區塊鏈TPS的擴展性探索：為什么說BBP技術帶來卓越的性能改變？_區塊鏈:LAYER

區塊鏈在元宇宙和web3世界中是操作系統一樣的基礎設施，其性能決定了未來數字經濟的發展歷程。現階段，區塊鏈普遍存在著交易數據處理能力較弱的問題。這使得比特幣和以太坊的性能無法與中心化系統相抗衡，從根本上制約了區塊鏈上諸多應用的開展。因此增強區塊鏈的可擴展性，也就是實現更高的交易數據處理速度（TPS）刻不容緩。

為了實現更高效的區塊鏈交易數據處理，不斷有人提出區塊鏈擴展容量解決方案。目前的擴容方案百花齊放。

業界一般將區塊鏈系統的六個層次數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層劃入三個Layer，由底到頂分別為Layer 0（L0）、Layer 1（L1 ）和Layer 2（L2）。Layer 0又稱網絡傳輸層，主要涉及區塊鏈和傳統網絡之間的結合問題。當前主流擴容方案大多從L1層和L2層著眼，鮮有通過改進L0層（網絡層）成功擴容的案例。

中國工程院院士沈昌祥：區塊鏈安全需要主動免疫可信計算:金色財經現場報道，12月5日，2020世界區塊鏈大會于武漢舉辦，會上中國工程院院士沈昌祥演講表示，網絡安全已經成為繼海陸空天之外的第五大主權領域空間。需要用科學網絡安全觀建立主動免疫安全體系，網絡安全風險源于圖靈機原理少攻防理念，設計it系統不能窮盡所有邏輯組合，所以需要用一種主動免疫可信計算，實現運算同時進行安全防護的新計算模式。區塊鏈系統安全可以以密碼為基因抗體，實施身份識別、狀態度量，保護存儲等。還要構建計算部件+防護部件的結構和新的三重防護架構，新的防護架構包含可信計算環境、可信邊界、可信網絡通信以及安全管理中心等。此外，還需要全程管控、技術管理并重。[2020/12/5 14:05:41]

Layer 1擴容方案又稱鏈上擴容，指在區塊鏈基層協議上實現的擴容解決方案。Layer 2擴容方案又稱鏈下擴容，指不改變區塊鏈底層協議和基礎規則，通過狀態通道、側鏈等方案提高交易處理速度。但是這些擴容方案無一列外的都以犧牲安全性為代價，也就是區塊鏈CAP理論的限制。

打著“5G區塊鏈”名義涉嫌傳銷：廈門觸信與三次方公司被凍結賬戶:近日，中國裁判文書網發布《蘭州新區市場監督管理局、觸信（廈門）智能科技有限公司行政監察(監察)其他行政裁定書》（簡稱裁定書）。據裁定書顯示，申請人蘭州新區市場監督管理局在查處被申請人觸信（廈門）智能科技有限公司、三次方（廈門）智能科技有限公司涉嫌組織策劃傳銷一案中，為防止被申請人轉移或隱匿違法資金，申請人蘭州新區市場監督管理局于2020年8月18日向本院提出申請，請求對被申請人在第三方支付機構和銀行賬戶內的余額（涉嫌傳銷資金）予以凍結。此前據“信用中國”顯示，在今年（2020年）11月11日，蘭州新區市場監督管理局調查中發現，三次方公司與出資人觸信（廈門）智能科技有限公司（另案處理）利用“三次方Cubed”app，假借“區塊鏈”概念，以所謂“Cubed@HTC三次方全景系統”，并要求被發展人員發展其他人員加入，形成上下線關系，以其直接或者間接滾動發展的人員數量和交納的激活費為依據計算和給付各種名目的獎勵等報酬，牟取非法利益。（中新融媒）[2020/12/2 22:49:12]

而今年4月，來自深圳大學、香港中文大學的區塊鏈研究團隊提出了一種全新的L0層區塊傳播與驗證技術，即隱形區塊傳播（Bodyless Block Propagation, BBP）技術，不需要傳輸區塊且不損失安全性，突破了CAP理論。

紅棗科技何亦凡：區塊鏈服務網絡是全球性新基建:北京紅棗科技有限公司總經理何亦凡表示，區塊鏈技術作為一個非常新的技術，我們目前國家是跟其他國家基本上是在同一個起跑線上，而區塊鏈服務網絡的定位是全球性的，它是一個能夠服務全球與全世界開發者的全球性的新基建。（人民網）[2020/5/30]

（公開在康奈爾大學在線學術網站arXiv上的論文信息）

該論文的作者們注意到，在當前的公鏈中，交易都存在重復傳輸和串行驗證的問題。交易的重復傳輸是說，交易本身會單獨在全網廣播傳輸一次；交易被打包進區塊后，又會隨著區塊一起在全網廣播傳輸一次。交易的串行驗證是說，交易打包進區塊后并在全網廣播，各驗證節點收到該區塊后再進行驗證。由于這些問題的存在，區塊包含交易越多，其在網絡中傳播和驗證的速度就越慢，這就極大制約了區塊鏈的TPS。BBP要實現的就是通過消除區塊中的交易數量對于傳播時間的制約以及減少區塊驗證時間來提高TPS。

