南京理工大學　金　釗

1　簡介

比特幣的區(qū)塊鏈概念是由中本聰在其2008年10月的論文[1]中所提出的。以往的網(wǎng)絡(luò)支付系統(tǒng)只使用了數(shù)字簽名驗證系統(tǒng)，但此系統(tǒng)仍需要第三方的中心機構(gòu)來提供驗證服務(wù)以防止網(wǎng)絡(luò)上雙重支付情況的出現(xiàn)。而區(qū)塊鏈的出現(xiàn)則解決了這一難題，即將原本由中心化機構(gòu)保管的交易數(shù)據(jù)改成了由整個網(wǎng)絡(luò)各方共同維護的公開透明不可篡改的數(shù)據(jù)庫。而原本互不相識且互不信任的各方則可以通過此系統(tǒng)進行瞬時、無國界、低費率且安全可信的交易。這些特點使得比特幣在過去的幾年里受到了各國網(wǎng)民的熱愛和追捧，另有無數(shù)的海外商家已將其納入正常的支付手段并由此降低交易費用。

2　比特幣區(qū)塊鏈技術(shù)簡介

在比特幣網(wǎng)絡(luò)中，一定數(shù)量的過往交易數(shù)據(jù)文件都會被打包并永久的儲存在各個節(jié)點上，而這樣一個經(jīng)過打包處理過的一組交易數(shù)據(jù)文件的集合就被稱為一個區(qū)塊。每隔大約10分鐘，比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存池（mempool）中未確認的交易就會被礦工打包形成新的區(qū)塊，并將其加入到原區(qū)塊鏈的末端。

一個區(qū)塊一般由五個部分組成，即常數(shù)（Magic no），區(qū)塊大小，區(qū)塊頭（blockheader），交易數(shù)量以及其所包含的交易。而區(qū)塊頭中則包含了此區(qū)塊的根節(jié)點的Hash值（HashMerkleRoot）和前一區(qū)塊的Hash值。而這前一區(qū)塊的Hash值便是區(qū)塊鏈形成的關(guān)鍵。

由于每個區(qū)塊必須包含前一區(qū)塊的Hash值，這使得最新添加的區(qū)塊可以由此一直追述到創(chuàng)世塊（比特幣網(wǎng)絡(luò)上的第一個區(qū)塊）。而一個區(qū)塊內(nèi)的所有交易和前一區(qū)塊的Hash值則是通過Merkle根節(jié)點的方式被散列而得到最終的Hash值。所以如果有人試圖篡改比特幣區(qū)塊鏈中的某一區(qū)塊的交易，則其之后的所有區(qū)塊都將會改變。所以這些特性使得比特幣區(qū)塊鏈解決了雙重支付和交易的可信性問題。

3　比特幣區(qū)塊鏈區(qū)塊大小限制由來

在最原始的比特幣客戶端中，其并沒有區(qū)塊大小上限的限制，只是由于比特幣區(qū)塊協(xié)議消息字節(jié)大小的限制，而被約束到了32MB。

然而, 在2010年7月由于當時比特幣的交易費用幾乎為零，這使得惡意攻擊者可以在比特幣網(wǎng)絡(luò)上生成無數(shù)的交易信息，從而使比特幣網(wǎng)絡(luò)難以確認有用的交易數(shù)據(jù)，甚至陷入癱瘓。并且由于當時唯一的比特幣客戶端-比特幣核心，需要同步整個區(qū)塊鏈的所有信息才能使用。于是比特幣的發(fā)明者中本聰零時引入了一個1MB的區(qū)塊大小 限制作為一個反制措施。三個月后，中本聰在通信郵件中表明，如果實際交易數(shù)據(jù)增加，可以通過逐步調(diào)整區(qū)塊大小限制來增加其網(wǎng)絡(luò)處理能力。另外正如其早在2008年的郵件中所說，比特幣網(wǎng)絡(luò)可以很輕松的擴容到與Visa信用卡相當?shù)奶幚砟芰2]。

然而由于中本聰在2010年末的退出，以及比特幣核心技術(shù)團隊人員在2013年后對此限制的態(tài)度轉(zhuǎn)變，使得原本暫時的1MB的區(qū)塊大小限制，慢慢變成了難以變動的固定限制和多方爭論的焦點。

