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面向比特币的区块链扩容: 关键技术, 制约因素与衍生问题
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面向比特币的区块链扩容: 关键技术, 制约因素与衍生问题
曾帅, 袁勇, 倪晓春, 王飞跃
【摘要】 比特币是一种利用区块链技术的点对点记账系统.随着比特币的发展，现有的比特币系统架构已经不能满足日益增长的交易需求，亟需扩容以寻求长期发展.比特币是以人为核心的复杂社会经济系统，比特币扩容是涉及多方利益的复杂问题，引起了业界与学术界的广泛关注.本文提出了一个比特币系统扩容问题的研究框架，包括关键技术，制约因素与衍生问题三部分，以深入探讨和研究比特币扩容问题.在该研究框架下，首先介绍链上和链下两类扩容关键技术及发展现状；其次从网络负载和节点瓶颈两方面，总结制约比特币扩容方案的宏观与微观因素；最后，探讨两类衍生问题：从系统安全性的角度，探讨比特币扩容可能引发的安全问题及解决策略；从币值、交易费与矿工收益等方面，阐述比特币扩容涉及的经济问题.
【关键词】 区块链 比特币 扩容 隔离见证 闪电网络
引用格式 曾帅, 袁勇, 倪晓春, 王飞跃. 面向比特币的区块链扩容:关键技术, 制约因素与衍生问题[J]. 自动化学报, 2019, 45(6): 1015-1030.
Scaling Blockchain Towards Bitcoin: Key Technologies, Constraints and Related Issues
ZENG Shuai, YUAN Yong, NI Xiao-Chun, WANG Fei-Yue
Abstract Bitcoin is a peer-to-peer ledger system based on the blockchain technology. With the development of Bitcoin, the existing Bitcoin system architecture can no longer meet the demand of the increasingly large volume of transactions, so that Bitcoin scalability becomes one of the most important problems to solve in Bitcoin-related systems today. The Bitcoin system is a complex human-centered socio-economic system, and the Bitcoin scalability problem is a complex problem involving multi-party interests, which has attracted increasing attention of both industries and academia. This paper presents a research framework for the Bitcoin scalability problem, including the key technologies, constraints and related issues, in order to help explore and study the Bitcoin scalability problem. Under the framework, we first introduce two kinds of key technologies and their current developments. Secondly, we summarize factors that restrict the Bitcoin scalability from the aspects of network load and node performance. Finally, we explore the related security issues and economic issues involved in the Bitcoin scalability.
Key words Blockchain Bitcoin scalability segregated witness lightning network
Citation Zeng Shuai, Yuan Yong, Ni Xiao-Chun, Wang Fei-Yue. Scaling Blockchain Towards Bitcoin: Key Technologies, Constraints and Related Issues[J]. Acta Automatica Sinica, 2019, 45(6): 1015-1030
比特币是一种利用区块链技术的点对点记账系统.它采取去中心化的方式由节点(一般称为矿工)通过工作量证明争夺记账权.获得记账权的矿工可以从记录交易的缓冲区中取出交易生成区块并在比特币网络中进行广播.目前比特币区块的生成间隔大约是10分钟区块大小被限制在1, MB.这两个因素制约了一个交易从提交到被记录下来所耗费的时间从而限制了比特币网络的链上交易量[1-2].
在中本聪创建比特币之初并未对区块大小进行硬性规定.然而由于彼时比特币尚在发展初期参与挖矿的节点大部分是个人电脑其网络带宽与处理能力都十分有限而且当时比特币价格低廉攻击者仅需付出极小代价便可创建包含大量交易的大区块(Huge blocks)造成粉尘攻击.
因此中本聪将区块容量上限设置为1 MB[3-4].同时他指出这个限制是暂时的在比特币区块容量接近上限时可以将上限数值提高(中本聪举例的修改方案为:在区块高度达到115 000时提高区块容量上限.).
随着比特币平均区块大小稳步上升至2017年接近上限(如图 1所示)比特币扩容的呼声越来越高.一个公认的事实是1 MB的区块上限已经不能满足用户的交易需求需要扩容比特币网络以提高交易速度和使用率[5].目前比特币网络的最大吞吐量仅为3.3~7个交易/秒[6] (下限基于平均交易大小500 bytes而得上限基于最小交易大小250 bytes而得.).此外区块上限还造成了交易手续费的增加.图 2为近一年中单笔交易中手续费的平均比例大约在0.5 %到1.5 %之间浮动.考虑到比特币价格高昂实际上用户为单笔交易所付的手续费相当可观.图 3为近1年中平均每笔交易支付的手续费可以明显看到已从2017年初的不足10美元(United States Dollar, USD)逐渐提高到100美元.
图 1 平均区块大小(日期: 2018-01-18)
Fig. 1 The average block size (Date: 2018-01-18)
图 2 交易手续费百分比(日期: 2017-01-19至2018-01-18)
Fig. 2 Cost of transaction volume, (Date: 2017-01-19 ~ 2018-01-18)
图 3 平均交易手续费(日期: 2017-01-19至2018-01-18)
Fig. 3 Cost per transaction (Date: 2017-01-19 ~ 2018-01-18)
然而对于是否遵照中本聪的原有设计解除区块大小限制维护比特币主流软件的比特币核心(Bitcoin core)开发团队内部乃至整个比特币生态圈都产生了分歧.支持者认为这是一种简单有效的手段可以缓解当前的交易压力; 反对者认为它会造成比特币社区的分裂不利于比特币健康发展.
