Vitalik：區塊鏈可擴展性的限制

文章來源：ETH中文站

稿源 | vitalik.ca

作者 | Vitalik Buterin

感謝Felix Lange, Martin Swende, Marius van der Wijden 和 Mark Tyneway的反饋和校對。

我們能將區塊鏈的可擴展性提升到多少？是否真的能像 Elon Musk 所說的那樣“區塊時間加速十倍，區塊大小增長十倍並且手續費降低一百倍”，而不會導致極度中心化並違背區塊鏈的本質屬性？如果答案是否定的，那我們能達到什麼程度？改變公式算法會怎樣？更重要的是，如果引入類似 ZK-SNARK 或分片的功能會怎樣？一個分片型的區塊鏈在理論上能夠不斷添加分片，那麼是否真的可以這麼做呢？

事實證明，無論是否使用分片，都有重要且非常微妙的技術因素限制了區塊鏈的可擴展性。許多情況都有解決方案，但是即使有了解決方案，也存在局限性。這篇文章將探討其中的許多問題。

如果只是簡單地拔高參數，問題似乎就能得到解決。但是我們會因此付出什麼代價？

普通用戶能夠運行節點對於區塊鏈的去中心化至關重要

想象一下凌晨兩點多，你接到了一個緊急呼叫，來自世界另一端幫你運行礦池 (質押池) 的人。從大約 14 分鐘前開始，你的池子和其他幾個人從鏈中分離了出來，而網絡仍然維持着 79% 的算力。根據你的節點，多數鏈的區塊是無效的。這時出現了餘額錯誤：區塊似乎錯誤地將 450 萬枚額外代幣分配給了一個未知地址。

一小時后，你和其他兩個同樣遭遇意外的小礦池參與者、一些區塊瀏覽器和交易所方在一個聊天室中，看見有人貼出了一條推特的鏈接，開頭寫着“宣布新的鏈上可持續協議開發基金”。

到了早上，相關討論廣泛散布在推特以及一個不審查內容的社區論壇上。但那時 450 萬枚代幣中的很大一部分已經在鏈上轉換為其他資產，並且進行了數十億美元的 defi 交易。79％的共識節點，以及所有主要的區塊鏈瀏覽器和輕錢包的端點都遵循了這條新鏈。也許新的開發者基金將為某些開發提供資金，或者也許所有這些都被領先的礦池、交易所及其裙帶所吞併。但是無論結果如何，該基金實際上都成為了既成事實，普通用戶無法反抗。

或許還有這麼一部主題電影。或許會由 MolochDAO 或其他組織進行資助。

這種情形會發生在你的區塊鏈中嗎？你所在區塊鏈社區的精英，包括礦池、區塊瀏覽器和託管節點，可能協調得很好，他們很可能都在同一個 telegram 頻道和微信群中。如果他們真的想出於利益突然對協議規則進行修改，那麼他們可能具備這種能力。以太坊區塊鏈在十小時內完全解決了共識失敗，如果是只有一個客戶端實現的區塊鏈，並且只需要將代碼更改部署到幾十個節點，那麼可以更快地協調客戶端代碼的更改。能夠抵禦這種社會性協作攻擊的唯一可靠方式是“被動防禦”，而這種力量來自去一個中心化的群體：用戶。

想象一下，如果用戶運行區塊鏈的驗證節點 (無論是直接驗證還是其他間接技術)，並自動拒絕違反協議規則的區塊，即使超過 90% 的礦工或質押者支持這些區塊，故事會如何發展。

如果每個用戶都運行一個驗證節點，那麼攻擊很快就會失敗：有些礦池和交易所會進行分叉，並且在整個過程中看起來很愚蠢。但是即使只有一些用戶運行驗證節點，攻擊者也無法大獲全勝。相反，攻擊會導致混亂，不同用戶會看到不同的區塊鏈版本。最壞情況下，隨之而來的市場恐慌和可能持續的鏈分叉將大幅減少攻擊者的利潤。對如此曠日持久的衝突進行應對的想法本身就可以阻止大多數攻擊。

