📜 [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。

給我錢

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#照顧大安 #建設文山！穎孟第五會期問政報告出爐📖

📍 問政快報電子檔：https://reurl.cc/yE8lDO
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2021上半年歷經了全台三級警戒，對各行各業及所有市民來說，都是特別辛苦的日子，感謝有所有對抗病毒的一線人員，與每一位在日常堅守防疫的大家，才讓疫情慢慢趨緩。

全民防疫期間，穎孟也在議會做大家的後盾！除了持續爭取一線人員福利，更全力監督疫苗接種市政、要求擴大紓困補貼，服務處亦積極協助確診者釋疑、幫助民眾申請紓困。

此外，我也專注於推動轉型正義、性別人權、友善育兒，關心特殊教育、實驗教育，並踏實建設在地，改善社區的行車行人安全。在此向大家報告我的問政成果與服務進度，下半年，穎孟也會和大家一起努力，繼續打造更好的台北！
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#防疫紓困
▎接種市政
▸成功與區公所協調加開預約疫苗熱線。

▸第一批莫德納疫苗發配到各縣市後，我便以書面質詢建請市府開放讓孕婦優先接種莫德納，6月22日中央也成功宣布開放孕婦任選疫苗。

▸要求市府改善長者接種疫苗配套措施，提出完整交通配套、放寬到宅施打資格，並建立單一諮詢窗口，同時呼籲開放大型場館安排就近施打。

▎市場防疫
▸穎孟持續建請提升市場防疫補助，要求市府公告夜市及市場周邊防疫指引，協助自治會落實分流降載，目前已成功爭取市場處三度提高補貼金額，支援防疫人力與物資。

▸我多次建請市府輔導攤商媒合外送平台、建立扶持交易網絡，已成功爭取市府挹注金額補助攤商每月25%至50%的平台服務費。

▎基層協助
▸持續媒合防疫物資，更協助青商會到台北市消防局捐贈330桶防疫酒精，相當於消防局一個月的用量，為基層人員打氣。

▸穎孟不斷為基層發聲，已讓里長、里幹事納入優先接種順序。

▸成功爭取觀傳局為辛苦的警消醫護，加碼1萬名免費住宿名額，讓一線防疫人員能安心入住，不必擔心染疫或傳染給同住家人。

▎確診者與民眾釋疑
▸協助居家隔離多日的確診者取得隔離通知單。

▸協助確認確診者隔離日到期後之解列程序。

▸解決民眾自費疫苗相關疑惑。

▸釐清實聯制落實情形，要求市府確實協助確診者足跡上傳至「台灣社交距離APP」。

▎紓困爭取
▸穎孟積極要求加碼紓困、放寬條件，已成功爭取完善藝文產業、計時人員紓困。

▸協助確保新創基地的減租計畫，能實際落實到進駐團隊身上，減輕大家的負擔。
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#轉型正義

▸中央法規已明訂，公共場域若含威權象徵，應移除、改名或以其他方式處置，但北市卻獨創保留銅像、僅「抹除威權文字」的手法，來虛應故事，我已在當面質詢市長時要求積極改善。

▸台北市的威權象徵移除進度極其緩慢，至今仍未及10%，我要求市府應指派副市長主責轉型正義工作，但柯文哲市長僅含糊同意將由彭副市長督導。

#友善城市
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▎推動親子廁所設置

▸台北流行音樂中心及表演藝術中心，是「5+3無圍牆博物館」政策的重要地標，將陸續落成啟用。然而兩大場館內的尿布台、親子廁所等硬體設備，卻嚴重低於法規要求建置的數量。穎孟歷經與文化局、經營團隊的多次來回溝通，已成功爭取場館承諾改善標誌問題、增設親子衛廁設施。

▸去年開始，我便積極督促公園處改善市有公園缺乏親子廁所的狀況，工務局重新盤點公園公廁整體情形後，已成功將文山區景美運動公園、大安區福州山公園納入優先施作！景美運動公園預計今年八月中即可啟用親子廁所，福州山公園則規劃於2022年施工改善。

▎關注性別人權
▸穎孟發現北市公務人員的性別主流化線上課程中，竟含有許多性別歧視的不當內容，在質詢後已成功要求公訓處下架5堂問題課程。

▸親子館、公托機構等，都是市府委外經營、與親子習習相關的業務，一線人員會頻繁接觸多元家庭與同志家長，卻不見得具備性平知能。我建請社會局在委外契約中，明訂從業人員應受多元性別與人權訓練，已成功爭取於2021年底換約前陸續明文納入。

