比特币可扩展性和区块传播问题

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众所周知，缺乏可扩展性是阻碍大规模采用区块链技术的最大障碍。所有现有的区块链项目都在寻找可以改善其网络性能的解决方案。许多新兴项目声称他们拥有可以解决该问题的神奇子弹。但是，这样的断言并不总是有效的。不幸的是，许多观察家和投资者没有意识到这个问题的核心和根源。没有深入的调查和丰富的技术背景，就很难确定隐藏的瓶颈和权衡取舍。在本文中，我们将讨论一个众所周知的瓶颈，它可以防止比特币扩展.

分散式点对点网络比特币发明不久后，研究人员对决定比特币扩展规模限制的东西产生了兴趣。很快就确定了核心问题，并根据块传播时间或块传播延迟进行了描述.

这是新区块到达网络中大多数节点所需的平均时间。在像比特币这样的大型分散式网络中，每当生成新块时，都会根据八卦协议进行广播。如果某个节点具有新的有效块，它将通知与其连接的节点有关其新拥有权的信息。然后，该节点将该块传送到要求其执行此操作的那些节点。在该块到达网络中的每个完整节点之前，它会通过七个中间节点。重要的是，每个诚实节点都必须先验证该块，然后再将其中继给其他对等节点。显然，整个过程需要一段时间。每个新块都会动摇网络，并使它们之间的节点和以太网连接以最大功率工作.

有人可能会说，自网络启动以来，Gossip协议有了许多改进。例如，比特币改进提案BIP 0152引入了在区块主体中仅传输短交易ID而不是整个交易列表的选项。但是，如果节点在其内存池中没有该事务，则它必须要求其对等方在单独的消息中进行传输。如果该区块中有大量此类交易，则BIP 0152的改进将消失.

由于数据传输是块中继中最耗时的部分，因此研究人员对确定一定大小的数据包到达网络中50％，90％或95％的节点所需的时间感兴趣。发现对于大于20kB的块，块传播延迟几乎与块大小成正比.

根据2013年发布的研究，该块中每多出kB的数据都会导致块传播延迟增加80ms。从那时起，每年都会发表有关该主题的两篇学术论文和调查。他们更新了上述数据并讨论了各种改进建议。此外，该站点还监视比特币网络的当前状态和块传播时间。此外，它还提供有关此主题的历史数据的图表.

大多数完善的区块链网络的设计与比特币相同。结果，这些网络中的块传播时间遵循相同的规则。不幸的是，块传播时间对区块链安全性具有巨大影响。网络中的传播时间越长，矿工越会在旧数据块的顶部进行挖掘。结果，主链的分叉更频繁地发生，并且孤立块的百分比增加。长的传播延迟导致所谓的验证者困境.

一些节点可能会发现跳过块验证步骤可能是一种有利可图的策略。在这种情况下，他们将面临在错误区块顶部进行开采的风险。但是，如果块验证时间很长，则此策略可能会有利可图。研究人员发现，较长的传播延迟会降低节点抵抗51％攻击和自私采矿的能力.

为了解决上述问题，区块链开发人员经常尝试将区块传播时间保持在平均区块时间的1％以下.

对于基于工作量证明共识的比特币，以太坊和其他主要区块链网络而言，这是正确的。因此，到比特币网络中50％的节点的块传播时间通常低于6秒.

尽管像BIP 0152中所述的那样，快速块中继减少了平均块传播时间，但在最坏的情况下，它可能比基本协议花费更多的时间。重要的是，即使在最坏的情况下，传播延迟也应合理，以便矿工在大多数时间保持节点同步，并始终验证提议的区块.

每当人们谈论区块链的可扩展性时，他们都会提及系统的交易吞吐量。但是，人们忘记了交易吞吐量的提高不应损害网络的安全性，也不应提高希望加入网络的节点的数据存储要求。这些修改可以减少网络中独立交易验证器的数量，从而减少分散性.

在哪里

Bsize是块大小（以字节为单位）；

Tsize是块中事务记录的平均大小；

Btime是区块链中连续区块之间的平均时间.

显然，可以通过增加块大小，减小事务记录大小或减小块之间的间隔来增加事务吞吐量。减少交易记录的大小相当困难。一个人可能会尝试另外两个选项。但是，这些操作将增加在块传播上花费的时间百分比。因此，网络的安全性和分散性可能会受到损害.

可能会注意到，在所描述的比特币协议中，网络资源的使用效率低下。每个节点仅在一小部分时间内处理并传输有关新块的重要数据。它的网络带宽确实很重要，但是一次只能使用几秒钟。在其余时间中，此节点仅发送未决事务和辅助数据。这一发现启发了研究人员寻找更有效的协议设计，这些协议设计可以在不损害网络安全性和分散性的前提下，显着提高交易吞吐量。在我们的下一篇文章中，我们将讨论近年来提出的解决块传播问题的方法。.

Vinod Manoharan是一位技术企业家，并且是该公司的创始人兼首席执行官 杰克斯多元化控股, 一家控股公司，其投资组合包括在线游戏公司，支付网关和区块链技术公司。 Manoharan还是其创始人 JAX网络, 乌克兰的一家科技创业公司，专注于区块链技术，更具体地说，解决了臭名昭著的区块链可扩展性难题.

特色图片：Shutterstock / whiteMocca