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Vitalik：区块链扩展性的限定

谢谢Felix Lange, Martin Swende, Marius van der Wijden 和 Mark Tyneway的意见反馈和审校。

大家能将区块链的扩展性提高到是多少？是不是确实能像 Elon Musk 常说的那般“区块時间加快十倍，区块尺寸提高十倍而且服务费减少一百倍”，而不容易造成 极其去中心化并违反区块链的本质？假如回答是否认的，那大家能做到哪些水平？更改公式计算优化算法会如何？更关键的是，假如引进相近 ZK-SNARK 或分块的作用会如何？一个分块型的区块链在理论上可以持续加上分块，那麼是不是确实能够那么做呢？

事实上，不管是不是应用分块，都是有关键且十分细微的技术性要素限定了区块链的扩展性。很多状况都是有解决方法，可是即便 拥有解决方法，也存有局限。本文将讨论在其中的很多难题。

假如仅仅简易地提高主要参数，难题好像就能获得处理。可是大家会因而投入哪些成本？

一般用户可以运行节点针对区块链的区块链技术尤为重要

想像一下凌晨三点多，你收到了一个紧急电话，来源于全球另一端帮你运行挖矿软件 (质押贷款池) 的人。从大概 14 分鐘前逐渐，你的养金鱼的鱼缸和别的几个人从链中分离出来了出去，而互联网依然保持着 79% 的算率。依据你的节点，大部分链的区块是失效的。这时候发生了账户余额不正确：区块好像不正确地将 450 万枚附加代币总分派给了一个不明详细地址。

一小时后，你与别的2个一样遭受出现意外的小挖矿软件参加者、一些区块电脑浏览器和交易中心方在一个在线聊天室中，看到有些人贴出了一条twiter的连接，开始写着“公布新的链上可持续性协议书开发设计股票基金”。

到早晨，有关探讨普遍散播在twiter及其一个不核查內容的论坛社区上。但那时候 450 万枚代币总中的非常大一部分早已在链上变换为别的财产，而且开展了数十亿美元的 defi 买卖。79％的的共识节点，及其全部关键的区块链电脑浏览器和轻钱夹的节点都遵照了这一条新链。或许新的开发人员股票基金将为一些开发设计给予资产，或是或许全部这种都被领跑的挖矿软件、交易中心以及裙带所占领。可是不管結果怎样，该股票基金事实上都变成了既成事实，一般用户没法抵抗。

也许也有那么一部主题风格影片。也许会由 MolochDAO 或其他组织开展支助。

这类情况会产生在你的区块链中吗？你所属区块链小区的精锐，包含挖矿软件、区块电脑浏览器和代管节点，很有可能融洽得非常好，她们很可能都是在同一个 telegram 频道栏目和微信聊天群中。假如她们确实想出自于权益忽然对协议书标准开展改动，那麼她们很有可能具有这类工作能力。以太币区块链在十小时内彻底解决了的共识不成功，如果是只有一个手机客户端完成的区块链，而且只必须将编码变更布署到几十个节点，那麼能够迅速地融洽手机客户端编码的变更。可以抵挡这类社会认知合作进攻的唯一靠谱方法是“处于被动防御力”，而这类能量来源于去一个去中心化的人群：用户。

想像一下，假如用户运行区块链的验证节点 (不论是立即验证或是别的间接性技术性)，并全自动回绝违背协议书标准的区块，即便 超出 90% 的挖矿或质押贷款者适用这种区块，故事汇怎样发展趋势。

假如每一个用户都运行一个验证节点，那麼进攻迅速便会不成功：有一些挖矿软件和交易中心会开展分岔，而且在全部全过程中看上去很愚昧。可是即便 仅有一些用户运行验证节点，网络攻击也没法节节胜利。反过来，进攻会造成 错乱，不一样用户会见到不一样的区块链版本号。最坏状况下，接踵而来的销售市场焦虑和很有可能不断的链分岔将大幅度降低网络攻击的盈利。对这般旷日长久的矛盾开展解决的念头自身就可以阻拦大部分进攻。

Hasu 有关这一点的观点：

“我们要确立一件事，大家往往可以抵挡故意的协议书变更，是由于有着用户验证区块链的文化艺术，而不是由于 PoW 或 PoS。”

假定你的小区有 37 个节点运行者，及其 80000 名处于被动监视者，对签字和区块头开展查验，那麼网络攻击就获得胜利了。假如每一个人都运行节点得话，网络攻击便会不成功。大家不清楚对于协作进攻的运行群体免疫的准确阀值多少钱，但有一点是肯定清晰的：好的节点越多，故意的节点就越低，并且大家需要的总数毫无疑问不仅于几千几百个。

