📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸

✍️ Ping Chen

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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。

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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。

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當綠能遇上公益：一場再生能源與永續發展的美好之戀 （02/14/2020 陳惠萍）

2020情人節悄然來臨，先祝福大家與情人幸福共度，或是正在尋得理想伴侶的路上，努力邁向更美好的未來。

然而，面對社會、經濟及生態的種種「不美好」，我們又該如何尋求夥伴一起創造更好且永續的未來？

作者：陳惠萍 ／陽光伏特家共同創辦人

何謂「更好的未來」：全球社會的想像

先來想想，對地球而言什麼是「更好的未來」？2015 年9月25日，聯合國成立70週年之際，世界領袖們齊聚聯合國紐約總部，舉行「聯合國發展高峰會」並發佈《改變我們的世界：2030年永續發展方針》。這份方針基於積極實踐平等與人權，規畫出17項永續發展目標及169項追蹤指標，作為2030年以前世界各國共同努力的行動框架及指導原則。

「聯合國永續發展目標」(Sustainable Development Goals, 簡稱SDGs)也明確點出：唯有「經濟」（prosperity）、「人類」(People)與「環境」(Planet)之間連結互惠、共榮發展，才能真正達到達到地球永續發展的美好願景。
“Objective: produce a set of universal goals that meet urgent social, economic and environmental challenges facing the world”

如果你還不知道「聯合國永續發展目標」，來聽聽日本超人氣歐吉桑ピコ太郎的教學影片吧！（這真的是讓人邊笑邊認識SDGs的宣傳好手法）

誰是實踐SDGs的速配夥伴？

「聯合國永續發展目標」制定雖屬國家層級，但在執行過程中十分強調次國家層級（sub-national）的概念，並且連結多元行動者、以及由下而上的參與力量。包含：全球許多城市已開始研擬或制定SDGs城市自願評估報告。包括：美國紐約市在2018年便將SDGs結合至原有市府施政計畫，並擇定其中五項優先目標，制定出全球第一本城市SDGs自願評估報告。國內城市SDGs行動，也有台北市、新北市及桃園市政府開始引領先鋒，擬定SDGs城市自願評估報告。

除了國家與政府單位，企業也被視為SDGs的超級盟友。根據2018(二月)KPMG公布「企業因應全球永續發展目標(SDGs)分析報告」，其針對全球前250大企業（G250）因應SDGs的狀況進行研究。這份報告發現，約77%企業已經開始看見SDGs的可能影響（不過真正能夠提出具體商業行動的比例則僅有8％）。此外，台灣企業在SDGs的表現，根據CSRone與政治大學商學院信義書院的共同研究則觀察到，在2018年間發佈的528本企業社會責任報告書中，已經有44%的企業在報告中揭露有關SDGs的資訊或推動專案。可見得聯合國永續發展目標將日益成為企業社會責任履行與商業拓展的重要方針。[參考文獻：SDGs是企業的禮物？還是包袱？]

對企業而言，SDGs可能為企業帶來龐大的市場商機。重點則是如何透過創新的商業模式及企業社會責任履行方式，促使更多企業願意與永續發展目標共同努力。此外，還可並透過與政府單位的公私合作，在企業、政府與民間組織建立起一種互惠互利關係，鼓勵新的永續發展方案成為市場有利選項。[參考文獻：The perfect match: businesses and the SDGs]

SDG7:用綠能讓世界更美好

聯合國永續發展目標第七項期望達到：「確保所有的人都可取得可負擔、可靠的、永續的，以及現代的能源」。此項目標，正面回應了現代能源發展過程的不平等問題。

在一份「百分百再生能源與永續發展目標」（100% Renewable Energy for Sustainable Development ）報告當中，更進一步揭示了再生能源如何作為社會經濟發展的一種手段，並且有助於創造一個更為公平的社會。其中不只凸顯再生能源與永續發展的密切關聯，也明確表達再生能源如何全方位促成永續發展目標的具體處方。

綠能公益：用愛與綠能點亮社會

在追求全球永續發展的道路上，聯合國永續發展目標的宗旨便是「不遺落任何人」（Leaving No One Behind）。而幫助所有人享有更永續的綠能，也是我從研究走向創業的重要初衷。

在陽光伏特家夥伴們的協力成就下，截至目前我們不只創造了台灣第一個全民陽光電廠平台，建置完成超過200個電廠、累計超過6百萬瓦設置容量，並帶動超過1萬7000人次共同參與。此外，我們也集結了地方政府、企業與民眾的愛心支持力量，共同打造10座綠能公益電廠，一起將陽光綠能的好處帶到弱勢角落，點亮上千名兒童、老人及身心障礙患者的未來，並讓台灣綠能發展更有價值與溫度。

進一步從「聯合國永續發展目標」檢視，事實上我們的每個綠能公益專案都能同時點亮多項永續發展目標。以與台灣大哥大企業合作的「種福電」計畫為例，其過程不只結合企業贊助及超過6000人次的小額愛心捐款，更藉此同時實現下列SDG目標：

