📜 [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

解放虛擬貨幣？中國官媒新華社：人民有買賣虛擬貨幣之自由
https://earning.tw/news-0604/
.
中國官方媒體新華社近日緊盯幣圈大小事，從挖礦、交易到融資，接連發布6篇有關虛擬貨幣之報導，據新華社專欄《新華觀點》表示，目的在於防範投資者養成投機心理，並免於遭逢空氣幣收割之難。
在文章中還提到，若只把比特幣等虛擬貨幣作爲虛擬商品買賣，普通民衆在自擔風險的前提下，有參與交易的自由。
.
這並非中國官方首次談論到交易虛擬貨幣的自由，早在2013年中國央行便聯合諸多金融管理委員會印發《關於防範比特幣風險的通知》文件，並表示比特幣交易作爲一種網路上的商品買賣行爲，普通民衆在自擔風險的前提下，擁有參與的自由。
.
【新華社：人民有買賣虛擬貨幣之自由】
【FTX默默推出自家NFT平台 搶先幣安進軍市場】
【防毒兼挖礦?知名防毒軟體Norton 360將推出內建以太幣挖礦功能】
【特斯拉失寵！中國5月訂單砍半】
.
📢TG訂閱群 https://t.me/lazyeconomics
❤️Line討論群 http://bit.ly/bitcoin-station
.
【幣安Binance】終身折抵20%手續費：https://www.binance.com/tw/register?ref=BJP6U95K
【派網Pionex】每月抽獎：https://www.pionex.com/zh-TW/sign?r=8b7f5F4A
【FTX】終身折抵5%手續費：https://ftx.com/#a=lazyeco
【MAX-只有現貨，台幣出入金推薦】最高折抵60%手續費：https://max.maicoin.com/signup?r=LAZYECOA
【ACE-只有現貨，台幣出入金推薦】最高1900$開戶禮：
https://ace.io/activity/invite-register?invite_code=77107231

大家好，我是股市阿水，
我說一個實際的數據給大家了解：
目前挖礦在不計設備折舊下，100萬投入、"實際月收8萬~9萬"
最少只需不到五萬塊就能開始自己的小礦場，
幫自己"每月加薪2000~3000元"，
只有幾台的情況下，完全可以自管、日常也不用管它、且因為完全你自建，不會被詐騙的風險。
(此為實際收入，計算標準以2020/3 比特幣&以太幣全網算力及換算台幣價格計算、已扣除電費成本)

而這，只是阿水要交的初階班的最簡單的東西，
一堂課只花你2600元不到，

初階班在3/27上完課之後，因為幣值的上升，
所有完成步驟的人，已經現賺1200新台幣，
整個課程你什麼都還沒投資，已經先把課程費用賺一半回來了，

有些人說，阿水你不務正業了嗎？
不，其實是因為你們不知道我平常在做什麼：

我曾任納斯達克上市公司IT部門主管、較為人知的身份為專職台股投資人，
大家不知道的是，因為接觸資訊科技的關係
在比特幣出現的數年內，阿水就已經開始在接觸比特幣
也已經在這個圈子很久，只是一直專注在股市而非區塊鏈市場教學

2011 年 中華電信全國電信大賽、10,547組報名參賽，獲得應用創意分組全國冠軍
2013 年開始接觸比特幣，購入並持有比特幣。
2018 年開始投資比特幣中國礦場
2020 年協助多人在台灣創立自有礦場及維運

※第一個橫跨台股&區塊鏈交易的投資人。
※第一個將布林通道應用在區塊鏈交易的專職投資人

阿水特別設計了兩個課程：
一個為☆☆☆區塊鏈初階班☆☆☆
一個為★★★區塊鏈實戰班★★★

先說說：

☆☆☆區塊鏈初階班☆☆☆：

什麼是區塊鏈？什麼是比特幣？一大堆奇奇怪怪的幣到底是不是泡沫？

這個課程適合完全不懂的人，卻想從真正投資過礦場、建設過礦場，
操作過大量交易並投資過區塊鏈的多年老手身上學東西的人

只需有基本電腦知識(就是能開機、關機、上網、懂簡單電腦操作)
就適合上。

阿水從0教你認識什麼是虛擬貨幣包括：

§ 最淺顯易懂的區塊鏈原理教學。
§ 虛擬貨幣市場安全嗎？什麼是穩定幣？
§ 比特幣？以太幣？泰達幣？這些是什麼？
§ 該怎麼買比特幣？以太幣？什麼是交易所？如何挑選安全的交易所？
§ 該怎麼挖礦？買不到顯示卡還能挖嗎？
§ 三種投資虛擬貨幣的方法：直接挖礦、合約投資與直接交易買賣虛擬貨幣投資
§ 什麼是礦池？礦場？分潤規則又是什麼？挖礦工具又是什麼？
§ 什麼是冷錢包？熱錢包？虛擬貨幣如何避免駭客？
§ 認識比特幣稅務問題
§ 虛擬貨幣騙局多，該怎麼判斷？
§ 買東西也能用虛擬貨幣刷卡？怎麼做？

在這堂課中，阿水會幫你整理最實用的資訊

在上完這堂課之後，只要融會貫通，你將有能力：

● 理解區塊鏈原理、區塊鏈市場現狀。
● 能快速判斷什麼是詐騙，什麼是真實的應用。
● 了解如何在現在買不到顯卡的情況下，取得挖礦硬體
● 有能力取得虛擬貨幣、並能順利將虛擬貨幣換成新台幣 (反之亦然)
● 用信用卡刷虛擬貨幣購買日常生活用品