Hasu 關於這一點的看法：

“我們要明確一件事，我們之所以能夠抵禦惡意的協議更改，是因為擁有用戶驗證區塊鏈的文化，而不是因為 PoW 或 PoS。”

假設你的社區有 37 個節點運行者，以及 80000 名被動監聽者，對簽名和區塊頭進行檢查，那麼攻擊者就獲勝了。如果每個人都運行節點的話，攻擊者就會失敗。我們不清楚針對協同攻擊的啟動群體免疫的確切閾值是多少，但有一點是絕對清楚的：好的節點越多，惡意的節點就越少，而且我們所需的數量肯定不止於幾百幾千個。

那麼全節點工作的上限是什麼？

為了使得有儘可能多的用戶能夠運行全節點，我們會將注意力集中在普通消費級硬件上。即使能夠輕鬆購買到專用硬件，這能夠降低一些全節點的門檻，但事實上對可擴展性的提升並不如我們想象的那般。

全節點處理大量交易的能力主要受限於三個方面：

• 算力：在保證安全的前提下，我們能劃分多少 CPU 來運行節點？
• 帶寬：基於當前的網絡連接，一個區塊能包含多少字節？
• 存儲：我們能要求用戶使用多大的空間來進行存儲？此外，其讀取速度應該達到多少？(即，HDD 足夠嗎？還是說我們需要 SSD？)

許多使用“簡單”技術對區塊鏈進行大幅擴容的錯誤看法都源自於對這些數字過於樂觀的估計。我們可以依次來討論這三個因素：

算力

• 錯誤答案：100% 的 CPU 應該用於區塊驗證
• 正確答案：約 5-10% 的 CPU 可以用於區塊驗證

限制之所以這麼低的四個主要原因如下：

• 我們需要一個安全邊界來覆蓋 DoS 攻擊的可能性 (攻擊者利用代碼弱點製造的交易需要比常規交易更長的處理時間)
• 節點需要在離線之後能夠與區塊鏈同步。如果我掉線一分鐘，那我應該要能夠在幾秒鐘之內完成同步
• 運行節點不應該很快地耗盡電池，也不應該拖慢其他應用的運行速度
• 節點也有其他非區塊生產的工作要進行，大多數是驗證以及對 p2p 網絡中輸入的交易和請求做出響應

請注意，直到最近大多數針對“為什麼只需要 5-10%？”這一點的解釋都側重於另一個不同的問題：因為 PoW 出塊時間不定，驗證區塊需要很長時間，會增加同時創建多個區塊的風險。這個問題有很多修復方法，例如 Bitcoin NG，或使用 PoS 權益證明。但這些並沒有解決其他四個問題，因此它們並沒有如許多人所料在可擴展性方面獲得巨大進展。

并行性也不是靈丹妙藥。通常，即使是看似單線程區塊鏈的客戶端也已經并行化了：簽名可以由一個線程驗證，而執行由其他線程完成，並且有一個單獨的線程在後台處理交易池邏輯。而且所有線程的使用率越接近 100%，運行節點的能源消耗就越多，針對 DoS 的安全係數就越低。

帶寬

• 錯誤答案：如果沒 2-3 秒都產生 10 MB 的區塊，那麼大多數用戶的網絡都大於 10 MB/秒，他們當然都能處理這些區塊
• 正確答案：或許我們能在每 12 秒處理 1-5 MB 的區塊，但這依然很難

如今，我們經常聽到關於互聯網連接可以提供多少帶寬的廣為傳播的統計數據：100 Mbps 甚至 1 Gbps 的數字很常見。但是由於以下幾個原因，宣稱的帶寬與預期實際帶寬之間存在很大差異：