目標 3.促進健康與福祉：透過綠電回饋、長期穩定地幫助身心障礙機構提供社會福利服務。

目標 7.人人享有永續綠能：為社福團體建置太陽光電系統，幫助弱勢族群共享綠能。

目標 11. 促進永續城市：結合地方政府的資源與支持力量，幫助更多城市屋頂成為太陽能電廠。

目標 17. 強化全球夥伴關係：結合企業資源與全球供應鏈一起響應綠能公益，增強產業響應綠能減碳行動。

[最大規模綠能公益專案：2018種福電--用陽光守護桃園真善美基金會]

2019年，我們與光寶科技共同號召發起的「為太陽能而跑」綠能公益活動，邀集民眾參與環保樂跑撿煙蒂，消滅最大宗的海洋污染廢棄物--煙蒂。活動中藉由號召全民參與撿拾十萬煙蒂，並將成果轉化為百萬企業捐款、且結合地方政府補助，建置一座陽光愛心電廠守護宜蘭老人養護院。「為太陽能而跑」活動不只發揮「跑者減重、海洋減塑、地球減碳」之多重效益。[註：不要懷疑，煙蒂是塑膠！！相關報導：在宜蘭的這間養護院，光寶用愛心打造綠能發電]

更棒的是，光寶「為太陽能而跑」綠能公益專案也同樣一次點亮多項SDG目標：

目標 3.促進健康與福祉：透過綠電收益支持老人照護機構提供更好的社會福利服務，幫助長者好好變老。

目標 7.人人享有永續綠能：為老人養護機構建置自發自用型太陽光電系統，幫助機構使用綠電並且降低電費支出。
目標 11. 促進永續城市：結合地方政府補助資源，打造更多城市太陽能電廠。

目標 14. 保育海洋：環保樂跑撿煙蒂減少污染流入大海，守護海洋資源與永續生態。

目標 17. 強化全球夥伴關係：號召企業與全球跑者共同響應，一起守護海洋、支持綠能。此外，本專案也結合其他企業資源購買綠電憑證，加強全球產業減碳行動。

最後，面對繁華喧鬧且不美好的世界，僅以這篇SDG小文獻給每一位追求更好、並且努力不懈的朋友和夥伴！

★★★ 完整圖片、文字內容以及相關網路連結請見陳惠文原始網誌發文：

當綠能遇上公益：一場再生能源與永續發展的美好之戀

https://www.facebook.com/notes/hui-ping-chen/當綠能遇上公益一場再生能源與永續發展的美好之戀/3034328979932946/

★★ 想要懂更多：聯合國SDGs知識平台：https://sustainabledevelopment.un.org/

註：網誌封面照片出處：UN Department of Economic and Social Affairs

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當綠能遇上公益：一場再生能源與永續發展的美好之戀 （02/14/2020 陳惠萍）

2020情人節悄然來臨，先祝福大家與情人幸福共度，或是正在尋得理想伴侶的路上，努力邁向更美好的未來。

然而，面對社會、經濟及生態的種種「不美好」，我們又該如何尋求夥伴一起創造更好且永續的未來？

作者：陳惠萍 ／陽光伏特家共同創辦人

何謂「更好的未來」：全球社會的想像

先來想想，對地球而言什麼是「更好的未來」？2015 年9月25日，聯合國成立70週年之際，世界領袖們齊聚聯合國紐約總部，舉行「聯合國發展高峰會」並發佈《改變我們的世界：2030年永續發展方針》。這份方針基於積極實踐平等與人權，規畫出17項永續發展目標及169項追蹤指標，作為2030年以前世界各國共同努力的行動框架及指導原則。

「聯合國永續發展目標」(Sustainable Development Goals, 簡稱SDGs)也明確點出：唯有「經濟」（prosperity）、「人類」(People)與「環境」(Planet)之間連結互惠、共榮發展，才能真正達到達到地球永續發展的美好願景。
“Objective: produce a set of universal goals that meet urgent social, economic and environmental challenges facing the world”

如果你還不知道「聯合國永續發展目標」，來聽聽日本超人氣歐吉桑ピコ太郎的教學影片吧！（這真的是讓人邊笑邊認識SDGs的宣傳好手法）

誰是實踐SDGs的速配夥伴？

「聯合國永續發展目標」制定雖屬國家層級，但在執行過程中十分強調次國家層級（sub-national）的概念，並且連結多元行動者、以及由下而上的參與力量。包含：全球許多城市已開始研擬或制定SDGs城市自願評估報告。包括：美國紐約市在2018年便將SDGs結合至原有市府施政計畫，並擇定其中五項優先目標，制定出全球第一本城市SDGs自願評估報告。國內城市SDGs行動，也有台北市、新北市及桃園市政府開始引領先鋒，擬定SDGs城市自願評估報告。

