📜 [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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《運動基因》

讀了”刻意練習”, 瞭解世上沒有任何偉大的人物是與生俱來的, 在各個領域的菁英無不是在我們看不到的背後付出了更多的努力, 因此持為佼佼者. 接下來在”原子習慣”一書中, 我們學習到了如何透過刺激控制與制約一步一步的打造新習慣, 接下來只要持之以恆, 那麼就會有令人滿意的結果

在很多其他書本中, 也有人主張”天才” 只是一個被過度吹捧的名詞, 目的在於造神, 或是給了失敗的一個名正言順的藉口： 我沒有這方面的天份

可是, 至少在運動界, 我們的確看到不少天賦異癛的例子, 有人就是先天的跑步好手, 有人就是有生的神力… 所以到底 “人定勝天” 是不是終究只是一句我們浪漫的幻想呢？ 會不會再多的努力還是可能會敗給了天賦呢？

這本書的作者David Epstein是一位資深的新聞記者, 長年報導全世界各項頂尖的體育賽事, 他為了找出這個解答, 實地走訪了非常多優秀的運動選手, 並且從他們接觸運動的原因, 到訓練過程, 以及比賽的經驗, 鉅細彌遺的記錄下來, 並與專家討論, 完成了這一本書 “運動基因”

在近代, 運動科學家一直在試圖尋找優秀運動員異於常人之處. 他們一直以為, 像棒球選手的強打者一定具有與眾不同的動態視力, 因此他們可以精準的將每一個快速或是刁鑽的球集成全壘打. 但是, 美國職棒大聯盟的王牌投手, 將球出手後直達捕手手套的時間約為200毫秒, 但是人類視覺神經的回饋最快也要400毫秒. 那麼他們是如何可以打得到球呢？

靠預測

一位優秀的球員只靠投手投球的身體姿勢以及肩膀位置, 就可以準確的預測球的走向. 早在1975年, 加拿大的研究人員就發明了一個叫做”遮擋測試”. 他們收集了幾千張在排球比賽時捕捉到的照片, 並把照片一部分遮擋起來做成幻燈片, 讓現役的排球選手來猜一下照片中是不是真的有球. 令人驚訝的是, 菁英選手答對的機率遠遠高於一般選手, 他們的速度甚至可以在不到一秒之內就答對答案！

而在1940年, 荷蘭西洋棋大師想要了解棋藝高手與業餘選手的差異到底在哪裡, 也做了項類似的測試： 他們把一場難解的棋局照片給職業棋士, 一般棋士, 與愛好者看. 但是這張照片只閃過他們眼前閃過幾秒, 然後請他們擺出照片中的原始棋局. 在四次實驗中, 職業棋士只瞄了照片三秒就能夠完整的把棋局擺出來, 一般棋士只能完成70%, 而愛好者只可以想出不到50%

在諸多資深運動選手的大腦中, 會將無數片段畫的記憶模組化, 而且予以分類歸檔. 因此他們可以很快的根據最微小的資訊, 在數據庫中提取出對於他們最有效的模組, 而作出預判, 反應, 甚至是戰術安排, 沒有相關經驗的一般人就無法辦到

所以, 還說什麼基因？ 還是回到千錘百鍊的不是嗎？

接下來, 作者探訪了兩位世界級的跳高選手, 將會嚴重挑戰到這個說法

瑞典選手霍姆六歲時, 就展現了對跳躍濃厚的興趣, 在十四歲時的成績就已經是同年齡青少年之冠. 雖然在求學過程中, 也有失敗過幾次比賽, 但是這都沒有澆熄他對於跳高的熱情, 反而更加努力的訓練. 一直到2004年, 他終於在雅典奧運奪冠！ 接下來的下一個挑戰就是2007年的世界田徑錦標賽

但是老天總是會給人驚喜 (？)

2006年, 在美國聖路易市的林登伍德大學 (就是我的母校我驕傲❤️) , 一個籃球隊的小伙子跟田徑隊的打賭, 他有本事跳得比他們高！ 正當所有校隊想要看看這個狂妄的傢伙如何失敗, 再瘋狂羞辱他時, 他竟然用很生硬的方式成功的跳過了足以拿下全國名次的高度！ 這年輕人叫做托馬斯, 他馬上被推薦進田徑隊, 並且使用很青澀的技巧在接下來幾次世界性比賽都拿下名次

而2007年, 奧運金牌老將霍姆與半路出家的托馬斯第一次在大阪的世錦賽中見面對決, 結果是.. 托馬斯成功地擊敗了苦練了十八年的霍姆… 而他從一開始到世錦賽之間, 只訓練了八個月！

後來, 有日本學者發現, 托馬斯致勝的關鍵就在於他小腿的跟腱, 托馬斯的跟腱長度非常的長, 而且很結實. 假如小腿跟腱越長, 越可以累積彈性能, 起跳優勢就越佳！

我們都知道, 最大攝氧量的高低是受基因決定, 在1992年, 由美國家拿到五所聯合大學發起的HERITAGE研究, (說白了就是運動基因研究), 想要看看接受測試的來自於九十八個不同家庭, 在經過了五個月, 每週三次的健身自行車訓練後, 心肺功能會有一些什麼樣進步的差異？ 研究人員在一開始就知道心肺功能的提升會因人而異, 但是沒想到進步比例會從0~ 100%! 也就是說在比例上, 有最優秀的15%進步非常多, 但也有另外15%基本上沒進步, 或是進步非常不明顯. 後來HERITAGE的學者在2011年發現, 人體內會有21個左右的基因, 是對於有氧訓練反應最為明顯的. 擁有19個這些基因的訓練進步幅度會是只有10個的三倍！