1. “Mbps”是指“每秒數百萬 bits”；一個 bit 是一個字節的 1/8，因此我們需要將宣稱的 bit 數除以 8 以獲得字節數。
2. 網絡運營商，就像其他公司一樣，經常編造謊言。
3. 總是有多個應用使用同一個網絡連接，所以節點無法獨佔整個帶寬。
4. P2P 網絡不可避免地會引入開銷：節點通常最終會多次下載和重新上傳同一個塊 (更不用說交易在被打包進區塊之前還要通過 mempool 進行廣播)。

當 Starkware 在 2019 年進行一項實驗時，他們在交易數據 gas 成本降低后首次發布了 500 kB 的區塊，一些節點實際上無法處理這種大小的區塊。處理大區塊的能力已經並將持續得到改善。但是無論我們做什麼，我們仍然無法獲取以 MB/秒為單位的平均帶寬，說服自己我們可以接受 1 秒的延遲，並且有能力處理那種大小的區塊。

存儲

• 錯誤答案：10 TB
• 正確答案：512 GB

正如大家可能猜到的，這裡的主要論點與其他地方相同：理論與實踐之間的差異。理論上，我們可以在亞馬遜上購買 8 TB 固態驅動 (確實需要 SSD 或 NVME；HDD 對於區塊鏈狀態存儲來說太慢了)。實際上，我用來寫這篇博文的筆記本電腦有 512 GB，如果你讓人們去購買硬件，許多人就會變得懶惰 (或者他們無法負擔 800 美元的 8 TB SSD) 並使用中心化服務。即使可以將區塊鏈裝到某個存儲設備上，大量活動也可以快速地耗盡磁盤並迫使你購入新磁盤。

一群區塊鏈協議研究員對每個人的磁盤空間進行了調查。我知道樣本量很小，但仍然…

此外，存儲大小決定了新節點能夠上線並開始參與網絡所需的時間。現有節點必須存儲的任何數據都是新節點必須下載的數據。這個初始同步時間 (和帶寬) 也是用戶能夠運行節點的主要障礙。在寫這篇博文時，同步一個新的 geth 節點花了我大約 15 個小時。如果以太坊的使用量增加 10 倍，那麼同步一個新的 geth 節點將至少需要一周時間，而且更有可能導致節點的互聯網連接受到限制。這在攻擊期間更為重要，當用戶之前未運行節點時對攻擊做出成功響應需要用戶啟用新節點。

交互效應

此外，這三類成本之間存在交互效應。由於數據庫在內部使用樹結構來存儲和檢索數據，因此從數據庫中獲取數據的成本隨着數據庫大小的對數而增加。事實上，因為頂級 (或前幾級) 可以緩存在 RAM 中，所以磁盤訪問成本與數據庫大小成正比，是 RAM 中緩存數據大小的倍數。

不要從字面上理解這個圖，不同的數據庫以不同的方式工作，通常內存中的部分只是一個單獨 (但很大) 的層 (參見 leveldb 中使用的 LSM 樹)。但基本原理是一樣的。

例如，如果緩存為 4 GB，並且我們假設數據庫的每一層比上一層大 4 倍，那麼以太坊當前的 ~64 GB 狀態將需要 ~2 次訪問。但是如果狀態大小增加 4 倍到 ~256 GB，那麼這將增加到 ~3 次訪問。因此，gas 上限增加 4 倍實際上可以轉化為區塊驗證時間增加約 6 倍。這種影響可能會更大：硬盤在已滿狀態下比空閑時需要花更長時間來讀寫。

這對以太坊來說意味着什麼？

現在在以太坊區塊鏈中，運行一個節點對許多用戶來說已經是一項挑戰，儘管至少使用常規硬件仍然是可能的 (我寫這篇文章時剛剛在我的筆記本電腦上同步了一個節點！)。因此，我們即將遭遇瓶頸。核心開發者最關心的問題是存儲大小。因此，目前在解決計算和數據瓶頸方面的巨大努力，甚至對共識算法的改變，都不太可能帶來 gas limit 的大幅提升。即使解決了以太坊最大的 DoS 弱點，也只能將 gas limit 提高 20%。