讓你快速從完全不懂，也能對虛擬貨幣有一定的認識

我知道一定會有人覺得，這些資料你去GOOGLE也能找到部份資訊

但是別忘了，
系統性的整合，才是幫你省下大量的時間
實戰化的教學，才是你的礦場能真正運作的訣竅

搜尋資訊簡單、整合資料困難
建立觀念簡單、有正確且系統的觀念困難
踏入區塊鏈簡單、熟稔市場運作困難
問網友建議簡單、找有建立過中小型礦場經驗的人困難

目前網路上找的到的，大都是看好賺才接觸的人
但既不會避免風險，也沒有能力教你如何穩定管理幾十台甚至上百台礦機
因為有一部份人，本來就只是想投機、而不是投資

行動帶來改變、
若是連"機會"你都不願意了解，
只會用不知道哪裡來的偏見來看待這件事
又怎能抱怨上天不給你"機會"?

阿水當年就是外商公司的在台資訊最大主管
掌管數個橫跨多縣市的機房、伺服器、網路設備

線上付費直播教學、免費一年期無限次重看

你當然可以選擇網路上不知名的網友告訴你：這風險很大、虛擬貨幣就是浪費電

但投資從來不是別人都在做，你才來踏進這個市場
你想聽不懂的人亂講？還是你想"好好"又中立的理解這個機會?

上課時間：官網随時付費與註冊完成，隨時觀看：
上課時長：長達300分鐘以上完整課程
重複觀看：有，提供課後免費一年期無限次重看。
課程費用：

原價3600元，限時報名打71折
線上刷卡價：只要 2588 元 *(限時七天)

報名方式：

1. 先連到官網：
https://waterstock.tw/blockchain_elementary

2. 點擊報名課程，完成付費與官網註冊

3. 在會員專區，觀看課程

如果有任何問題：
比如沒收到確認信、沒收到上課連結
請寄信到 waterstock888@gmail.com 或者 股市阿水Line@ 唷

等等，你以為這樣就沒有了嗎？
還有更強大的交你怎麼免費使用下單機器人進行期貨與現貨對鎖
是真正低風險的套利交易，

而這些交易系統，
都是經過

新加坡金融管理局(MAS)
以及
美國 FinCEN (金融犯罪執法局)核發的 MSB 監管牌照

透過正當的大型網站，才是真正金融交易
而你不用擔心你不懂，這些我在實戰班內，還會再教你怎麼做

學會初階班，能會懂區塊鏈
學會實戰班，能懂區塊鏈套利與交易

目前區塊鏈套利的年利率在15%~50%
(而且選對時間，比如美金低點的現在，正是好時機)
你的投資現在有年利率15%嗎？

★★★區塊鏈實戰班★★★：

阿水教你用布林通道，以及自動化的交易機器人，處理繁瑣的24hr都能交易的虛擬貨幣市場
同時實戰教學礦機搭建從0到維護、實戰班有課後LINE群，讓你有問題都能問
更有實體講義寄送、都由阿水幫你設定好了。

優惠來了！
如果你初階與實戰一起報，
阿水再加贈：挖礦優化安裝64G USB碟、內附有優化方式與必備挖礦程式
(只送不賣、請勿外流)

阿水教你怎麼使用現有的免費資源，搭配阿水自己的布林通道戰法
這堂課將教你：

§ 布林通道 實戰多種虛擬貨幣交易技法
§ 網格交易、自動化交易設定與策略分享
§ ETH 挖礦工具選擇：Gminer、T-rex、Phoenix
§ 如何挖以太幣獲得比特幣的教學 (算力販售)
§ 個人礦機搭建實例教學 (包括優化、傻瓜超頻法、免費自己遠端管理、算力運算、認識tdp..等)
§ 認識去中心化新融中心 DeFi (認識風險)
§ 教你怎麼在交易所快速交易各類虛擬貨幣

基本上我希望是你同時報名了初階班的人，再來報實戰班
現在這個市場24hr可交易
同時也有免費的交易機器人可以設定
都不需要再另外買付費軟體

同時提供一個月的免費課後line群(視情況延長或到期解散)
讓你有問題就能問。

而且阿水的管理經驗會教你怎麼在一般人都能了解的情況下

如果你初階與實戰一起報
就免費贈送64G 最新USB3.2代的安裝碟
內附有優化方式與必備挖礦程式
(只送不賣、請勿外流) 幫你在windows底下處理挖礦的大大小小的問題

上課時間：2021/4/17(六) 下午1:30 ~ 5:30
上課方式：付費私人直播 (上課前三天與當天E-mail通知唷)
重複觀看：有，提供課後免費一年期無限次重看。(無法直播觀看的人也可以看影片)
課程費用：

原價11500元，限時報名打67折
線上刷卡價：只要 7688 元
直接轉帳價：因省去金流手續費、幫各位再省！只需7050元

區塊鏈實戰班付款方式(二選一)：

1. 線上刷卡(7688元)
https://core.newebpay.com/EPG/waterstock/8eTY6U
(線上刷卡者無須填寫底下的表單

2. 直接轉帳(7050元)

銀行代碼：土地銀行
銀行帳號：032-001-51370-1
分行：台南分行
戶名：諾亞方舟科技有限公司

轉帳後請務必填寫以下表單
以利通知上課及查帳還有發票通知唷。

https://forms.gle/uhTVsz5nX7wkdLG46

(付款完兩個工作天內會確認報名成功信件、大家放心，每一筆款項阿水都會請員工查帳唷)

如果有任何問題：
比如沒收到確認信、沒收到上課連結
請寄信到 waterstock888@gmail.com 或者 股市阿水Line@ 唷