這種例子在體育界常常看見: 如史上最傑出的女性三鐵選手威靈頓, 在2011年比賽的成績即使在男子組都可以排到第四, 但是她第一次嘗試其公路自行車卻是在2004年

過去認為, 人類最完美的身體比例應該是達文西所畫的”威特魯人”： 兩隻手打開的臂展等於身高, 過去認為, 這種體型應該就是萬能運動員. 但是首先在NBA就發現, 從20世紀開始, 除了全員身高開始大幅度拉高, 這被成為”身高大霹靂” (NBA籃球員比起美國一般男性的平均身高從5% 提升到15％的身高), 臂展也漸漸超過了這個比例. 而在不一樣國籍背景的球員身上, 也發現了不同的體型比例

為什麼牙買加人都是短跑好手? 因為科學家發現牙買加人體內大多都存在ACTN3基因的變異體, 而ACTN3會讓快縮肌發達, 以至於爆發力更強. 在另一方面, 科學家發現由於過去在西非, 瘧疾流行, 人類為了與疾病對抗, 因此紅血球會變異出 ”鐮狀細胞”, 導致身體吸氧量減少, 卻也因此演化為身體不需要大量氧氣供能. 對於一般人來說, 可能對導致在某些時候身體容易極度缺氧, 但是在中短距離競賽選手身上而言, 這反而成為一種優勢. 而這些特點, 讓牙買加人成為了田徑賽道上的黑色閃電！

而在非洲另一端的肯亞人, 則是稱霸了馬拉松長跑的領域. 根據檢測, 肯亞人的心肺能力與丹麥人並沒有不同, 但區別就在於下肢的比例. 肯亞人腿細, 而且重心更低, 所以跑步的經濟性就更高. 在同樣的心肺基礎上, 肯亞人更能輕鬆地維持速度, 甚至更快. 而肯亞人的體型更是關鍵： 身體直立精瘦, 臀部窄, 四肢修長. 對於長跑而言, 這種體型更利於散熱！

這些都是觀察出來的結果, 我們有沒有辦法透過基因檢測提前知道我們的身體到底具有 (或是不具有) 哪些運動基因呢？ 目前這就是科學家努力研究的方向. 在奧運殿堂上奪牌的, 就一定是神選之人嗎？ 這不一定. 也已很多默默付出努力的選手, 更何況, 說不一定剛剛幫你外送宵夜的小哥, 體內就有傲視群雄的舉重基因呢

一萬小時定律, 在運動基因之前, 竟變得如此不堪一擊嗎？ 我認為, 對我們來說, 運動是一件令人開心與愉悅的事, 成績好不好, 不應該是我們過度在意的重點, 在運動過程中的積極體驗, 才是最可貴的. 就算我的進步比人家慢一點, 那又怎樣？ 只要我自己知道我今天比昨天進步 今年比去年更強就好了！ 不管有沒有某一方面的天賦, 我都可以自我察覺, 並且自我接受. 那麼人生就會寬闊的很多了！

#將錯誤視為學習契機 #管理錯誤
#我們就算只是系統中的小小螺絲也很重要
今天清晨5時50分發生規模6.1大地震，幾乎全台有感。不過因為今天地震報告比往常慢了十多分鐘。對此，氣象局說，因為 #人工檢視定位系統出問題，後續會持續檢討。

《#系統失靈的陷阱》一書指出：「系統故障，代價非常高昂，而且很容易被低估—你的職涯或人生遇到這種情況的機率非常大。好消息是，你可以 #做出實質貢獻。」

我們都是人，我們都會犯錯，在複雜性系統的旋風式飛快環境下，這些錯誤很可能在毫秒之間迅速失控。一定要 #從小錯學習、找出大威脅可能正在醞釀之處，並檢視何以多元化能幫助我們避免鑄下大錯。

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👉延伸閱讀
複雜系統會出現什麼樣的錯誤鏈，根本無法預料嗎?
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全新設計的Aventador S 車頭擁有更為廣闊的視覺效果，前擾流氣壩設計有效改善氣流，底部擴散器及垂直片狀導流設計增強空氣流通性能，使前部下壓力較前一代Aventador提高了130％以上。
Aventador S配有與前代相同的6.5升V型12缸自然進氣引擎，而這次最大馬力能超越前代從700hp增加至740hp，車體總重僅1,575 Kg ，動力重量比達到2.13 kg/hp。此外，搭配7速ISR單離合器自手排變速系統換檔反應速度僅有50毫秒，讓靜止加速至時速100公里只要需2.9秒，極速則可達350km/h。
製作人：鍾清淦

凌波微步、草上飛，還是奇異鳥?

比起標準的650S，它輕了一百公斤，而源自P1的懸吊技術、特別的長尾巴LT空力套件讓下壓力又多出了40%、即便V8渦輪增壓引擎的馬力只多出25匹，但實際上內部機件有50%經過更動，再結合換檔時間縮短至40毫秒的雙離合器自手排變速箱，這部675LT在銀石賽道上的表現有多猛、多威?能否讓全世界都驚呆了？答案就在即將出刊的TopGear-Taiwan極速誌為你揭曉，敬請期待。