▸商業處的「友善店家」標章，具備友善空間與反歧視精神，如：寵物友善標章，由動保處訂定手冊，清楚告知店家空間規劃、服務上的應注意事項。但性別友善標章卻缺乏相關指引，容易造成實際情形與標章原有目的產生落差、構成民眾困擾，我已提案建請局處製作相應之輔導手冊。

▎無家者關懷
「城市導引員」是協助無家者建立信心，由社會局、勞動局等合作建立的臨時職缺。許多無家者都有積極重回職場的意願，但政策執行2年來，轉職率卻極低。我已成功建請就服處納入每3個月一次的評估期，建立具體輔導轉職期程，今年已有1名無家者成功穩定就業。

▎監督社宅建設
北市社會住宅興建速度緩慢，柯市長上任7年，實際完成進度卻不到當初宣稱「八年五萬戶」的一半。我向柯市長當面要求，興建戶數應提升至30~50%、往每年至少應完工兩千戶以上調整。
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#教育關懷

▎優化特殊教育
「心理評量」是特殊教育中，執行相關鑑定、幫助孩子獲得適性安置及支持的重要工作。

但台灣的心評工作由特教老師一肩挑起，不僅造成教師負擔超重，也連帶侵害孩子的受教權。穎孟要求教育局全面檢討改善，擬定優化待遇方案，並參考外國經驗，朝特教心評專職化發展，才能讓特教老師專心回歸教學工作、有足夠的時間照顧每個孩子。

▎爭取公托資源
公共托育中籤率低，是所有家長的煩惱。穎孟發現大安區平均每名兒童可享有的公托資源數，竟是全市最低，私立托育機構也僅有38%成功轉型「準公共化」。

我已要求社會局特別關注大安區，提出因地制宜的托育推展策略，並訂定準公共化轉型的年度目標，務必完善友善托育服務。

▎關注教育民主
北市宣稱將於6月全面解除學校的髮禁、衣禁。中央法規已要求，學校僅有在保障安全、健康與公衛的前提下，才能對學生髮式訂定規範，但教育局卻以華岡為「藝術型學校」為由，讓華岡成為解禁的漏網之魚。我已要求教育局積極改善。

▎環南沿線加裝氣密窗
捷運環狀線南環段，是木柵居民期待已久的建設，但預計工期長達9年，沿線又經過7間學校、市圖永建分館及文山區親子館等設施，施工噪音勢必影響學童上課的安寧。

穎孟特地提案，建請市府出資，為沿線受擾的教育機構裝設氣密窗等隔音措施，相關提案將進入委員會研議討論。
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#綠能減碳

▎鼓勵民間減碳
柯市長宣示將於2030年減碳30%，但去年整體用電量仍微幅增加。我建請環保局提出檢討與具體改善方案；也和財政局討論，應如何以稅務補貼或減免，鼓勵綠能、節電、綠建築。

▎統整氣候治理數據
▸北市的氣候治理計畫和預算散布在各局處，因此我要求主計處統整各局處數據，建置清楚的氣候預算架構，規劃整體性能源政策，處長也承諾研議。

▸產發局今年已釋出私部門電能管理狀況，及用電大戶資料，卻未同步以開放資料的格式，放到「台北市資料大平台」中，我建請局處將資料上傳，才能讓民間運用、促進公私協力資料治理。

▎推動產業節電
▸產發局的節電政策，部分受中央「縣市共推住商節電行動」的經費補助，但中央經費已於今年停止，我已建請市府主動補足經費、勿讓計劃停頓。

▸市府節電工作雖訂有2030年目標值與KPI，但卻僅有估算值，我建請產發局應掌握實際用電增減數量，才能有效推動政策。

▎掌握降溫效率與實績
內政部研究已指出，綠屋頂覆蓋率需達80%才有降溫效果。但北市目前田園城市計畫所推展之綠屋頂，多為盆栽種植，覆蓋率不高。我建請局處與研究組織合作，才能掌握田園城市計畫的降溫實績。
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#建設在地

▎推動智慧站牌
穎孟致力推行大安、文山公車站牌100%智慧化，今年已會勘完成天恩宮、政大學苑、草楠橋口、指南山莊等多站設置，景福街、文山運動中心亦已納入規劃改善。