比特币系统是以密码学方法为底层技术支撑而构建的一个以人为核心的复杂社会经济系统人的主观意识对比特币系统的发展具有极大影响[7-8].比特币系统扩容是一个涉及多方利益的复杂问题无论是开发者、投资者、交易平台还是矿工都有各自不同的利益和主观的决策.这些为数众多的决策者所获得的信息具有不对称性对事物的认知度也有偏差使得整个问题变得十分复杂[2, 9-11].
比特币扩容问题是当前比特币社区最热门的话题也是将比特币性能提升到主流支付工具的水准需要解决的首要关键问题具有很高的研究价值.目前业界已经召开了五次比特币扩展性研讨会(Scaling Bitcoin) (也称为比特币圆桌会议或比特币扩容大会先后于2015年9月12日~13日在加拿大蒙特利尔2015年12月6日~7日在中国香港2016年10月8日~9日在意大利米兰2017年11月4日~5日在美国斯坦福2018年10月6日~7日在日本东京召开.)相关人士围绕如何扩容提出了数个有价值的方案并引起了广泛的关注和讨论.与此同时学术界也密切关注区块扩容问题从共识协议、网络负载、系统安全等角度提出了改进的方案.
已有工作一般是对比特币扩容方案可行性与扩容效果的分析[6, 12].为了更全面地探讨与研究比特币扩容问题通过对现有文献资料的分析提炼我们提出了一个面向比特币的区块链系统扩容问题的研究框架如图 4所示.具体而言研究框架分为关键技术、制约因素和衍生问题三个部分.其中关键技术是指致力于解决比特币扩容问题的重要方案分为链上与链下两类两者的区别在于是否直接修改比特币系统协议; 制约因素是指限制比特币扩容关键技术实施与推广的指标与条件从宏观层面上来说为网络负载从微观层面来说为节点瓶颈; 衍生问题是由比特币系统扩容演变而产生的相关问题主要涉及安全问题与经济问题两方面.在接下来的章节我们将在该研究框架下对各部分内容分别展开叙述.
图 4 面向比特币的区块链扩容研究框架
Fig. 4 The research framework of the blockchain scalability problem towards Bitcoin
1 关键技术
关键技术包括链上扩容方案与链下扩容方案前者通过直接提高区块容量或生成频率使比特币系统可以容纳更多交易而后者则是在保持比特币系统现有架构的同时通过增设子网、子链等手段使比特币交易可以转移到其他网络中完成.
1.1 链上扩容(On-chain Scaling)
链上扩容主张对比特币区块进行扩展使得比特币网络本身可以负荷更大的交易量这类方案的实施需要对比特币进行硬分叉(Hard fork) (硬分叉是指在新的共识规则公布后未升级的节点会将新区块识别为无效而导致的永久分歧.)主要分为区块扩容和频率扩容.
1.1.1 区块扩容
区块扩容方案是指通过提高区块大小上限从而增加单次可以被"写入"区块链的交易数量.与区块扩容相关的比特币改进提议(Bitcoin improvement proposals BIPs)共9个如表 1 (https://github.com/bitcoin/bips)所示可以分为三类: 1)以算力为中心:包括100、101、105、109其共同特点是由矿工投票决定区块容量的调整方案; 2)以交易量为中心:包括104、106、107 (第二阶段)其共同特点是基于前一阶段的区块大小调整区块容量; 3)随时间递增:包括102、103、107 (第一阶段)其共同特点是预估比特币交易需求量按年度调整区块容量.
1.1.2 频率扩容
频率扩容方案是指提高区块生成频率缩短区块生成间隔从而增加单位时间内被"写入"区块链的区块数量.
1) 降低难度
比特币通过调整难度控制区块生成间隔在10分钟左右.每生成2016个区块难度就会依据生成这些区块的耗时而调整.如果耗时超过两周(14天)的时间难度会降低.反之则难度升高.通过降低难度可以很容易地缩短区块生成间隔这类方案也得到了一些来自社区的支持[13-14].
2) Bitcoin-NG
康奈尔大学的Eyal等提出一种新的比特币协议Bitcoin-NG[15].该协议将时间切分为不同的时间段.在每一个时间段上由一个领导者负责生成区块打包交易.该协议引入了两种不同的区块:用于选举领导的关键区块(Key blocks)和包含交易数据的微区块(Micro blocks).每一个区块的头部都包含了前一个区块的加密哈希值.
关键区块的生成方式与原始的比特币协议一样.具体而言都是基于工作量证明由节点寻找一个特殊的随机数.一旦一个节点率先找到随机数它将生成关键区块并向其他节点广播成为本轮的领导者.与比特币协议不同的是关键区块中还包含了一对公私钥中的公钥用于微区块的签名.
在生成关键区块之后领导者被允许以小于预设阈值的速率(如10秒)生成微区块.微区块的大小是有界的小于一个预设值如1 MB.图 5为Bitcoin-NG链结构示例微区块(图中表示为圆形)被关键区块(图中表示为方形)中公钥相应的私钥签名.为了避免自私挖矿交易费用的40 %分配给本轮的领导者60 %分配给下一轮的领导者.
图 5 Bitcoin-NG链结构示例
Fig. 5 An illustrative example of chain structure in Bitcoin-NG
可以在不改变区块容量的基础上通过选举领导者生成更多的区块解决比特币的扩容问题.关键区块的生成间隔依然为10分钟因而无需降低难度.此外由于存储交易的微区块的生成不需要节点寻找工作量证明因此不会额外增加矿工的工作量.
1.2 链下扩容(Off-chain Scaling)
链下扩容方案主要包括隔离见证、闪电网络与侧链等软分叉方案(软分叉是指新的共识规则公布后未升级的旧节点会将新区块识别为有效.软分叉是向后兼容的.).其中隔离见证是针对交易延展性的问题而提出的其扩容效果十分有限但它是保障闪电网络与侧链安全性的基础.