對於存儲大小的問題，唯一解決方案是無狀態和狀態逾期。無狀態使得節點群能夠在不維護永久存儲的情況下進行驗證。狀態逾期會使最近未訪問過的狀態失活，用戶需要手動提供證明來更新。這兩條路徑已經研究了很長時間，並且已經開始了關於無狀態的概念驗證實現。這兩項改進相結合可以大大緩解這些擔憂，並為顯著提升 gas limit 開闢空間。但即使在實施無狀態和狀態逾期之後，gas limit 也可能只會安全地提升約 3 倍，直到其他限制開始發揮作用。

另一個可能的中期解決方案使使用 ZK-SNARKs 來驗證交易。ZK-SNARKs 能夠保證普通用戶無需個人存儲狀態或是驗證區塊，即使他們仍然需要下載區塊中的所有數據來抵禦數據不可用攻擊。另外，即使攻擊者不能強行提交無效區塊，但是如果運行一個共識節點的難度過高，依然會有協調審查攻擊的風險。因此，ZK-SNARKs 不能無限地提升節點能力，但是仍然能夠對其進行大幅提升 (或許是 1-2 個數量級)。一些區塊鏈在 layer1 上探索該形式，以太坊則通過 layer2 協議 (也叫 ZK rollups) 來獲益，例如 zksync, Loopring 和 Starknet。

分片之後又會如何？

分片從根本上解決了上述限制，因為它將區塊鏈上包含的數據與單個節點需要處理和存儲的數據解耦了。節點驗證區塊不是通過親自下載和執行，而是使用先進的數學和密碼學技術來間接驗證區塊。

因此，分片區塊鏈可以安全地擁有非分片區塊鏈無法實現的非常高水平的吞吐量。這確實需要大量的密碼學技術來有效替代樸素完整驗證，以拒絕無效區塊，但這是可以做到的：該理論已經具備了基礎，並且基於草案規範的概念驗證已經在進行中。

以太坊計劃採用二次方分片 (quadratic sharding)，其中總可擴展性受到以下事實的限制：節點必須能夠同時處理單個分片和信標鏈，而信標鏈必須為每個分片執行一些固定的管理工作。如果分片太大，節點就不能再處理單個分片，如果分片太多，節點就不能再處理信標鏈。這兩個約束的乘積構成了上限。

可以想象，通過三次方分片甚至指數分片，我們可以走得更遠。在這樣的設計中，數據可用性採樣肯定會變得更加複雜，但這是可以實現的。但以太坊並沒有超越二次方，原因在於，從交易分片到交易分片的分片所獲得的額外可擴展性收益實際上無法在其他風險程度可接受的前提下實現。

那麼這些風險是什麼呢？

最低用戶數量

可以想象，只要有一個用戶願意參與，非分片區塊鏈就可以運行。但分片區塊鏈並非如此：單個節點無法處理整條鏈，因此需要足夠的節點以共同處理區塊鏈。如果每個節點可以處理 50 TPS，而鏈可以處理 10000 TPS，那麼鏈至少需要 200 個節點才能存續。如果鏈在任何時候都少於 200 個節點，那可能會出現節點無法再保持同步，或者節點停止檢測無效區塊，或者還可能會發生許多其他壞事，具體取決於節點軟件的設置。

在實踐中，由於需要冗餘 (包括數據可用性採樣)，安全的最低數量比簡單的“鏈 TPS 除以節點 TPS”高几倍，對於上面的例子，我們將其設置位 1000 個節點。

如果分片區塊鏈的容量增加 10 倍，則最低用戶數也增加 10 倍。現在大家可能會問：為什麼我們不從較低的容量開始，當用戶很多時再增加，因為這是我們的實際需要，用戶數量回落再降低容量？

