📜 [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。

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📜 [專欄新文章] EIP2929, EIP2930 簡介
✍️ Anton Cheng
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Opcode 加油Proposal，會不會讓以太坊變更貴呢

昨天在同事的推薦下發現了這個YouTube系列：Peep an EIP，也聽了Vitalik和Martin介紹EIP2929 + 2930的這一期。這兩個EIP都已經被列入下一次的硬分岔(Berlin Hardfork)，所以我就來寫個學習筆記。先打個預防針，本人對EVM可以說是非常不熟，但也希望藉著這個機會逼自己學習，如果有錯誤的話也希望懂的更多的各路大神可以不吝賜教。

Berlin without hardfork. (By Claudio Schwarz on Unsplash)

EIP2929: Gas cost increases for state access opcodes

乍看之下這是一個極為恐怖的Proposal。在Gas已經高到爆炸的2021年，理論上不應該再通過這種「加油」類的方案。不過不用緊張，其實這個EIP真正改變的是第一次access的價格，如果一筆交易內要執行一樣Opcode動作輛次，那麼gas cost 將降低為100。

Increases gas cost for SLOAD, *CALL, BALANCE, EXT* and SELFEDESTRUCT when used for the first time in a transaction.

大家都知道，合約最終會被Compile成一堆Opcode，這些Opcode也是用來計算最終交易手續費的依據：理論上越是花時間的的Opcode，應該要收越高的手續費。

但是一直以來，state access opcode 太便宜都是一個已知的問題：在2016年的上海DOS攻擊中，其中幾個攻擊的手法就是透過惡意交易大量讀取帳戶資訊、大量的創造合約再銷毀，或是不斷用 EXTCODESIZE 來讀合約大小等等，讓Client必須花大量的IO資源處理交易(需要讀寫disk的動作特別慢)，最終使Client程式Crash或是延長出塊時間。儘管大部分的弱點已經透過EIP150中大量提升gas cost獲得改善（還有其後的EIP1884），但在EIP2929中，也引用的這篇Paper的數據：現在replay所有以太坊上的交易，當時那些惡意交易中的worst case還會需要~80秒才能完成。這跟以太坊所定義的13秒出塊時間有著很大的差距，也代表這個潛在的攻擊是可行的。

透過增加這些opcode所需要的gas cost，可以降低每個區塊最大可能的讀取數。以下是偷抄Vitalik PPT 的數據：(12,500,000 為gas limit上限)

Pre-EIP 2929:

BALANCE spam: 12,500,000 / (400 cost + 320 address size + 50 boilerplate) = 16,233 accesses per block

CALL spam: 12,500,000 / (700 + 320 + 50) = 11,682 accesses per block

SLOAD spam: 12,500,000 gas / (800 + 25 boilerplate) = 15,151 accesses per block (but of a smaller tree)

Post-EIP 2929:

BALANCE spam: 12,500,000 / (2,600 + 320 + 50) = 4,280 accesses per block

CALL spam: 12,500,000 / (2,600 + 320 + 50) = 4,280 accesses per block

SLOAD spam: 12,500,000 / (2,100 + 25) = 5,882 accesses per block

說實在的這個數據的解釋也很廢話，就是把Opcode變得用貴，能Spam的數量越少。平均來說Gas cost 變高3倍，所以之前worst case的80秒執行時間可以被下降到大概 ~27秒。

SSTORE changes

在實作層，EVM會維繫一個本筆交易讀取過所有交易的 Set。每次有尚未讀取過的slot時，就會先收取一筆 CLOD_SLOAD_COST (2100) ，然後把這個slot加入這個set中，下次讀寫就會比較便宜。

對於已經讀取過的Slot，再次寫入的Opcode SSTORE 之gas cost為會降低為

5000 — COLD_SLOAD_COST (2100) = 2900

簡單的說，單純只操作一次 SSTORE 的總gas 會維持一樣在 5000 。但如果這個slot是之前有讀過的，則寫入的gas cost就會降低。近一步來說，一個 x += 100 ，其實會變得更便宜:

Pre-EIP-2929: 800 SLOAD + 5000 SSTORE = 5800
Post-EIP-2929: 2100 SLOAD + 2900 warm SSTORE = 5000

其他Side effects

這個改動除了降低了最高能夠spam的次數以外，也降低了以太坊想要做到stateless client，理論上最大的witness 大小。其實這裡的原理跟前面很類似，下圖的表格比較的是目前使用hexary tree所需要的witness大小：若12.5M的區塊全部塞滿該Opcode的witness，理論上最大會佔多少空間。在EIP2929之後由於gas cost增加，就壓縮了最大可能的witness size.