1.2.1 隔离见证
隔离见证于2015年12月中国香港比特币扩容会议中被Bitcoin core开发团队的Pieter Wuillle提出.
隔离见证涉及五项BIPs: 141, 142, 143, 144和145.
1) BIP141描述了"见证"的结构;
2) BIP142描述了隔离见证的地址格式;
3) BIP143描述了隔离见证交易签名的验证方式;
4) BIP144定义了新的消息和序列化格式用于节点之间传播交易和区块;
5) BIP145描述了getblocktemplate协议以JSON-RPC调用的变化以支持隔离见证.
每一个比特币交易包括两部分:一部分是基础交易数据包括交易的输入地址、输出地址; 第二部分为其他的事务数据包含了签名脚本等验证交易有效性的数据.对交易数据进行双SHA256计算即可获得交易的唯一标识txid (Transaction ID).签名脚本(Signature script)包含一个secp256k1的椭圆曲线加密签名可以对基础数据签名但是不能对签名脚本自身签名这使得攻击者可以对交易进行非功能性的修改这一性质被称为交易延展性(Transaction malleability).此时交易依然有效但txid会发生改变.
攻击者利用交易延展性在交易未被写入区块前更改其txid将有一定概率"顶替"原交易被打包.当交易所或用户基于txid查询交易时会无法确认交易完成发送大量交易请求造成一定程度的DOS攻击. 2014年2月Mt.Gox交易所声称由于"交易延展性问题"导致重复提现造成部分比特币的丢失.受到Mt.Gox事件的影响Bitstamp等交易所发布公告称将会开始检查自己的内部系统以防止相同的错误出现并暂时停止了比特币提现.
Bitcoin Core提议进行隔离见证即将签名脚本等验证交易有效性的数据转移到一个叫"见证(Witness)"的新结构中. txid的定义不变即以下交易数据的双SHA256值:
[nVersion][txins][txouts][nLockTime] （1）
新的wtxid被定义为包括以下交易数据和见证数据的双SHA256值:
[nVersion][marker][flag][txins] （2）
[txouts][witness][nLockTime]
Coinbase交易的wtxid为0x0000⋯ ⋯ 0000.区块中的所有wtxid被存储在一棵梅克尔树的叶子结点上这棵树的根节点哈希记录在coinbase交易的scriptPubKey中.
隔离见证的本质不是针对扩容而是对不合理的原比特币交易结构的优化但它间接达到了扩容的目的.在隔离见证成功实施后比特币打破了1 MB的区块限制截至目前峰值达到1.3 MB.
1.2.2 闪电网络
2015年, Poon和Dryja两位开发者发布了闪电网络白皮书[16]首次提出了闪电网络的概念其基本思想是建立交易方的微支付渠道(Micropayment channels)网络将小额交易从比特币主网中带离从而促进比特币的交易吞吐量达到每秒百万笔.
1) 双向支付通道
闪电网络的基础是交易双方之间的双向支付通道(Bidirectional payment channels)下面我们将从创建通道、交易方式、关闭通道和违规惩罚等四方面对通道进行介绍.
a) 创建通道
首先构建一个未签名的基金交易(Unsigned funding transaction).该交易的输出为2-2多重签名脚本意即动用这笔资金需要双方签名(多重签名是一种允许多个公钥共同签署一笔比特币交易的技术.).交易双方交换"赞助"该笔基金交易的输入地址与随后用于签名的公钥.
闪电网络使用Sighash noinput (Sighash noinput交易只对输出进行签名由于该交易的输入未被签名保护因而可以很容易被修改除非输入被其他形式的签名保护.)格式的交易花费基金交易中的资金确保该交易可以在双方对基金交易签名之前进行这些交易被称为承诺交易(Commitment transactions).
如图 6所示假设Alice和Bob同意建立支付通道双方各拿出0.5 BTC (Bitcoin)用于创建基金交易.然后Alice创建一笔初始的承诺交易C1b该交易的输出为Alice: 0.5 BTC, Bob: 0.5 BTC, Alice对C1b签名后将该笔交易发送给Bob; Bob以同样的方式创建并签署C1a并发送给Alice.双方交换完毕后就可以对基金交易进行签名并在比特币系统中广播.
图 6 闪电网络微支付通道
Fig. 6 Micropayment channels based on Lightning Network
b) 交易方式
为了进行交易双方可以通过生成新的承诺交易并将旧的承诺交易作废以达到资金重新分配的目的.值得注意的是每组承诺交易使用独立的公钥公钥不会重复使用.
假设Alice需要向Bob支付0.1 BTC Alice可以在C1b基础上创建一笔新的承诺交易C2b该交易的输出为Alice: 0.4 BTC, Bob: 0.6 BTC, Alice对C2b签名后将该笔交易发送给Bob; Bob以同样的方式创建并签署C2a并发送给Alice.为了让C1a和C1b失效双方可以交换用于C1a和C1b签名的私钥或者创建并交换违约补偿交易(Breach remedy transaction) BR1a/BR1b.
c) 关闭通道
任意一方广播承诺交易即可关闭支付通道.闪电网络设计了一个序列到期可撤销合约(Revocable sequence maturity contract RSMC)该智能合约中规定:率先广播承诺交易的一方需要等待一段时间才能拿到资金而另一方则可以立即获得资金.具体的等待时长由双方事先商议.如图 6所示等待时长被设定为1 000个区块确认时间.那么在Bob向比特币网络广播了最新的承诺交易C2b之后Alice可以立即获得0.4 BTC而Bob需要等待主链再生成1 000个区块之后广播一个可撤销交付交易(Revocable delivery transaction)获得0.6 BTC.