聲音 | 阿里釘釘CEO：區塊鏈等新技術率先在金融行業得以應用:1月9日，首屆金融移動智能峰會在杭州西子賓館召開。阿里釘釘CEO陳航演講表示，金融行業本身的信息化和數字化經過過去幾十年的發展已經相對成熟，比如票據交易系統、電子資金清算系統、柜臺業務服務系統等等，區塊鏈等新技術也率先在金融行業得以應用。（36氪）[2020/1/10]

具體而言，BBP技術只在節點之間傳輸區塊頭，各節點對新區塊的交易進行預測和提前打包、提前驗證，這樣區塊在傳播過程中對新區塊的驗證就只是將預先計算的全局狀態和嵌入在區塊頭中的全局狀態進行一個簡單的比較確認即可。因此，不管每個區塊中的交易量有多大，其傳播時間和驗證時間都只是一個區塊頭的時間（固定的），不再受到交易數量的制約，每個區塊也能容納下任意多數量的交易。同時，BBP技術利用了除出塊節點外，其他節點也在進行出塊計算的原理，將區塊傳播和區塊驗證從串行關系轉向并行關系。于是，BBP從基礎協議設計上來消除區塊中交易數量對于傳播時間的制約以及減少區塊驗證時間，徹徹底底地提高TPS，釋放區塊鏈的性能。

動態 | 廣州區塊鏈發票平臺“稅鏈”的上“鏈”發票數量超過2.7億:據南方網消息，12月18日，螞蟻金服區塊鏈業務總監施躍浪在中國科技金融論壇上表示，螞蟻區塊鏈已經落地超40個場景，月均增加2個左右。截至2019年11月5日，通過廣州“稅鏈”區塊鏈電子發票平臺上“鏈”的發票數量已經超過2.7億，發票歸集功能惠及近6萬戶開票納稅人。[2019/12/18]

（傳統區塊鏈中交易傳播、驗證和BBP中的交易傳播、驗證方案比較）

不過，要實現上述技術目標也并不容易，要同時兼顧很多方面的考慮和解決若干技術挑戰：

1、如何確保在預打包一個區塊體前，所有節點的預測都是大致相同的。由于去中心化的區塊鏈節點之間沒有假定信任（presumed-trust），因此原則上節點可以根據自己的喜好選擇交易并將其封存在區塊中。在以太坊中，節點通常會選擇交易后將其排序并打包到區塊中，使GAS收益達到最大化。為了使分散的去信任節點做出的決策達到一致，新方案必須要能起到激勵節點的作用，通過遵循共同的規則預先打包幾乎完全一樣的區塊體。??

2、如果節點預測的交易略有不同，又該如何協調成一致。由于區塊鏈是在去中心化的 P2P 網絡上運行的，因此不同節點上的交易很可能是不同的。因此，即使所有節點都遵循相同的規則來選擇交易并預先打包成區塊體，這些區塊體也可能是不同的。值得注意的是，在以太坊中，區塊體中單個交易的差異或是打包順序的差異都可能導致區塊頭中驗證摘要信息的不同。當節點選擇的交易以及排序略有不同時，一旦在區塊到達時需要重新排序并重新驗證所有的交易，BBP就會失效。因此，新方案要能在新區塊到達之前就能使不同節點做出的交易預測達到一致。

3、如何在預驗證過程中處理一些尚未得到的信息。由于在新區塊到達之前，用于驗證區塊的一些信息可能還無法知曉，因此區塊就無法執行完整的預驗證。例如，某些交易可能會涉及到與礦工相關的Coinbase地址，但在每個節點的預驗證過程中卻無法事先知道哪些礦工最后會成功。因此，為了能夠保證整個流程的一致性并且使TPS最高效，BBP的預驗證過程還必須要能解決此類交易中產生的難題。

BBP技術的提出者對如何解決上述技術問題給出了當前的方案（具體可詳見論文：https://arxiv.org/abs/2204.08769），并在大規模區塊鏈網絡上對BBP進行了實驗。結果表明，BBP的區塊全網傳播時間比以太坊（在可以支持最大交易數量時）減少了 4 倍。

結語：當前，區塊鏈網絡中的區塊傳播與驗證時間制約了TPS性能。此外，由于許多提高TPS的解決方案是以降低安全性為代價，因此如何在TPS和安全性之間做出平衡也是急需解決的一大難題。與以太坊上的協議相比，帶有預驗證機制的隱形區塊傳播（BBP）可以在不影響安全性的情況下，將區塊傳播速度提高。更重要的是，BBP的區塊傳播時間幾乎與區塊中的交易數量無關。因此，TPS將不再受到區塊傳播的制約。實際上，在實施BBP時，相當于只插入了一個預打包的區塊體模塊和一個預驗證模塊作為對交易池的擴展，因此BBP與其它下層和上層的區塊鏈技術是完全兼容的。最后，實驗結果也證實了BBP在TPS的擴展性方面具有相當卓越的性能。因此，我們對于BBP在真實區塊鏈系統中的表現抱有極大的期待。

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