理解區塊鏈中的區塊傳播問題

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缺乏可擴展性被認為是大規模採用區塊鏈技術的最大障礙，現在，所有的區塊鏈項目都在尋找能夠提高其網絡性能的解決方案。許多新興項目聲稱他們有解決這個問題的靈丹妙藥，這是誇大其詞了，很多觀察員和投資者甚至都沒有意識到這個問題的核心和根源。

沒有深入的調查和足夠的技術支持，我們很難確定這背後的瓶頸和利弊權衡。本文，我們將探討阻礙比特幣擴展的公認因素。

在分散式對等網絡比特幣發明後不久，研究人員對決定比特幣規模極限的因素產生了興趣。很快，其核心問題就被確定為區塊傳播時間或區塊傳播延遲。

這是新區塊到達網絡中大多數節點所需要的平均時間。在像比特幣這樣的大型去中心化網絡中，每當產生新塊，都會根據Gossip協議進行信息傳播。如果某個節點佔領了新的有效區塊，它將通知其他連接它的節點。

然後，節點將該區塊傳輸到要求其執行此操作的那些節點。在區塊到達網絡中的每個完整節點之前，它要經過7個中間節點，每個誠實的節點在轉發該區塊給其他對等節點之前都要驗證該區塊。顯然，整個過程需要一段時間。每個新的區塊都會影響網絡，使節點和乙太網以最大功率工作。

有人會說，自從該網絡推出以來，Gossip協議已經有了很多改進。例如，比特幣改進方案BIP0152引入了只在區塊體中傳輸短交易ID的選項，而不是整個交易列表。但如果節點在其內存池中沒有該事務，則必須要求其對等方在單獨的消息中進行傳輸。如果該區塊中有大量此類事務，則BIP 0152的改進將失去意義。

由於數據傳輸是區塊中繼中最耗時的部分，研究人員對確定大小的數據包到達網絡中50％、90％或95％的節點所需的時間感興趣。

結果發現，對於一個大小大於20KB的區塊，區塊傳播延遲時間幾乎和區塊大小成正比。根據2013年發布的研究，該塊中每多出1KB的數據都會導致區塊傳播延遲增加80毫秒。

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自那時起，每年都會有幾篇關於此主題的學術論文和調查，他們更新上述數據並提出各種改進建議。

此外，該網站監測比特幣網絡的當前狀態和區塊傳播時間，它還提供了有關這一主題的歷史數據圖表。大多數成熟的區塊鏈網絡與比特幣有著相同的設計，這些網絡中的區塊傳播時間遵循同樣的規則。

不幸的是，區塊傳播時間對區塊鏈的安全性有很大的影響。在網絡中傳播時間越長，礦工在舊區塊上開採的頻率越高。主鏈的分叉發生得更頻繁，孤立區塊的佔比上升，長的傳播延遲導致了所謂的驗證者困境。

一些節點可能會發現跳過區塊驗證步驟是一個有益的策略。但在這種情況下，他們面臨著在錯誤區塊上開採的風險。然而，如果區塊驗證時間很長，這個策略或許就會有利可圖。研究人員發現，長傳播延遲降低了節點抵消51%攻擊和獨立挖掘的能力。

為了解決上述問題，區塊鏈開發人員經常試圖將區塊傳播時間控制在平均區塊時間的1%以下。

對於比特幣、以太坊和其他基於PoW共識的主要區塊鏈網絡都是如此。因此，比特幣網絡中50%的節點的區塊傳播時間通常低於6秒。

儘管像BIP 0152中所述的那樣，快速區塊中繼減少了平均區塊傳播時間，但在最壞的情況下，它可能比基本協議花費更多的時間。但即使在最壞的情況下，傳播延遲也應該是合理的，這樣礦工才能在大部分時間保持他們的節點同步，並始終驗證提議的區塊。

每當人們談論區塊鏈的可擴展性時，都會提到系統的交易吞吐量。然而，人們忘記了交易吞吐量的提高不應損害網絡的安全性，也不應對希望參與網絡的節點提出數據存儲要求。這些修改可以減少網絡中獨立交易驗證器的數量，從而減少去中心化。

比特幣交易吞吐量可以簡單使用公式計算：

· Bsize是區塊大小(以字節為單位)

· Tsize是區塊中交易記錄的平均大小

· Btime是區塊鏈中連續區塊之間的平均時間

顯然，可以通過增加區塊大小、減少交易記錄大小或減少區塊之間的間隔來增加交易吞吐量。其中，減少交易記錄的大小是比較困難的。

人們也可以嘗試其他兩種選擇。然而，這些操作將增加花費在區塊傳播上的時間，網絡的安全性和分散性可能會因此受到威脅。

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或許有人會注意到，在比特幣協議中，網絡資源的使用效率很低，每個節點只能在很短的時間內處理和傳輸一個新區塊的重要數據。它的網絡帶寬確實很重要，但它被充分使用的時間只有幾秒鐘。

其餘時間，此節點只是傳輸未決交易和輔助數據。這一發現促使研究人員尋找更有效的協議設計，以在不影響網絡安全性和分散性的情況下顯著提高交易吞吐量。

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