如果双方都同意关闭通道可以创建一个结算交易(Exercise settlement transaction)经双方签名并广播后双方都可以立即获得结算资金.
d) 违规惩罚
如果有一方广播的承诺交易不是最新版本那么将受到惩罚失去所拥有的资金通道中的全部资金都将属于另一方.例如Bob在广播了旧的承诺交易C1b之后Alice可以在1 000个区块确认时间内提供C1b失效的证据最终Alice将获得1 BTC而Bob将一无所有.
2) 哈希时锁合约(Hashed timelock contract, HTLC)
HTLC的目的是通过哈希运算允许跨多个节点的全局状态.具体而言它可以锁定一项交易并以一个约定的时间(某个未来的区块高度)和承诺披露的知识作为解锁条件.通过这种方式实现了网络中有条件的资金支付不需要通道双方及网络中其他人之间建立信任.
例如通过HTLC, Alice和Bob可以达成如下约定:锁定Alice的0.1 BTC如果在区块高度达到T 之前, Bob能够向Alice披露一项知识R 经过某个已知的哈希计算hash(R) 等于某个值h 那么Bob就能获得这0.1 BTC; 如果当区块高度高于T 时Bob未能及时向Alice披露合适的R 。那么这0.1 BTC将自动解锁并归还给Alice.
3) 多节点支付通道
基于RSMC闪电网络实现了节点之间的直接支付通道而基于HTLC闪电网络实现了节点之间的间接支付通道.
如图 7所示假设Alice需要向Dave转账(金额为0.1 BTC)她可以通过两个节点Bob、Carol建立一条支付通道沿着该通道的节点两两之间建立HTLC交易且各交易的时锁递减.在该示例中Alice根据路由的长度将她和Bob的HTLC交易的T 设置为3天(实际为三天后的区块高度预估值).在Bob和Carol、Carol和Dave之间也创建HTLC交易并分别设置T 为2天、1天.
图 7 基于闪电网络的多节点支付通道
Fig. 7 Payment over the Lightning Network using HTLCs
如果Dave在1天内向Carol披露R 就可以获得0.1 BTC.同样地如果Carol、Bob按时传递R 就可以分别从Bob、Alice处获得0.1 BTC (以及手续费).通过这种方式Alice完成了Dave的转账.
1.2.3 楔入式侧链技术(Pegged Sidechains)
侧链被定义为可以验证来自其他区块链数据的区块链[17].侧链技术允许用户在比特币系统之外的其他区块链上使用他们的资产.比特币系统被称为"父链"而其他区块链被称为"侧链".侧链虽然依赖于父链然而其事务处理与父链完全独立.
侧链的工作基础是简单支付验证(Simplified payment verification SPV)证明它是一种动态成员多方签名(Dynamic membership multi-party signature, DMMS)发生在基于工作量证明(Proof of work POW)的区块链中(如比特币系统).一个SPV证明包含a)一个展示工作量证明的区块头(Block headers)列表和b)一个表明列表中的某一区块中存在某项输出的密码学证明.基于SPV证明无需运行全节点即可验证支付信息.
根据资金从父链流入侧链时侧链是否需要父链的SPV证明侧链可分为对称与不对称两种类型.图 8是一个对称楔入式侧链示例.为了将父链上的资金转移到侧链首先需要将这笔资金转到父链上的一个特殊输出该输出只能由侧链上的SPV证明来解锁.然后用户等待一个确认期后在子链上创建一个引用该输出的交易并提供该输出已被父链上足够工作量证明覆盖的SPV证明.接着用户需要等待一个竞赛期在此期间如果收到新的SPV证明且比之前的SPV证明有更多工作量证明那么将替代原来的SPV证明.这是为了防止双花攻击.竞赛期结束后用户就可以在侧链上自由使用这笔资金了.资金在侧链上依然保持自己"父链币"的身份只能转回到相应的父链并且侧链不允许来自不同父链的币之间进行交易或兑换.当用户想把币从侧链上转回父链时需要经历相同的过程:在子链上将这笔资金发送到一个特殊输出产生一个SPV证明给父链用于解锁父链上的等额资金.
图 8 对称楔入式侧链示例
Fig. 8 An example of two-way peg protocol
1.3 发展现状
图 9所示为2015年以来比特币扩容相关的重大事件构成的进展时间轴相关的重要提案见表 2 (https://github.com/bitcoin/bips.).
图 9 比特币扩容进展时间轴
Fig. 9 Timeline of Bitcoin scalability progress
1.3.1 链上扩容进展
目前比特币还没有完成链上扩容.经过香港共识、纽约共识两次努力的失败于2017年8月1日在ViaBTC等大矿池的推动下比特币通过硬分叉产生了一条新的区块链被称为"比特币现金(Bitcoin cash)".比特币现金起初支持8 MB的大区块而后进一步将限制提高到32 MB并于2018年11月10创建出历史上第一个接近32 MB的大区块.
1.3.2 链下扩容进展
1) 隔离见证
Bitcoin Core开发团队主导开发并推动了隔离见证的发展. 2016年10月Core发布第一个支持隔离见证(Segregated witness, SegWit)的版本0.13.1.该版本遵循BIP9提案制定SegWit的激活条件即至少95 %的矿工表示支持才能在比特币网络上激活SegWit.最终由于没有在时限前(2016年11月15日)得到足够算力支持而宣告SegWit激活失败.