4　比特幣現(xiàn)金分叉背景

由于比特幣網(wǎng)絡(luò)交易需求的逐步上升，在2017年初，比特幣區(qū)塊平均大小達到了其1MB的上限。正如許多反對1MB限制的比特幣開發(fā)團隊人員所預(yù)測的，這所導(dǎo)致的結(jié)果便是直線上升的平均網(wǎng)絡(luò)交易費用和不斷增加的交易延遲。

在2017年7月，反對提升區(qū)塊大小的技術(shù)團隊 (根據(jù)2017年6月“紐約大會” 結(jié)果，原計劃為先加入隔離見證，再將區(qū)塊大小上限升到2MB，但后來由于反對提升區(qū)塊大小的技術(shù)團隊的堅決抵制，最終導(dǎo)致2MB升容計劃被放棄) 準備在8月1號進行一次軟分叉(User-Activated Soft Fork) 來加入隔離見證技術(shù)，將用戶的數(shù)字簽名信息從原區(qū)塊中去除，以此減少區(qū)塊中的交易信息數(shù)據(jù)大小，從而達到擴容的目的。然而反對的一方則指出這種方法最多只能將交易容量擴大為原來的1.7倍，而去除用戶數(shù)字簽名所帶來的安全隱患則是不可接受的。

于是在2017年8月1號, 相當一部分的原比特幣技術(shù)團隊 (Bitcoin ABC, Bitcoin XT & Bitcoin Unlimited) 啟動了硬分叉，從而從原比特幣網(wǎng)絡(luò)中分離了出來，并將此區(qū)塊鏈稱為比特幣現(xiàn)金 (BCH)。這條分離出來的區(qū)塊鏈則選用了直接而簡單的鏈上擴容方案，即直接將原來1MB的區(qū)塊大小更改為了8MB，并加入了新的難度調(diào)整機制EDA (現(xiàn)為DAA) 來更好的應(yīng)對算力的大幅波動。

5　比特幣現(xiàn)金鏈上擴容方案

相比于原比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)所奉行的完全的鏈下擴容方案 (隔離見證，閃電網(wǎng)絡(luò)等), 比特幣現(xiàn)金則更加傾向于更加開放而簡單的鏈上擴容方案。 以下便是對這幾種鏈上擴容方案的簡介、分析和討論。

5.1　可自由調(diào)整的區(qū)塊大小限制

在比特幣現(xiàn)金分叉啟動時，其相應(yīng)的各個客戶端技術(shù)團隊便將節(jié)點中1 MB 的區(qū)塊大小限制刪除，并將現(xiàn)有的區(qū)塊大小上限暫時定為8MB，并且將于今年五月約定的硬叉協(xié)議升級中將此上限再次調(diào)升至32MB，以此來適應(yīng)不斷增長的網(wǎng)絡(luò)交易的數(shù)據(jù)存儲需求。而致力于比特幣現(xiàn)金擴容的比特幣無限團隊 (Bitcoin Unlimited) 更是提出了無固定限制的可自由調(diào)整的區(qū)塊大小協(xié)議，即將客戶端中的區(qū)塊大小限制完全取消，實際區(qū)塊大小將由市場需求和礦工實際打包的區(qū)塊大小決定。這樣的擴容方案可以使得比特幣現(xiàn)金網(wǎng)絡(luò)能夠在可預(yù)見的未來里一直提供足夠的數(shù)據(jù)儲存空間，并保持其源代碼的簡單可靠，由此減少因復(fù)雜擴容技術(shù)方案可能帶來的漏洞和風險。

另外最近由哥倫比亞大學的Suisani等人[3]進行了一次全球性的1GB區(qū)塊大小的傳輸實驗來調(diào)查包含大量交易數(shù)據(jù)的區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)傳輸中可能遇到的技術(shù)瓶頸。在此測試中當交易量達到100/s時，其遇到了第一個瓶頸，原因則是原客戶端只利用了單線程CPU來接受交易數(shù)據(jù)，在簡單修改了客戶端代碼后便解決了此瓶頸。而在繼續(xù)的測試中，當交易量達到500/s時其遇到了由區(qū)塊傳輸時間接近10分鐘所導(dǎo)致的第二個瓶頸，測試組在利用極限薄塊技術(shù)減少區(qū)塊傳輸時間后，便解決了這第二個瓶頸。所以這此實驗從根本上證明了包含大量數(shù)據(jù)的區(qū)塊在開放網(wǎng)絡(luò)上傳播的可行性，而其所遇到的技術(shù)瓶頸都可以通過簡單的協(xié)議代碼改變而得到解決，無需網(wǎng)絡(luò)硬件上的升級。