除了國家與政府單位，企業也被視為SDGs的超級盟友。根據2018(二月)KPMG公布「企業因應全球永續發展目標(SDGs)分析報告」，其針對全球前250大企業（G250）因應SDGs的狀況進行研究。這份報告發現，約77%企業已經開始看見SDGs的可能影響（不過真正能夠提出具體商業行動的比例則僅有8％）。此外，台灣企業在SDGs的表現，根據CSRone與政治大學商學院信義書院的共同研究則觀察到，在2018年間發佈的528本企業社會責任報告書中，已經有44%的企業在報告中揭露有關SDGs的資訊或推動專案。可見得聯合國永續發展目標將日益成為企業社會責任履行與商業拓展的重要方針。[參考文獻：SDGs是企業的禮物？還是包袱？]

對企業而言，SDGs可能為企業帶來龐大的市場商機。重點則是如何透過創新的商業模式及企業社會責任履行方式，促使更多企業願意與永續發展目標共同努力。此外，還可並透過與政府單位的公私合作，在企業、政府與民間組織建立起一種互惠互利關係，鼓勵新的永續發展方案成為市場有利選項。[參考文獻：The perfect match: businesses and the SDGs]

SDG7:用綠能讓世界更美好

聯合國永續發展目標第七項期望達到：「確保所有的人都可取得可負擔、可靠的、永續的，以及現代的能源」。此項目標，正面回應了現代能源發展過程的不平等問題。

在一份「百分百再生能源與永續發展目標」（100% Renewable Energy for Sustainable Development ）報告當中，更進一步揭示了再生能源如何作為社會經濟發展的一種手段，並且有助於創造一個更為公平的社會。其中不只凸顯再生能源與永續發展的密切關聯，也明確表達再生能源如何全方位促成永續發展目標的具體處方。

綠能公益：用愛與綠能點亮社會

在追求全球永續發展的道路上，聯合國永續發展目標的宗旨便是「不遺落任何人」（Leaving No One Behind）。而幫助所有人享有更永續的綠能，也是我從研究走向創業的重要初衷。

在陽光伏特家夥伴們的協力成就下，截至目前我們不只創造了台灣第一個全民陽光電廠平台，建置完成超過200個電廠、累計超過6百萬瓦設置容量，並帶動超過1萬7000人次共同參與。此外，我們也集結了地方政府、企業與民眾的愛心支持力量，共同打造10座綠能公益電廠，一起將陽光綠能的好處帶到弱勢角落，點亮上千名兒童、老人及身心障礙患者的未來，並讓台灣綠能發展更有價值與溫度。

進一步從「聯合國永續發展目標」檢視，事實上我們的每個綠能公益專案都能同時點亮多項永續發展目標。以與台灣大哥大企業合作的「種福電」計畫為例，其過程不只結合企業贊助及超過6000人次的小額愛心捐款，更藉此同時實現下列SDG目標：

目標 3.促進健康與福祉：透過綠電回饋、長期穩定地幫助身心障礙機構提供社會福利服務。

目標 7.人人享有永續綠能：為社福團體建置太陽光電系統，幫助弱勢族群共享綠能。

目標 11. 促進永續城市：結合地方政府的資源與支持力量，幫助更多城市屋頂成為太陽能電廠。

目標 17. 強化全球夥伴關係：結合企業資源與全球供應鏈一起響應綠能公益，增強產業響應綠能減碳行動。

[最大規模綠能公益專案：2018種福電-\-\用陽光守護桃園真善美基金會]

2019年，我們與光寶科技共同號召發起的「為太陽能而跑」綠能公益活動，邀集民眾參與環保樂跑撿煙蒂，消滅最大宗的海洋污染廢棄物-\-\煙蒂。活動中藉由號召全民參與撿拾十萬煙蒂，並將成果轉化為百萬企業捐款、且結合地方政府補助，建置一座陽光愛心電廠守護宜蘭老人養護院。「為太陽能而跑」活動不只發揮「跑者減重、海洋減塑、地球減碳」之多重效益。[註：不要懷疑，煙蒂是塑膠！！相關報導：在宜蘭的這間養護院，光寶用愛心打造綠能發電]

更棒的是，光寶「為太陽能而跑」綠能公益專案也同樣一次點亮多項SDG目標：

目標 3.促進健康與福祉：透過綠電收益支持老人照護機構提供更好的社會福利服務，幫助長者好好變老。

目標 7.人人享有永續綠能：為老人養護機構建置自發自用型太陽光電系統，幫助機構使用綠電並且降低電費支出。
目標 11. 促進永續城市：結合地方政府補助資源，打造更多城市太陽能電廠。

目標 14. 保育海洋：環保樂跑撿煙蒂減少污染流入大海，守護海洋資源與永續生態。

目標 17. 強化全球夥伴關係：號召企業與全球跑者共同響應，一起守護海洋、支持綠能。此外，本專案也結合其他企業資源購買綠電憑證，加強全球產業減碳行動。

最後，面對繁華喧鬧且不美好的世界，僅以這篇SDG小文獻給每一位追求更好、並且努力不懈的朋友和夥伴！

★★★ 完整圖片、文字內容以及相關網路連結請見陳惠文原始網誌發文：

當綠能遇上公益：一場再生能源與永續發展的美好之戀

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註：網誌封面照片出處：UN Department of Economic and Social Affairs

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