匿名用户"Shaolin Fry"提出采取用户激活软分叉(User-activated soft fork, UASF)方案激活SigWit (BIP 148内容详见表 2)以迫使矿工接受SegWit.该提案备受争议如果BIP148没有得到大多数矿工的支持就会导致比特币的分裂.然而Core接受了该方案并将生效日期设定为2017年8月1日.
基于纽约共识, Jeff Garzik开发了新客户端"BTC1"将隔离见证的阈值设定为80 %并以bit 4作为信号发送方式.
由于Bitcoin Core版本中隔离见证的激活阈值为95 %并以bit 1作为信号发送方式与BTC1有冲突.为此, James Hilliard提出了BIP91 (内容详见表 2)融合两种方案.最终BIP91被成功锁定并激活了SegWit比特币避免了BIP148带来的硬分叉.
2) 闪电网络
在隔离见证成功实施之后, Elements Project (Blockstream)、Lightning Labs、ACINQ等三个闪电网络开发团队在2017年12月6日宣布完成了闪电网络的初始版本1.0 RC.该版本成功实现了支付渠道驱动的网络中不同协议实现之间的交易.目前这些开发团队正在寻求开发社区的同行评审与反馈以获得最终的1.0正式版本并计划在比特币主网上实施测试版本.
2 制约因素
本节主要讨论制约比特币扩容的主要因素分为网络负载与节点性能两方面.前者主要关注比特币网络整体性能后者侧重于单个节点的性能.
2.1 网络负载
比特币系统基于P2P网络而搭建采用非集中式的拓扑结构其优点是维护简单面对网络的动态变化具有较好的容错能力缺点是随着节点的不断增多网络规模不断扩大区块传播性能有所下降因而有必要研究当前网络状况是否可以承载比特币的进一步扩容.
2.1.1 区块容量
Decker和Wattenhofer[18]对2012年比特币网络的区块传播状况进行了度量他们的分析结果表明对于较大的区块(超过20 KB)其传播时间随着大小呈线性增长趋势.
来自7家知名大学与研究机构的12位研究人员进一步分析了2014年和2015年比特币网络的区块传播状况.他们采用了"X %有效吞吐量" (X % effective throughput)的度量标准它被定义为接收到区块的节点百分比用于表示区块传播时延.他们通过分析发现按照平均10分钟的区块生成区间如果在一个区间内要达到50 %有效吞吐量即至少50 %的节点能接收到区块则区块大小最多不能超过38 MB; 如果要达到90 %有效吞吐量则区块大小最多不能超过4 MB[6].
2.1.2 区块频率
区块的生成频率同样会影响X %有效吞吐量.以80 KB的区块为例如果要达到90 %有效吞吐量则区块生成间隔不得低于12秒[6].
从网络负载来看无论是扩大区块容量还是提高区块生成频率都不能无限制地进行链上扩容否则矿工挖掘出孤立块的概率增加导致资源浪费和系统的不安全性.
2.2 节点瓶颈
节点是处理比特币系统交易的独立工作单元它们的工作效率直接影响比特币系统的运营效率.
2.2.1 节点性能
每一条交易都需要被节点验证、传播才能被写入比特币账本中.因此理论上节点带宽也会影响比特币系统的性能.但根据分析现有的节点平均带宽完全高于实际需要的网络传播效率提高网络传播效率应该从其他方面入手如优化网络结构、优化交易处理流程等[6].
2.2.2 存储成本
比特币的本质是分布式账本为了支撑比特币系统的日常运营需要运行足够数量的全节点它们存储了全部的账本信息.据2017年12月17日的数据比特币系统中的全节点个数大约为11 500余个(https://bitnodes.earn.com/)而数据总量约147 GB (https://blockchain.info/charts/blocks-size).
通过比较几种比特币数据的常用存储方案包括本地存储方案与云存储方案研究者认为是CPU+SSD的组合是最经济的方案[19].以该方案为例一台高性能终端(例如Intel Core i7, 3.4 GHz 8个虚拟内核)大约价值300美元容量200 GB的SSD大约100美元(原文为2014数据本文根据Amazon美国网站查询结果更新数据).假设使用年限为三年则设备成本约4.23×10 −6 美元/秒.此外按40 W的耗电量和15美分/kWh还可计算出耗电成本约1.67×10 −6 美元/秒.综上可以计算得出每天全节点的运行成本总和约为5 862.24美元.
从节点瓶颈来看链上扩容意味着节点需要下载、存储和验证更多的区块而那些不参与挖矿的全节点不能从维护比特币系统中获得任何直接收益.随着成本的上升或许会造成全节点数量的下降这对比特币系统的长期发展是不利的详见第3.2节.
3 衍生问题:安全问题
比特币与区块链的安全性研究包括安全体系架构、数据可靠性、用户隐私保护、常见攻击手段等是较热门的一类研究问题[20-22].比特币扩容方案的应用可能会引入更多的安全隐患.本节将针对这点展开讨论.
3.1 高通量引发的安全问题
2014年康奈尔大学的Eyal和Sirer的研究指出[23]攻击者只需33 %的算力就可通过自私挖矿(Selfish mining) (自私挖矿是指矿工在挖到新矿时不向比特币网络广播而是隐瞒它并在新矿分支上继续挖矿.)导致比特币系统不安全而不是人们以为的51 %.
对网络区块传播状况的分析表明在高交易吞吐量时系统的安全性将降为0[24]例如遭受双花攻击(Double-spending attacks)即攻击者将已花费交易伪造为未花费交易.随着区块容量或生成速率的提高将会引起系统交易吞吐量的上升并提高产生分叉的概率并降低系统安全性如图 10所示[25].