▎增設Youbike 2.0 站點
我經常接獲居民陳情，希望增設Youbike站點，今年會勘後，已成功確定於景美醫院前增設站點，預計新增15個車柱，8月底即將完工。

▎推動學校風雨操場
博嘉實小是主力於藝術美學教育的公立實驗學校。文山多雨，但博嘉一直苦無可以遮雨的大型活動場地，穎孟便在教育委員會建請中央補助興建風雨操場，成功獲得校長、家長、里長及市府齊心協力的支持，風雨操場已在今年5月正式落成。

▎東區、師大商圈振興
由於商業處目前多以單次行銷活動，推動地方振興，不僅難以留住人流及商機，也缺乏空屋率、空店率等指標性數據。我已建請市府依據各商圈的特色與困境，提出具體的長期振興計畫，並建置例行指標以評估成效，商業處也承諾會朝向此方向努力。
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#安心出行

▎人行安全
萬寧街人行道狹窄，輪椅無法通行，經會勘協調後已移除立桿式道路燈，改為附掛式路燈，並安排公車站牌內移。

▎道路安全
▸景美堤便增設標誌，並將人孔蓋降噪改善，保護行車安全。

▸光輝路21巷、光輝路71巷、下崙路交叉口增設號誌桿。

▸渭水新生南路口，交通標誌改善。

▸協調改善新生南路與八德路、市民大道兩路口，及光華商場周邊號誌秒數，減緩尖峰時段車多、滯留路中央，與行人通行不易問題。

▎整理市容
▸育英街57巷的側溝已長期堆積淤泥，不僅無法排水，還有黑色液體從旁邊管路不斷流入，會勘協調後已確定將翻新改善。

▸敦化南路一段161巷69弄7號旁國有地綠美化，將設置步道供民眾休憩，預計2022年4月底完成。

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#大安 #文山 #林穎孟
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【智翔的議會質詢-青年事務局（4/14）】

＃青年諮詢委員會

青年諮詢委員會作為政府部門重視青年政策的指標之一，桃園市的青年諮詢委員會已邁入第三屆，本屆聘期從三月底開始，回顧前兩屆的成果，智翔今天在質詢時首先請問青年局長，對於目前青諮會的想法為何？

局長也回答道，桃園市的青諮會在運作上不僅限於委員的提案，也透過各局處的參訪，以及每個月的開會討論，來去深化青年委員們對於公部門的嫻熟程度，讓提案改善政府施政上更有所本。

而依照青年局提供的資料顯示，上屆青諮會共提出16項建議給予各局處，但各局處是否採納？ 落實與答覆的比率為何？ 若不採納原因何在？ 延伸至後續的追蹤如何管理都還處於摸索階段，青諮會的設置與功能是否流於形式，難免遭受質疑。

當然智翔也認同，目前的青諮會還在「試錯（Trial and Error）」，因此在這邊建議青年局，應及早將系統性與固定格式的會議紀錄建立起來，若能回溯至第一屆的青諮會當然更好，希望透過建立規範準則，將會議紀錄上網，公開透明供民眾檢視。

＃青諮會的定位

依《青年諮詢委員會設置要點》規定，青諮會的成立有以下幾個任務：一、提供青年政策建言平台，蒐集並了解青年意見。二、建立多元管道培力人才，增進青年公共參與能力。三、研析青年關心議題並提出政策及建議。四、推動各項青年發展事項。

在定位上，局長也認為，除了透過委員們不同背景與年齡層能提供市政更多元的觀點之外，青諮會作為青年參政的平台之一，給予青諮委員訓練與熟悉公部門運作的機會，是主要的定位。

在智翔的理解上，既然定位上欲將青諮委員作為種子培育，在局處的參訪之餘，也許可以邀請各局處，設計適合青諮委員的教育訓練，強化青諮委員的基本功以及與各局處的交流互動，在提出建議方面，應能更加言之有物，在後續提升各局處對於提案的採納、執行上也會更有幫助，希望青年局與青諮會可以繼續努力，為桃園打造更好的青年參政環境。

＃青發署今年是否來桃園

最後智翔關心到青發署今年是否來到桃園巡迴，局長則表示，今年的巡迴計畫會再去了解之後做回覆，智翔也提醒，作為與中央機關交流的難得機會，若有成行，希望可與青諮委員們再開會討論看看有無共同議題，可以一起向青發署提出。