這裡單純只比較增加gas cost後，對於max witness size的影響。影片中有提到其他許多方法旨在減少Witness bytes，包括使用binary tree而不是hexary tree，以及用Code Merklization等等。這些其他方法也能夠降低最後的Max Witness size，但跟這個EIP沒有直接相關。不過可以注意的一點是，這些其他在witness size上面的優化跟 gas cost 所帶來的優化的效果是可以相乘的，例如 SLOAD，更改gas price已經能夠讓max size 縮小2.6倍，若是改用Binary tree可以將 Witness bytes降低到 288 bytes，就會是再3~倍的優化。

對用戶的影響

依照Martin Swende 給出的數據，這個EIP對於一般交易的影響僅有提高0.3~0.4%。理由很簡單，雖然第一次access storage變貴了，但是後面幾次讀寫就會變得便宜。大部分應用的程式邏輯都是類似的幾個變數進行讀寫，因此可能有不少的動作反而會變得更便宜。一個最簡單的例子就是ERC20 Transfer，兩個餘額的 +=和 -= 都會變便宜，所以總共的花費也是變便宜的。

這其中也會對於Solidity的開發pattern有著一定程度的影響，我目前想到的影響可能有兩個：

由於多次的storage access變便宜，永遠cache state variables不再是一個最佳策略。以前我們會盡量想辦法減少寫入state storage的次數，現在可能會基於coding style考量減少一些的memory cache。

之前寫合約都會盡量避免external call，甚至會寫一些一次把所有 variable都回傳回來的笨函示，來避免多次的external calls。這有一部分原因是因為每次external call都會需要使用到 EXTCODESIZE 這個Opcode所以很貴。但如果 EXT 系列的Opcode也變得越call越便宜，那麼這個一次全部call 回來cache 住的pattern也可能改變。

以上兩個想法都還沒有經過實證，如果之後看到更有證據的分析的話，也會來這裡分享。

EIP2930: Optional access lists

EIP2929可能會影響一些鏈上的合約，因為有些合約有hardcode external call的gas 上限。對於這方面的問題，EIP2930提出一個新的交易類型，讓交易中多帶一個access list，即所有這筆交易即將讀寫的storage slot，並且先幫忙付掉第一次讀寫的gas，而真正交易讀寫該storage時，只會被要求付100 gas。

這不但可以避免這次EIP2929帶來的副作用，也可以被使用在其他因為gas price 改變的硬分岔升級而壞掉的合約，例如在EIP1184 增加 SLOAD gas price 時影響到的 Aragon 和Kyber 等等。儘管當時升級前各大專案都有幫助用戶提出migration 方案，但如果有人曾經卡錢在裡面，也可以Follow一下這次柏林Hardfork。

小結

新的一年就用一篇簡單的文章來開頭。最近發現自己以前的學習習慣有點亂無章法，所以新年整理了reading list，逼自己做筆記，順便發想一些想要寫的主題。今年的期許就是學更多Ethereum底層一點的知識，當然還有上層一點Defi的知識。也歡迎大家分享一下自己都是怎麼follow這麼多東西的><

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#Facebook #Libra #Celo #穩定幣計畫
【臉書《Libra 天秤幣》競爭者動態：「Celo 繁榮聯盟」會贏在更 #去中心化 的經營結構嗎？】


✍️Celo 生態
就許多層面來看，Celo 的區塊鏈平台與世界第二大的公有鏈以太坊（Ethereum）有幾分相像，同樣使用權益證明（PoS）、智能合約，甚至是打造比擬以太坊虛擬機（EVM）的計算引擎，或是適用於 Celo 區塊鏈平台的會計程序 Celo Gold 等等。

此外，Celo 的代幣生態 —— Celo Gold（cGold）、Celo Dollar（cUSD），都是參照以太坊區塊鏈的 ERC-20 協議生出，這允許後台開發人員與以太坊區塊鏈能建立起互操作性，事實上這在現今的智能合約開發上也是相當常見的作法。

cGold 與 cUSD 在設計上可以進行等價交換，後續 Celo 會持續開發與其他國家法幣掛鉤的穩定幣資產，並同樣提供用戶以 cGold 兌換；在這些資產背後，都將由 Celo 基金會（Celo Foundation）所持有的 cGold、比特幣（BTC）、以太幣（ETH）等資產作為儲備。


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#同場加映
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