這裡有幾個問題：

1. 區塊鏈本身無法可靠地檢測到其上有多少唯一用戶，因此需要某種治理來檢測和設置分片數量。對容量限制的治理很容易成為分裂和衝突的根源。
2. 如果許多用戶突然同時意外掉線怎麼辦？
3. 增加啟動分叉所需的最低用戶數量，使得防禦惡意控制更加艱難。

最低用戶數為 1,000，這幾乎可以說是沒問題的。另一方面，最低用戶數設為 100 萬，這肯定是不行。即使最低用戶數為 10,000 也可以說開始變得有風險。因此，似乎很難證明超過幾百個分片的分片區塊鏈是合理的。

歷史可檢索性

用戶真正珍視的區塊鏈重要屬性是永久性。當公司破產或是維護該生態系統不再產生利益時，存儲在服務器上的數字資產將在 10 年內不再存在。而以太坊上的 NFT 是永久的。

是的，到 2372 年人們仍能夠下載並查閱你的加密貓。

但是一旦區塊鏈的容量過高，存儲所有這些數據就會變得更加困難，直到某時出現巨大風險，某些歷史數據最終將……沒人存儲。

要量化這種風險很容易。以區塊鏈的數據容量 (MB/sec) 為單位，乘以 ~30 得到每年存儲的數據量 (TB)。當前的分片計劃的數據容量約為 1.3 MB/秒，因此約為 40 TB/年。如果增加 10 倍，則為 400 TB/年。如果我們不僅希望可以訪問數據，而且是以一種便捷的方式，我們還需要元數據 (例如解壓縮匯總交易)，因此每年達到 4 PB，或十年後達到 40 PB。Internet Archive (互聯網檔案館) 使用 50 PB。所以這可以說是分片區塊鏈的安全大小上限。

因此，看起來在這兩個維度上，以太坊分片設計實際上已經非常接近合理的最大安全值。常數可以增加一點，但不能增加太多。

結語

嘗試擴容區塊鏈的方法有兩種：基礎的技術改進和簡單地提升參數。首先，提升參數聽起來很有吸引力：如果您是在餐紙上進行數學運算，這就很容易讓自己相信消費級筆記本電腦每秒可以處理數千筆交易，不需要 ZK-SNARK、rollups 或分片。不幸的是，有很多微妙的理由可以解釋為什麼這種方法是有根本缺陷的。

運行區塊鏈節點的計算機無法使用 100％的 CPU 來驗證區塊鏈；他們需要很大的安全邊際來抵抗意外的 DoS 攻擊，他們需要備用容量來執行諸如在內存池中處理交易之類的任務，並且用戶不希望在計算機上運行節點的時候無法同時用於任何其他應用。帶寬也會受限：10 MB/s 的連接並不意味着每秒可以處理 10 MB 的區塊！也許每 12 秒才能處理 1-5 MB 的塊。存儲也是一樣，提高運行節點的硬件要求並且限制專門的節點運行者並不是解決方案。對於去中心化的區塊鏈而言，普通用戶能夠運行節點並形成一種文化，即運行節點是一種普遍行為，這一點至關重要。

然而，基礎的技術改進是可行的。當前，以太坊的主要瓶頸是存儲大小，而無狀態性和狀態逾期可以解決該問題，並使其能夠最多增長約 3 倍，但不能再多，因為我們希望運行節點比當前更容易。採用分片的區塊鏈可以進一步擴展，因為分片區塊鏈中的單個節點不需要處理每筆交易。但即使是分片區塊鏈，容量也有局限性：隨着容量的增加，最低安全用戶數增加，歸檔區塊鏈的成本 (以及如果沒有人歸檔鏈，數據存在丟失的風險) 就會上升。但是我們不必過於擔心：這些限制足以我們在保證區塊鏈完全安全性的同時每秒處理一百萬筆交易以上。但是要在不損害區塊鏈最寶貴的去中心化特性的前提下實現這一點，我們需要付出更多努力。

原文鏈接：https://vitalik.ca/general/2021/05/23/scaling.html