https://soundcloud.com/djkoolklone/waiting-for-my-figures-to-arrive

📜 [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

如果要為愛演一齣戲，你會扮演什麼角色？

愛有成千上萬種型態，在這裡 —— 時間正滴答滴答的倒轉，沙塵飛舞在地，有少女從制高點俯瞰著城市，玫瑰花瓣不時隨風拂過天空，抬頭映入眼中的，是一路走來始終陪伴的浩瀚星夜。

Joanna S 孫梓菱 首張個人EP『 J in Love 』
「這是一趟關於愛的旅程，一開始先緩緩地走，再用力地跳，最後嘹亮的大聲歌唱！」

『 J in Love 』收錄三首歌曲 —
從「倒回愛」開始，用失去學會一步步勇敢、奮不顧身的擁抱；
在「Sniper」的試煉裡盛開玫瑰，找回不畏命運的自信，用漂亮的姿態狙擊人心；
到「未結束」溫柔的力量中感謝生命的相遇，延續這條已然幸福的路。

＊屬於你與我愛的三階段「倒回愛、找回愛、延續愛」

『 J in Love 』由新生代樂團 DeerJoy (喬伊是一隻鹿)製作而成，身兼製作人與編曲的陳昭宇、作曲人張恆銘、作詞人羅惠群同時也和Joanna一起合唱了「未結束」這首歌曲。EP內三首歌皆是為Joanna量身打造。

「倒回愛」將擅長的搖滾樂風融入情歌，用鋼琴與合成器的堆疊展開故事，從編曲擅長的音樂元素拆解開始，進入副歌後以弦樂製造內心呼喊，間奏則融入讓內心激盪Epic的Drum Loop，讓情緒更撕心裂肺。曲末回到開頭的合成器，呼應倒回愛的心情。

「Sniper」從Demo的發想開始，即設定Joanna是在逆境中脫穎而出的狙擊手，在編曲裡加了很多環境聲，加重其角色的畫面感。使用大量合成器Gate效果器的堆疊的同時也隱隱藏著寫 Demo時的木吉他Sample，並用電吉他再次潤飾這首EDM舞曲。吉他使用於副歌的Distoriton Sidechain與Pre-Chorus Shimmer 分解來展現狙擊手的神秘態度，保留了搖滾元素。

合唱歌曲「未結束」前奏則是以木吉他設計Reverse帶入，來刻畫Joanna的日常與粉絲相遇的溫馨感。整首歌曲以Band Sound為基底，Bridge則以大量的短工弦樂、合成器，拉起滂薄的情緒。間奏特別設計了4小節電吉他Solo，代表著再啟程的決心，我們的故事未結束的心情，最後再回到 Intro的木吉他 Reverse 設計，述說著未結束，也是一個新的開始。『 J in Love 』將Joanna過往的經歷與故事寫成歌，也將未來的期待與希望融入歌曲裡，同時感謝一直陪伴Joanna的粉絲。

＊走過迷途的你，在愛裡成長後，終能溫暖強大。

Joanna 從小即展現對音樂的表演慾，在20歲那年開始直播事業，在過程裡了解一個人的歌聲能帶來的不只是想像，還有更多的是療癒的情緒和溫暖的陪伴。

Joanna S：「在生日的時候發表歌曲，是給自己也是給粉絲們的禮物。」

四月即搶先發表的數位單曲「倒回愛」的概念：在愛裡，不同的角色成就不同的故事。在七月發行的『 J In Love 』EP裡終於得到完整。

連結聽起來🙌🏻🙌🏻🙌🏻🤍

#JoannaS
#孫梓菱
#JinLove
#DeerJoy

https://futureseed.ffm.to/joannasjinlove

美秀集團 × 台灣啤酒 × 中華奧會
2020東京奧運官方應援歌曲《金光閃閃》正式上線！

時節嚴峻，卻澆不熄我們心中的 Golden Spirit，讓我們用這首充滿能量又動感的慢搖舞曲，邀請大家高舉雙手喝采，為台灣乾一杯，預祝選手們金光閃閃，拿金牌！

慢搖！結合生猛的Sidechain節奏、合成器的通透音色、強力直球的動感旋律線，可說是台客文化的精粹。我們特別邀請了看似站在慢搖反面的落日飛車國國以及質感台客代表李英宏擔任製作人，以最頂規的製作展現最通俗的美學！

-

作詞／作曲：修齊
編曲：美秀集團
製作人：李英宏、曾國宏
錄音師：單為明
混音師：單為明
母帶後製：單為明
錄音助理：于世政
錄音室：Lights Up Studio、夕陽音樂
客座吉他：曾國宏

MV特別演出：峮峮

-

應援夥伴招募中：https://www.2021goldmedaltwbeerolympics.unismart.com.tw/

#想贏的舉手
#為我們乾一杯
#金牌台灣啤酒
#金光閃閃

-

Follow us
Facebook : https://www.facebook.com/amazingshowtw
Instagram : https://www.instagram.com/amazingshowtw/

好和弦頻道沒有開啟 YouTube 廣告，因此我不會從 YouTube 這邊得到任何收入，如果你覺得好和弦的課程有幫助到你，請你考慮購買「家庭號大包裝」來支持好和弦，讓好和弦能夠繼續提供免費的教學給所有人！到以下的連結喔：

好和弦 220 集紀念版大大大大大大大大大大包裝：https://gum.co/NiceChordBigPack220
好和弦家庭號大包裝（中國大陸）：http://www.upchord.cn/downloads/nicechord/
好和弦 Instagram：https://www.instagram.com/nicechord_official/
好和弦 Wiki：http://wiki.nicechord.com
其他你可以買的東西：https://gumroad.com/wiwikuan
好和弦官方網站：http://NiceChord.com
官大為：http://WiwiStudio.com

好和弦頻道沒有開啟 YouTube 廣告，因此我不會從 YouTube 這邊得到任何收入，如果你覺得好和弦的課程有幫助到你，請你考慮購買「家庭號大包裝」來支持好和弦，讓好和弦能夠繼續提供免費的教學給所有人！到以下的連結喔：

好和弦 220 集紀念版大大大大大大大大大大包裝：https://gum.co/NiceChordBigPack220
好和弦家庭號大包裝（中國大陸）：http://www.upchord.cn/downloads/nicechord/
好和弦 Instagram：https://www.instagram.com/nicechord_official/
好和弦 Wiki：http://wiki.nicechord.com
其他你可以買的東西：https://gumroad.com/wiwikuan
好和弦官方網站：http://NiceChord.com
官大為：http://WiwiStudio.com