📜 [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。

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。

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[爆卦] 學甲爐渣/爐碴 事件懶人包 https://disp.cc/b/163-cNNR 『民間習慣以爐渣稱呼，因為覺得這是廢棄物；但許多官方單位堅持使用爐碴，也許是法規上仍然有再利用的空間，但學甲爐渣事件基本上就是在說爐渣任意傾倒、掩埋的情況。整理了一下目前公開資訊可以得知的事實
FB 討論 - https://www.facebook.com/k.olc.tw/posts/1643314249175365
Medium 討論 - https://medium.com/江明宗-kiang/1511fc61ddf
2015/08/11 - 嘉義縣調查站鎖定學甲大灣段農地進行開挖調查，確認掩埋大量爐渣，當時明祥馨公司共收受 64 萬噸爐渣，蘋果日報記者估計獲利近 2 億餘新台幣
2015/08/16 - 農糧署封存 69 噸稻米，因為可能混有事發農地收割的稻米，確保不會流入市面
2015/?/? - 台南市政府依據違反廢清法開罰 6000 以及區域計畫法開罰 15 萬元
2015/9 - 台南市環保局廢止明祥馨公司再利用身分
2016/10 - 明祥馨公司完成該農地 5 萬 5,000 餘公噸的清運工作
2017/1 - 明祥馨公司停止營運，堆置爐渣 13.5 萬公噸由立德鑫公司承接，承諾每年去化 2.2 萬公噸
2017/5 - 立德鑫公司順利取得再利用身分，承接明祥馨公司所有業務
2019/4/1 - 李新進里長具名檢舉該農地仍埋有爐渣，台南環保局認定已經清運完成未予處理
2020/8/20 - TVBS 記者預告毒渣現形記專題影片，公開指出拍攝過程在現場就被提醒需要注意安全，也輾轉接到「關切」新聞電話
2020/8/22 - 毒渣現形記》調查報導正式上線， ptt 網友 AirJordan 爆料台南市長黃偉哲臉書粉絲頁持續刪除爐渣事件相關言論
2020/8/25 - 台南環保局證實鄰接農地仍有爐渣約 3.3 萬噸，行文要求明祥馨公司在 180 工作天內完成清運工作
2020/9/3 - 時代力量陳椒華立委初次針對事件召開記者會，指出全程興業廠房下方也違法埋有爐渣
2020/9/7 - 台南市環保局依法對明祥馨公司加重裁罰 7 萬 2000 元
2020/9/11 - 時代力量陳椒華立委陪同李新進里長再次召開記者會，揭露學甲興業段多筆工業區土地也埋有爐渣，但 2019/4 向台南市政府檢舉未獲得處理， 2019/11 檢察官與台南市環保局進行會勘時環保局誤導檢察官說「工業區的不要緊」
2020/9/14 - 台南市議會組成學甲區爐碴掩埋案專案調查小組，第 1 次前往現場勘查
2020/9/16 - 民眾黨蔡壁如立委陪同江明宗開記者會，依據公開資料揭露學甲爐渣事件背後的政商關係，指出台南市長黃偉哲、明祥馨負責人郭再欽與民進黨台南黨部主委潘新傳是緊密的利益共同體
2020/9/26 - 時代力量陳椒華立委會同相關單位現勘開挖 3 處學甲工業區土地，相關單位以未獲得土地所有權人同意並未進行正式檢驗，現場透過台南社大以手持設備檢驗有重金屬超標情況

綜合了上面的資訊，可以得知有下面幾個地點

1. 2015 事件場址，已經完成清運，學甲大灣段 1754,1764,1769 農地
2. 2020 事件場址，正在進行清運，學甲大灣段 1746,1747,1748 農地
3. 未確認工業用地，表層再生產品、地底疑似埋有爐渣，學甲興業段 61-1,61-2,61-3 工業地
4. 未確認工業用地，表面即可看到明顯未處理爐渣，學甲興業段 380,381,387,388 工業地
5. 被佔用國有地，上方廠房、地底疑似埋有爐渣，學甲興業段 804-2 工業地