5.2　極限薄塊 (Xthin Block)

原比特幣核心客戶端有一段低效的代碼導(dǎo)致同一交易往往會被每一個節(jié)點接受兩次，其中一次是在接受用戶對節(jié)點廣播的交易，另一次是在接受由礦工發(fā)現(xiàn)的一個包含已確認交易記錄的區(qū)塊。

而極限薄塊則并不是接受礦工所發(fā)現(xiàn)區(qū)塊的全部信息，相反其使用了一個節(jié)點內(nèi)存鏡像布魯姆過濾器，節(jié)點可以通過此來獲取區(qū)塊所包含交易的Hash值，從而可以在本地利用已接受的未確認交易數(shù)據(jù)重新組建區(qū)塊，這樣便可以大大減少接受新區(qū)塊的數(shù)據(jù)量。在另一不太可能的情況下，如果節(jié)點無法重新組建區(qū)塊，其還可以請求下載所缺失的交易數(shù)據(jù)從而完成區(qū)塊重建。

經(jīng)過實際網(wǎng)絡(luò)測試證明，極限薄塊可以將區(qū)塊傳播所需的字節(jié)數(shù)變?yōu)樵瓉淼?4分之一，并可以使得原來區(qū)塊的網(wǎng)絡(luò)傳播速度增快5.6倍。

5.3　石墨烯塊傳播技術(shù)

在2017年斯坦福比特幣技術(shù)大會上，Levine等人提出了一個石墨烯塊傳播技術(shù) (Graphene Technology), 并宣稱能夠達到比極限薄塊還要快10倍的網(wǎng)絡(luò)傳播速度。

Levine等人在此會議上展示了此技術(shù)的相關(guān)初步測試結(jié)果，他們展示了將一個17.5kb的極限薄塊利用石墨烯塊技術(shù)編碼壓縮到2.6kb。

石墨烯塊的編碼技術(shù)使用了一個新的布魯姆過濾器和布魯姆可逆查找表 (IBLTs) 的互動組合，來減少區(qū)塊傳輸?shù)膸捪摹?/p>

目前，一些簡化了付款驗證(SPV)的錢包已經(jīng)利用了此過濾技術(shù)，而布魯姆逆查找表(IBLTs)將比布魯姆過濾器更復(fù)雜一些，但其也設(shè)置了數(shù)據(jù)重構(gòu)的途徑。由于這兩種方法的組合，石墨烯塊技術(shù)不會發(fā)送一個區(qū)塊所有交易數(shù)據(jù)的ID列表，而是將只攜帶一個小的布魯姆過濾器和布魯姆逆查找表。此技術(shù)將比在目前使用的區(qū)塊傳輸協(xié)議要高效10倍。

Levine等人還在此會議上闡述了此技術(shù)的一個缺點，即石墨烯塊的壓縮編碼的大小將隨著未確認交易內(nèi)存池的大小的增大而增大。但即使如此，此編碼技術(shù)也依然遠比現(xiàn)行傳輸協(xié)議要高效的多。

5.4　并行驗證

在現(xiàn)行的比特幣客戶端中, 當一個節(jié)點接收到一個新的區(qū)塊時,它基本上會處于凍結(jié)狀態(tài), 直到它解決了是否接受或拒絕該新區(qū)塊的問題。在此驗證過程中, 該節(jié)點既不會傳輸新的交易數(shù)據(jù), 也不會嘗試驗證與此區(qū)塊相競爭的區(qū)塊。

而這一漏洞則有可能被惡意分子利用，即通過挖出一個需要極長時間才能驗證的區(qū)塊來暫時凍結(jié)整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