图 10 提高区块容量或生成速率引起的系统变化
Fig. 10 System changes caused by increasing the block size or block rate
3.1.1 GHOST协议
比特币采用工作量证明机制由矿工相互竞争求解复杂的数学难题率先解出答案的矿工获得本轮的区块生成权.然而如果两个(或多个)矿工同时解开难题比特币就会产生分叉.出现分叉后矿工需要按照一定规则选择主链并在主链上继续工作.目前比特币采用的协议是寻找累计工作量证明最大的链.由于难度在一个阶段内保持不变因此该协议也称为最长链规则(Longest chain rule)即将长度最长的链作为主链.
如前所述在高交易吞吐量下由于区块传播延时比特币分叉的概率会大为提高.图 11描述了一个由诚实网络创建高分叉区块树的场景.以A、B、C、D、E为矿工的编号其中A为攻击者其余为诚实节点.攻击者私下创建了一个明显长于诚实网络最长链(以5 B结尾的链条)的6个块的链(表示为1A 2A, ⋯ ⋯ 6A)在最长链规则下将替代诚实网络成为主链.对于接受零确认交易(Zero-confirmation transactions) (无需等待6个区块确认时间只要交易的输入是UTXO (未花费交易, Unspent transaction outputs)就可以确认交易完成)的节点攻击者可以利用这一漏洞造成双花攻击.
图 11 GHOST协议示例
Fig. 11 An example of the GHOST protocol
为了解决这一问题, Sompolinsky与Zohar提出了GHOST (Greedy heaviest-observed sub-tree)[25].在该协议下当分叉出现时节点应选择累计子节点工作量最大的链条.以图 11为例.当攻击者与诚实节点各自生成的区块产生分叉时节点会选择诚实节点的区块(1B)因为区块1B的子节点远多于区块1A的子节点.
值得一提的是作为第二大区块链应用以太坊(Ethereum)的区块生成间隔不到1分钟然而它巧妙地采用了GHOST的一个变种对孤立块(称为叔块Uncle block)加以利用提高了系统的安全性和矿工的积极性(https://www.ethereum.org/).
3.1.2 SPECTRE协议
Sompolinsky等提出了SPECTRE协议[24]证明了在高交易吞吐量下该协议仍保持50 %的安全阈值即只要攻击者的算力不超过全网50 %系统仍然可以维持安全性.
首先他们将比特币区块表示为一个有向无环图(DAG)图中节点不仅包括主链上的区块也包括那些不在主链上、被废弃的区块.具体而言他们修改了区块头部结构.在原始的比特币协议中每个区块的头部包含了对上一个区块的引用.而在这个新方案中区块头部包含了所有未被其他区块引用、并且合法的区块引用.
基于DAG区块之间构成了因果顺序.对区块x 而言以Past(x) 表示在x 之前出现、可由x 到达的区块集合Future(x) 表示在x 之后出现、可到达x 的区块集合.当比特币出现分叉需要判断主链时SPECTRE采用了一种基于区块投票的方法.设x 和y 为分叉的两个区块以x<y 表示x 获胜y<x 表示y 获胜.以区块B 为例比特币网络中的所有区块将按照以下规则进行投票.
1) 如果x，y∈Past(B) 则依据Past(B) 多数派结果进行投票;
2) 如果x∈Past(B) 且y∉Past(B) 则投x<y ;
3) 如果y∈Past(B) 且x∉Past(B) 则投y<x ;
4) 如果xy∉Past(B) 则依据Future(B) 多数派结果进行投票.
图 12描述了一个比特币区块构成的DAG.区块x和6～8 投票x<y 而区块y 和9～11投票y<x .区块12 依据Past(12) (除10～12 以外的其他区块)的选择投票x<y .区块1～5 依据Future(.) 的选择投票x<y .最终x将获胜而成为主链的一员.
图 12 SPECTRE协议示例
Fig. 12 An example of the SPECTRE protocol
3.2 中心化
比特币的设计理念是去中心化的分布式账本然而现在它正在逐渐陷入中心化的困境.大区块带来的区块和带宽成本增长使得拥有更强大处理能力的少数节点(如矿池、交易所等)优势进一步上升加剧中心化的到来.
3.2.1 算力中心化
通过对2010~2014年比特币区块的分析研究者发现了算力中心化呈现逐年加剧的趋势[26].
图 13是2018年1月18日比特币网络哈希率的分布状况.排名前五的大矿池所占据的算力总和已经超过了70 %由此可见目前大部分算力已被掌握在少数几个大矿池手中.
图 13 哈希率分布(日期: 2018-01-18)
Fig. 13 Hashrate distribution (Date: 2018-01-18)
究其原因由于比特币采用的共识机制为POW在一轮竞争中矿工需要成为最早找到某个随机数的赢家才能获得收益而拥有强大计算能力的矿池更有可能成为赢家.为了获得稳定的收益矿工不得不选择成为矿池的一份子.有学者认为应该鼓励矿池内部组织的去中心化例如P2Pool (http://p2pool.org/), 以缓解算力中心化的问题[27].
3.2.2 节点中心化
此外如第2节所提到的考虑到大区块造成的成本和效率问题更多用户将选择安装轻量级SPV节点(如手机终端)或使用交易平台或网络钱包.前者需要通过全节点同步数据后者则完全依赖于少数几个交易平台和网络钱包运营商.举例而言截至2014年3月三家比特币交易所Bitstamp Bitfinex和btc-e处理超过80 %的美元比特币交易.为了缓解节点中心化可行的方法之一是鼓励更多的比特币交易所加入竞争[27].