位置分佈可以參考我製作的地圖 - https://tinyurl.com/y4jybbwq

地圖上還可以看到動保園區預定地，目前只是剛完成遷葬的舊公墓土地，跟爐渣事件的關聯都還只是臆測，並未真的跟此次事件有具體連結；不過近期在地居民抗爭時副市長已經出面承諾會進行更多場址評估，但市長卻在這之後希望在地居民先允許施工，未來依據共識再決定是否收容流浪狗，這樣的轉換過程造成在地居民的不信任，加深跟爐渣事件連結的質疑與臆測。

整起事件會獲得關注主要還是李新進里長持續透過各種管道反應問題， ptt 網友 AirJordan 的持續爆料讓網路話題延續，加上明祥馨公司公司負責人郭再欽背後複雜且明顯的政商關係，讓這個事件成為諸多爐渣棄置案中最受矚目的焦點；但不可否認的是，對比其他同時發生的案件，學甲農地爐渣案已經有了些進展，至少農地上的清運工作持續進行中，雖然至今仍然無法清楚明祥馨公司收受 64 萬噸爐渣的全部流向。

這些事件的源頭就是相關法規對於違法棄置的裁罰過於寬鬆，導致從製造到末端的處理都選擇便宜行事，許多再利用廠商早已熟悉法規漏洞成立人頭公司作為防火牆，目前卻仍看不到法規方面有好的進展。學甲爐渣事件雖然沒有直接造成作物污染的證據，但從李新進里長因為種植玉米發育不良進而發現埋有爐渣的過程，我們清楚感受到環保單位現行的 TCLP 檢驗方法離我們對食品安全的期待有很大落差；加上鄰近事件場址的將軍溪一直有底泥重金屬過高的問題，我擔心還有許多未爆彈存在。』

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✔ 接個吻，開一槍
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★插圖：https://www.pixiv.net/member_illust.php?mode=medium&illust_id=63485599
◎繪師：よー清水
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● https://twitter.com/you629

──────────▼歌曲資訊▼──────────
演唱：接個吻，開一槍、劉至佳
作曲：接個吻，開一槍
作詞：接個吻，開一槍/劉思鑒
編曲：接個吻，開一槍
混音：接個吻，開一槍
錄音室：tweak tone labs
錄音師：梁家銀
獨家企劃：網易雲音樂「霓虹歌舞廳」

──────────▼歌詞Lyrics▼──────────

還沒和你好好感受雨季
離開城堡在地圖上飛行
你卻沒說再見就轉身 沉入 海底

怎麼刪除那些照片和你
像海鷗不再眷戀大海裡
再也沒一個理由去 打擾 你

又過了一年我走過海岸邊
熟悉的那情節也只是懷念
越想遺 忘的 臉卻 反覆掛牽
又過了一年走過那條老街
塵封的照片會痛的更熟練
一個人 穿過 時間 到你身邊

還沒和你好好感受雨季
離開城堡在地圖上飛行
你卻沒說再見就轉身 沉入 海底

怎麼刪除那些照片和你
像海鷗不再眷戀大海裡
再也沒一個理由去 打擾 你

又過了一年我走過海岸邊
熟悉的那情節也只是懷念
越想遺 忘的 臉卻 反覆掛牽
又過了一年走過那條老街
塵封的照片會痛的更熟練
一個人 穿過 時間 到你身邊

還沒和你 穿過地平線裡 後視鏡的距離
太多回憶 拆不開的詩句 你留下的軌跡
喔 在地圖上飛行
喔 穿過沙漠見你
又過了一年我走過海岸邊
熟悉的那情節也只是懷念
越想遺 忘的 臉卻 反覆掛牽
又過了一年走過那條老街
塵封的照片會痛的更熟練
一個人 穿過 時間 到你身邊
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