而由比特幣無限團隊所提出的并行驗證技術(shù)可以使得節(jié)點同時驗證多個區(qū)塊，還可以同時接受并傳播新的交易數(shù)據(jù)。

在加入并行驗證技術(shù)后，驗證較快的區(qū)塊將贏得與驗證緩慢區(qū)塊之間的競爭，如果此項技術(shù)的得到廣泛的應(yīng)用，將大大減少由于驗證緩慢的區(qū)塊所導(dǎo)致的孤立區(qū)塊的出現(xiàn)，并可以減少由此所導(dǎo)致的損失。

而這項技術(shù)不僅彌補了原客戶端的漏洞，還提高了比特幣(現(xiàn)金)網(wǎng)絡(luò)的交易處理性能。

6　對于鏈上擴容的爭議分析

根據(jù)最原始的中本聰?shù)谋忍貛虐灼鳾1]，其區(qū)塊鏈的代碼是應(yīng)由驗證交易的CPU來決定，即一CPU一票制，而現(xiàn)在比特幣的的挖礦設(shè)備早已從CPU變?yōu)榱藢Ｓ玫腁SICs礦機，小型的單獨挖礦變成了大型的礦池。但是這其中基本的網(wǎng)絡(luò)機制并未發(fā)生變化，只有被一定量算力支持的節(jié)點才能是有效的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，才能起到驗證區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)真?zhèn)蔚淖饔?。而個人建立的無算力節(jié)點對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)安全并沒有起到幫助作用 (正如惡意攻擊者可以在很短的時間內(nèi)通過云端服務(wù)器建立起大量的無算力虛假節(jié)點)。另外現(xiàn)在的小型算力中心一般都將其算力接入礦池來獲得更加穩(wěn)定的收入，幾乎所有通過算力驗證 (POW) 的區(qū)塊鏈都有類似的趨勢，但由于地區(qū)帶寬和能源分布等因素，礦池在世界范圍內(nèi)也還是相對分散的。所以只要礦池運行者們擁有足夠的帶寬和儲存設(shè)備便可以保證整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的通暢運行。

所以如文章[4]中，通過對世界所有網(wǎng)絡(luò)用戶的平均帶寬進行簡單分析便斷定比特幣區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)不能夠支持大于4MB區(qū)塊的結(jié)論顯然是不成立的。而實際比特幣現(xiàn)金區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)運行的數(shù)據(jù)也證實了這一點，從2018年1月14號到15號期間，在297個區(qū)塊中有129個區(qū)塊達到了 8MB的區(qū)塊上限，共有236個區(qū)塊超過了1MB。在此期間，比特幣現(xiàn)金網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點運行正常，沒有出現(xiàn)孤立的區(qū)塊，也沒有出現(xiàn)任何區(qū)塊數(shù)據(jù)同步問題，所有正常的交易依舊能以極低的費用在1到2個區(qū)塊的時間內(nèi)被確認。

7　結(jié)論

近年來公共區(qū)塊鏈的擴容問題一直是計算機科學界所探討的焦點，而在這一領(lǐng)域所提出的算法和新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是日新月異，并時常走在了整個現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的最前沿。本文就比特幣現(xiàn)金這一公共區(qū)塊鏈的鏈上擴容技術(shù)做出了簡要的闡述和分析，表明了區(qū)塊鏈鏈上擴容的可行性。當然這一領(lǐng)域的創(chuàng)新速度往往超乎人們的想象，也許當本文刊登之時又會有更新更好的擴容方案被提出。

[1]Nakamoto S.Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System[OL].(2008/10/31)http://nakamotoinstitute.org/bitcoin/.

[2]Nakamoto S.(2008)Re:Bitcoin P2P e-cash paper[OL].https://www.mail-archive.com/cryptography%40metzdowd.com/msg09964.html.

[3]Andrea Suisani,Andrew C,Andrew S & Erik B.Measuring maximum sustained transaction.,2017,Bitcoin Unlimited,University of British Columbia, nChain. [OL].https://bitco.in/forum/threads/buip065-gigablock-testnet-initiative.2610/.

[4]喻輝,張宗洋,劉建偉.比特幣區(qū)塊鏈擴容技術(shù)研究[J].計算機研究與發(fā)展,2017,54(10):2390-2403.