3.2.3 客户端中心化
目前Bitcoin Core版本的客户端占据绝对优势, Bitcoin Core开发人员拥有极大的权限可以更新客户端规则.虽然比特币扩容争议导致多个开发小组的出现然而并没有动摇Bitcoin Core的地位.图 14为2018年1月18日比特币网络客户端分布情况其中Bitcoin Core的市场占有率高达87.22 %远超过其他版本.
图 14 客户端分布情况(日期: 2018-01-18)[28]
Fig. 14 Software distribution (Date: 2018-01-18)[28]
3.3 侧链安全性
通过侧链方案比特币交易被分散到多个侧链上缓解了交易压力.然而与比特币系统相比侧链极有可能无法拥有庞大的算力以保证交易和区块的安全性.攻击者可以用相对小的代价对侧链展开51 %攻击.由于侧链方案只依赖SPV证明来验证交易即它只检查所涉及的币是否来自已知的最长链而并不追溯至创世区块.因此攻击者一旦成功攻破侧链他们可以创建一条更长的侧链主链进行双花攻击甚至凭空生出新的侧链币.
解决这个问题的一个办法是合并挖矿[17]以确保所有侧链同时以相同哈希率开采.合并挖矿的情形下所有侧链使用相同的哈希算法这样可以在同一时刻为多个侧链生成工作量证明.然而合并挖矿要求矿工运行所有侧链的完整节点这就会造成中心化挖矿的趋势.此外如果任意侧链受到51 %攻击风险依旧存在.
此外, Peter Todd提出了树链(Tree chains)其基本思想是将多条区块链构成树状结构通过在父链(如比特币)区块中存储子链区块的哈希值为子链区块提供有效性证明即在保证父链和子链事务处理独立性的同时将父链安全性共享给了子链.
4 衍生问题: 经济问题
比特币(或者说区块链)生态圈涵盖了矿工、交易所、开发者(钱包)、商家、用户、研究人员等诸多人群.比特币扩容涉及到了多方利益.区块容量决定了比特币网络处理交易量的效率有限的区块大小导致交易费的居高不下另一方面比特币的安全性由庞大的算力而支撑为此矿工付出了硬件和运维的成本考虑到系统的区块奖励持续下降长期来看需要交易费来激励矿工持续投入工作.无论是链上扩容派还是链下扩容派双方都致力于提高比特币交易吞吐量分歧在于采取何种扩容方法给比特币生态圈带来的经济影响本文将从币值、交易费与矿工收益等方面进行阐述.
4.1 币值
图 15为2017年1月19日至2018年1月18日比特币的价格变化情况.可以看出比特币的价格极不稳定屡次陷入剧烈震荡的境地.
图 15 比特币价格波动
Fig. 15 Bitcoin price fluctuations
比特币价格波动是多种复杂因素共同作用的结果[29-33]综合已有研究结果我们认为比特币扩容可以从以下方面影响比特币价格.
4.1.1 比特币供需关系的市场力量
比特币需求主要受到其作为商品和服务交换媒介的价值的驱使也就是它在未来交换中的价值.而比特币供给是由流通的比特币库存给出的[31].由于比特币限量2 100万个它被认为和稀缺贵金属黄金类似都可以作为价值储存手段.解决扩容问题也就是要解决如何将比特币的性能提升到主流支付工具的水准[6].显然扩容可以使比特币网络支撑更多支付需求导致用户数量的提高.越来越多的用户和有限的供应量所带来的需求不断增加这自然会导致价格上涨[32].当用户的数量逐渐趋于稳定比特币价格将随之稳定在一个均衡价格上.
4.1.2 比特币系统安全性
比特币的价格可能受整个比特币系统的风险和不确定性的影响.比特币与黄金不同没有从消费或其在生产过程中的使用中获得的潜在价值.目前它正处于通过在市场参与者之间建立信任和信誉来建立其市场份额的阶段.比特币的可信度主要与比特币系统提供给持有者的安全性以及在交换中使用的安全性有关.鉴于比特币交易完全通过互联网进行网络安全是其主要挑战.网络攻击可能会破坏整个比特币系统并最终导致其崩溃.事实上比特币很容易受到网络攻击[31].比特币系统安全性的好消息比如升级到更安全的比特币网络软件可以增加对投资者的吸引力.而关于比特币系统安全性的负面消息比如比特币扩容引起的安全问题(详见第3节)可能会一定程度上降低对投资者的吸引力.
4.1.3 用户交易成本
比特币吸引力是由潜在投资者和用户的交易成本决定的.交易成本包括:
1) 信息成本:鉴于投资需求取决于寻找市场上可用投资机会信息的相关成本那些在新闻媒体中受到特别关注的投资机会可能会被潜在投资者所偏好[31].除此以外比特币价格和Google trends和Wikipedia上的搜索查询也存在显著的正相关性和动态的双向关系[33].因此比特币扩容引发的学术界和业界的报道和关注可能影响潜在的投资者和用户的决定.
2) 交易费成本:交易费与比特币区块大小有密切联系详见第4.2节.交易费的上升不利于比特币作为交易媒介进而会降低投资者和用户的兴趣.
4.2 交易费与矿工收益
比特币系统的安全性依赖于矿工的挖矿行为而矿工挖矿是为了获得挖矿所得的系统奖励和"打包"交易所得的手续费这是经济外部性的一个完美案例[34].为了真正写入一个区块需要得到超过半数的节点认可.更大的区块可以支持更高的交易速率但会加大验证方的工作量.较小的区块所占用网络带宽、存储空间更小包含交易规模更少更容易被验证; 反之较大的区块或许因为难以验证导致被其他区块代替.
