮮人找工作很有幫助。

程式語言類涵蓋豐富，對想從事程式設計相關工作前的培訓很有幫助，
VB.NET也是證照考試解題，所以有志於此者，不彷可以考張證照，對找工作有一定助益。

EXCEL函數與VBA則是新趨勢，最近敎了很多班，都是EXCEL函數與VBA，與大家分享。

原本打算取消索取DVD光碟計畫，因為許多網友與學生鼓勵與支持，
填寫以下後，先不要匯款給我，我會回信給您，等候同意後，
再去匯款，避免彼此不必要的麻煩。 填寫以下資料

匯入帳號：中華郵政700-0011002-1007314
***所有DVD光碟內容如部落格所列的，都是在學校上課實收錄的上課內容，
如果覺得不錯再提出索取要求。收到您的索取訊息與匯款，隔日寄出。
若有疑問，請洽吳老師：terry28853669@gmail.com

分享DVD教學光碟：
1.AutoCAD2008入門使用技巧01-16 共16週課程(勞工大學)
2.TQC AUTOCAD證照班01-16 共16週課程(勞工大學)
3.AUTOCAD2010入門影音 共18週課程(勞工大學)
4.AUTOCAD2010進階與應用實例共18週課程(勞工大學)
5.VB.NET2008程式設計入門 共16週課程(勞工大學)
6.VB.NET實務與資料庫設計 共18週課程(勞工大學)
7.JAVA程式設計 共81小時課程(文大進修推廣部)
8.ASP.NET 3.5程式設計共24週課程(文大進修推廣部)
9.ASP.NET影音資料庫課程 (文大進修推廣部)
10.Excel2003進階與函數應用 共21小時課程(公務人員訓練處)
11.Excel2010進階與函數應用 共21小時課程(公務人員訓練處)
12.Excel函數與VBA設計 共48小時課程(勞工大學)
13.Excel函數與VBA雲端班 共30小時課程(自強基金會)
14.Android程式開發 共30小時課程 (淡江資工系上課錄影)

申請頁面：
http://goo.gl/ZlBZE

吳老師 2011/5/6

01_601題解說
02_601題外框部分
03_601題中間的部分
04_601題前面12個圓角矩形
05_601題右邊的鋸齒狀
06_601題結束
07_601題求答案
08_602題解說
09-602右邊花朵畫法
10_602扇形畫法


完整播放清單：
http://groups.google.com/group/autocad2010?hl=zh-TW

吳老師教學網：
http://3cc.cc/10g
部落格：
http://terry55wu.blogspot.com/
論壇：
http://groups.google.com/group/autocad2010?hl=zh-TW
溫馨考場論壇：
http://123.205.192.177/uc/bbs/index.php

AutoCAD,2010,2D,入門使用技巧,TQC,TQC+,TQC PLUS,電腦證照,湜憶電腦,AutoCAD WS,免費線上影音,吳清輝老師,程式設計,WEB2.0,線上教學

EXCEL VBA辦公自動化2012(第13次上課)-破解股市資料
完整影音連結：
http://groups.google.com/group/excel-vba2012?hl=zh-TW


此上課剛好講到如何破解無法匯入YAHOO股市資料的方式，

再將破解匯入資料快速格式成自己想要的外觀。

主要延續上星期課程，將某範圍資料的試算表區域，
快速轉換內容的方式，
只要先1.決定出迴圈的範圍，2.再訂出條件，
就可以依照自己的需求，去改變資料的內容，
或是格式，若是格式程式不會撰寫，可以先錄製成巨集，
再修改巨集的程式。
其次是圖表的自動產生與快速佈局方式，
佈局牽涉到座標的問題，比較不容易了解，
需要些時間演練。
最後又會到迴圈的快速處理資料，
並比較For與While迴圈差異。

影音內容：
01_問題16負數轉正改寫成7的倍數紅底白字


02_問題16_被7整除改為紅底白字


03_問題16_錄製回復與輸入數字


04_如何下載有保護的股市資料


05_將股市資料的漲跌顏色變更


06_問題19多圖表製作說明


07_問題19程式設計說明


08_問題19座標位置說明


09_問題19座標位置說明


10_問題20時間反序說明


11_問題20時間反序比較For與While迴圈差異

EXCEL函數與VBA進階班總整理:
http://terry55wu.blogspot.com/p/excelvba.html

目前 EXCEL函數與VBA完整影音論壇：
1.EXCEL函數與VBA設計
http://groups.google.com/group/labor_excel_vba?hl=zh-TW
2.EXCEL函數與VBA進階51
http://groups.google.com/group/excelvba51?hl=zh-TW
3.EXCEL函數與VBA雲端班
http://groups.google.com/group/excelvbacloud?hl=zh-TW
4.EXCEL VBA辦公自動化班
http://groups.google.com/group/excelvba_cloud?hl=zh-TW
5.EXCEL函數與VBA設計(自強基金會2012)
http://groups.google.com/group/excelvba2012?hl=zh-TW

EXCEL,VBA,函數,自強基金會,吳清輝老師,程式設計,線上教學,e化創新,雲端計算,吳老師提供,APP教學