📜 [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

ping.eth

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〈美好的事可不可以發生在我身上 Lucky As You 〉

毫無意外的旅程 做到一些不勞而獲的夢 看似幸運啊
毫無意外的旅程 平淡如水的愛情 看似安穩啊
毫無意外的旅程 得到一些可以任性的機會 看似自由啊
毫無意外的旅程 做到別人也想要做的事 看似精彩啊

但是事實上發生的從來沒想過
真正想要的都被別人拿走
沒決定太多事就這樣到了今天
然後接下來變成了硬撐的爛局
再打一劑希望麻醉了痛苦
只能進 不能退 扛不起 放不下
不得不走下去

我們半推半就的人生
沒有和你一樣被眷顧的未來
我們半推半就的人生
怎麼過啊 怎麼過啊

迷惘的靈魂啊 安靜地運轉吧
忍耐的靈魂啊 安靜地運轉吧


► 音樂製作團隊

詞 Lyrics｜ARNY Wu
曲 Melody｜康士坦的變化球 KST
製作 Producer｜韓立康 GummyBearMan
編曲 Music Arrangement｜康士坦的變化球 KST
和聲編寫 Backing Vocals Arrangement｜ARNY Wu
人聲 Vocals｜康士坦的變化球 KST
電吉他 Electric Guitars｜ARNY Wu、Creed Zhao
貝斯 Bass｜陳佑祥 sionC
鼓組 Drums｜張譯云 Gail米
合成器、取樣 Synthesizer、Sampling｜侯啟泰 CT Hou、徐平 Ping Hsu
吉他錄音製作協力 Guitar Recording Co-Producer｜陳威達 Wei Da Chen
配唱製作人 Vocal Producer｜ 顏靜萱 Ka Ka Yen @VH
製作助理 Assistant｜趙宇晨
弦樂編寫 Strings Arrangement｜劉涵 Hang Liu @隱分子、ARNY Wu
弦樂錄音 Strings｜曜爆甘音樂工作室 Just Busy Music Studio
第一小提琴 First Violin｜蔡曜宇 Shuon Tsai、駱思云 Ssu- Yun Lo、陳奕勇 Yi- Yung Chen
第二小提琴 Second Violin｜朱奕寧 Yi- Ning Ju、黃雨柔 Nala Huang、黃瑾諍 ChinCheng Huang
中提琴 Viola｜甘威鵬 Weapon Gan、牟啟東 Wayne Mau
大提琴 Cello｜劉涵 Hang Liu @隱分子、葉欲新 Shin Yeh
錄音師 Recording Engineer｜蔡周翰( Drums/ Vocals/ Guitars)、韓立康 GummyBearMan( Guitars/ Bass)、ARNY Wu( Guitars) 、楊敏奇 Micky Yang( Strings)
錄音室 Recording Studio｜Lights up studio( Drums/ Guitars)、bb road studio( Vocals)、阿康工作室( Guitars/ Bass)、蠻好聽音樂工作社/ Pretty Good Music( Guitars) 、強力錄音室/ Mega Force Studios( Strings)
混音師 Mixing Engineer｜陳君豪 Howe
混音室 Mixing Studio｜ 成績好 Studio/ Goodgradestudio
母帶後期處理工程師 Mastering Engineer：內田孝弘 UCHIDA TAKAHIRO
母帶後期處理錄音室 Mastering Studio：FLAIR MASTERING WORKS


► 聲音的卡夫卡股份有限公司 出版發行
出品人｜陳瑞凱
企劃宣傳協力｜林子靖、鄭湘慈（睦木文化股份有限公司）
視覺｜盧翊軒（見本生物）
藝人經紀｜楊詩薇


► 影像製作團隊

導演 Director｜ 李毓琪
副導 Assistant Director｜ 李維珅
製片 Producer｜ 李婉甄
製片助理 Production Assistant｜ 陳品志、施俊弘
攝影師 Director of Photography｜ 劉哲均
跟焦手 Focus Puller｜ 程鼎暘
燈光師 Gaffer｜ 林大洋
燈光助理 Best Boy｜ 張玉璇、張鈞博
化妝 Makeup Artist｜ 王嘉瑩、楊繪錦、徐永青 (王嘉瑩特效化妝造型)

劇照 Still Photographer｜林生偉

剪輯師 Editor｜劉哲均
調光 Colorist｜黃明偉（繼續映畫）
特效師 VFX Artist｜陳品志

特別感謝 Special Thanks｜
Dixon Drums、Tony哥、Kira、宏力音響、內湖污水處理廠、New Noise 音樂飾品實驗所、趙咖丼飯烏龍麵

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三星摺疊手機在今年 2 月推出「Galaxy Z Flip 5G」，除了新增對 5G 的支援外，硬體規格也隨之升級。

就外觀而言，和前代「Galaxy Z Flip」相比，配色變得較為內斂，背蓋也改為霧面處理，除了不沾指紋外，裸機使用下也不會有嚴重的刮傷受損。

從規格來說，Galaxy Z Flip 5G 升級到目前最新的高通處理器 S865+，同時支援 LPDDR5 和 UFS3.1，至於大家最在乎的 S865+ 爆 Ping 問題、相關跑分數據，這次也一併幫大家鑑定啦！


::: 章節列表 :::
0:35 外觀和規格
4:18 摺疊體驗
6:40 摺疊須知
8:55 最後總結


::: Galaxy Z Flip 5G :::
作業系統：One UI 2.5（基於 Android 10）
處理器：高通驍龍 Qualcomm Snapdragon 865+ 5G 八核心處理器
記憶體與儲存空間：8GB + 256GB
主螢幕類型：6.7 吋 Dynamic AMOLED
主螢幕技術：Infinity-O 極限全螢幕 / 超薄可摺式玻璃
主螢幕占比：82.5%
主螢幕更新頻率：60Hz
主螢幕解析度：2,636 x 1,080（FHD+）
副螢幕類型：1.1 吋 Super AMOLED
副螢幕解析度：112 x 300
重量：183g
展開尺寸： 167.3 x 73.6 x 7.2 mm
摺疊尺寸： 87.4 x 73.6 x 17.43 mm
電池容量：3,300 mAh（支援 15W 閃充 / 9W 無線閃充）
後置鏡頭：1,200萬畫素 廣角鏡頭 f1.8、1,200 萬畫素 123˚ 超廣角鏡頭 f2.2
前置鏡頭：1,000萬畫素 廣角鏡頭 f2.4
相機功能：4K 高畫質攝影、8 倍混合光學變焦、一鍵拍錄、夜間模式、超穩定動態攝影
影音支援：支援 Dolby Atoms（藍牙/有線耳機）、單聲道喇叭、無 3.5mm 耳機孔
防水係數：無
SIM 卡：單卡 Nano SIM
產品顏色：頑美金、頑美灰
建議售價：NT$49,888


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