在比特币发展初期系统奖励在收益中所占比例较高且交易费较低甚至为零.较小的区块对于矿工的短期收益来说更有利.然而已有研究表明指出零或无限小的交易费用不可能持续其原因是随着比特币高度的增加系统奖励周期性减半[32].此时同时维持零交易费与矿工收益的一个可能是随着时间的推移比特币的价格越来越高.换句话说为了在价格上与矿工的激励保持一致2030年后每年生产的数以万计的比特币应该与现在每年生产的数百万比特币具有相同的价格.这种预期过于乐观而发生的概率极低.更可能的预计是随着时间的推移有限的供给和比特币价格的最终限制共同作用导致采矿的边际生产成本急剧增加.
由于矿工没有动力打包一个没有手续费的交易为了减少等待时间用户需要缴纳交易费.通过交易手续费比特币可以建立矿工打包最新交易的激励机制[35].从长远来看应该制定交易费用政策以便有足够多的矿工有激励来运行足够高的算力来保障比特币网络免于51 %攻击.但同时作为一种交易媒介交易费不应高到阻止用户交易[32].
研究者对静态场景下的比特币交易费问题进行探索[34]其结论是强制性的交易费用、限制区块容量以及在去中心化市场中确定区块空间价格三者是等价的.如果区块容量没有限制当矿工挖矿时待打包的交易已经存在这时矿工是Stackelberg博弈追随者不考虑交易费、打包所有交易是这个博弈中唯一的子博弈完美纳什均衡.因此作者认为区块容量必须有限制并且不能由矿工确定限制防止矿工没有收入导致矿工流失和比特币网络的死亡.
Gavin Andresen持相反观点他基于Evenly rotating economy (ERE)经济理论提出在一个竞争性的市场中供给、需求和价格将会找到一个平衡点价格等于供应商的边际成本加上一些净收入(因为供应商总是可以选择用他们的时间或金钱做一些更有利可图的事情).因此如果没有人为限制(例如区块大小上限)交易费用将会下降到矿商支付的边际成本但不为零(为了使ERE理论成立供给和需求必须保持不变然而在实际市场中难以达到详见https://99Bitcoins.com/Bitcoin-block-size-economics-revised/).
挖矿所用的硬件设备经历了从CPU到GPU再到ASIC (Application specific integrated circuit专用集成电路)三个阶段的发展历程提高了比特币网络的哈希率降低了每哈希率的单位功耗提高了矿工的门槛和成本.研究者提出了比特币挖矿过程和比特币交易的人工市场模型[36].在挖矿博弈中矿工可以自由选择是否参与挖矿其纳什均衡是矿工的期望收益为零.此外矿工数量还需满足一定大小以维持新区块的到达率.假设没有交易费用而比特币价格保持稳定那么随着区块奖励下降(但仍然在一定水平之上)矿工数量也会随之下降导致比特币难度降低; 假设区块奖励稳定而比特币价格或者交易费上升那么矿工数量会增加导致比特币难度提高.这两种情况都能保持不变的新区块生成速率.在交易费支付博弈中根据新交易流入内存池的速率与矿工从内存池取出交易的速率该博弈的均衡有三种: a)所有用户都不支付手续费; b)部分用户支付手续费; c)所有用户都支付手续费.
综合来看相关研究尚未能解决两个根本问题: 1)建立合理的交易费机制保障矿工交易费以免算力流失同时避免交易成本过高引起用户的流失; 2)区块容量限制与交易费的关系.
5 总结与展望
中本聪在比特币白皮书中提到互联网交易需要基于可信第三方增加了交易的成本限制了实际可行的最小交易规模也限制了日常的小额支付交易比特币的设计初衷是一种点对点的电子货币系统它基于密码学原理而不基于中心化的信用使得任何达成一致的双方能够不需要第三方中介的参与而直接交易从而降低交易成本.然而考虑到比特币价格的急剧震荡以及交易手续费比例的居高不下基于比特币进行小额交易的代价已经远远高于传统交易方式.比特币扩容已成大势所趋引起了业界与学术界的密切关注.本文从关键技术、制约因素和衍生问题三方面对比特币扩容问题进行分析与总结.
扩容问题不是比特币系统独有的问题而是整个区块链生态圈都亟待解决的问题.目前包括闪电网络、侧链在内的并行扩容方案已成为当前热点这类方案的特点是在原有的主链之上增设多条并行的交易结算和清算通道从而达到提高交易吞吐量的目的.虽然扩容方案百花齐放、蓬勃发展比特币乃至大部分区块链系统的扩容进展却相对滞后.究其原因主要归因于现有方案欠缺对于区块链系统在自身不同配置条件下和各类应用场景下的计算实验与预测解析能力因此只能依靠真实系统的"链上"增量式试错实验、或者利用沙盒等"摸着石头过河"的经验性预测方法来预估区块链扩容效果[9].而区块链的分布式运行性质使得一旦方案实施中出现偏差或错误难以进行系统回滚与纠错.平行区块链作为平行智能与区块链技术的深度结合是有效解决区块链建模、实验与决策相关问题的理论方法.因此我们的下一步工作是在平行智能和平行区块链理论的指导下采用ACP方法(Artificial systems + Computational experiments + Parallel execution人工系统+计算实验+平行执行)[37-38]提出平行扩容方案为相关人士提供有意义的建议.
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后记：本文于2019年6月发表于《自动化学报》第45卷第6期
面向比特币的区块链扩容_关键技术,制约因素与衍生问题.pdf
https://m.sciencenet.cn/blog-2374-1191120.html
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