那麼全节点工作中的限制是啥？

为了更好地促使有尽量多的用户可以运行全节点，大家会将注意力集中在一般消費级硬件配置上。即便 可以轻轻松松选购到专用型硬件配置，这可以减少一些全节点的门坎，但实际上对扩展性的提高并比不上大家想像的那样。

全节点解决很多买卖的工作能力关键受制于三个层面：

算率：在确保安全性的前提条件下，大家能区划是多少 CPU 来运行节点？

网络带宽：根据当今的数据连接，一个区块能包括是多少字节数？

储存：大家能规定用户应用多少的室内空间来开展储存？除此之外，其载入速率应当做到是多少？(即，HDD 充足吗？或是说大家必须 SSD？)

很多应用“简易”技术性对区块链开展大幅度扩充的不正确观点都源于于对这种数据过度开朗的可能。我们可以先后来探讨这三个要素：

算率

不正确回答：100% 的 CPU 应当用以区块验证

标准答案：约 5-10% 的 CPU 能够用以区块验证

限定往往那么低的四个关键缘故以下：

大家必须一个安全性界限来遮盖 DoS 进攻的概率 (网络攻击运用编码缺点生产制造的买卖必须比基本买卖更长的解决時间)

节点必须在线下以后可以与区块链同歩。假如断线一分钟，那我该要可以在几秒以内进行同歩

运行节点不应该迅速地耗光充电电池，都不应当拖慢别的运用的运行速率

节点也是有别的非区块生产制造的工作中要开展，大部分是验证及其对 p2p 互联网中键入的买卖和要求作出回应

一定要注意，直至近期大部分对于“为何只必须 5-10%？”这一点的表述都偏重于另一个不一样的难题：由于 PoW 出块时间不确定，验证区块必须很长期，会提升另外建立好几个区块的风险性。这个问题有很多修补方式，比如 Bitcoin NG，或应用 PoS 利益证实。但这种并沒有处理别的四个难题，因而他们并沒有如很多人 所想在扩展性层面得到 极大进度。

并行性也不是神丹妙药。一般，即便 是看起来并行处理区块链的手机客户端也早已并行处理化了：签字能够由一个进程验证，而实行由别的进程进行，而且有一个独立的进程在后台管理解决买卖池逻辑性。并且全部进程的利用率越贴近 100%，运行节点的能耗就越大，对于 DoS 的安全性能就越低。

网络带宽

不正确回答：假如没 2-3 秒都造成 10 MB 的区块，那麼大部分用户的互联网都超过 10 MB/秒，她们自然都能解决这种区块

标准答案：也许大家能在每 12 秒解决 1-5 MB 的区块，但这仍然难以

现如今，大家常常听见有关互联网技术联接能够给予是多少网络带宽的广泛散播的数据统计：100 Mbps 乃至 1 Gbps 的数据很普遍。可是因为下列好多个缘故，声称的网络带宽与预估具体网络带宽中间存有非常大差别：

“Mbps”就是指“每秒钟上百万 bits”；一个 bit 是一个字节的 1/8，因而大家必须将声称的 bit 数除于 8 以得到 字节。

营运商，如同别的企业一样，常常编造谎言。

一直有好几个运用应用同一个数据连接，因此 节点没法独享全部网络带宽。

P2P 互联网难以避免会引进花销：节点一般最后会数次免费下载和重新上传同一个块 (更别说买卖在被装包进区块以前还需要根据 mempool 开展广播节目)。

当 Starkware 在 2019 年开展一项试验时，她们在买卖数据信息 gas 成本费减少后初次公布了 500 kB 的区块，一些节点事实上没法解决这类尺寸的区块。解决大区块的工作能力早已并将不断获得改进。可是不管大家干什么，大家依然没法获得以 MB/秒为企业的均值网络带宽，说动自身我们可以接纳 1 秒的延迟时间，而且有工作能力解决那类尺寸的区块。

储存

不正确回答：10 TB

标准答案：512 GB

如同大伙儿很有可能猜中的，这儿的关键论点论据与别的地区同样：理论和实际中间的差别。理论上，我们可以在amazon上选购 8 TB 固体推动 (的确必须 SSD 或 NVME；HDD 针对区块链情况储存而言太慢了)。事实上，我用于写这篇博闻的笔记本有 512 GB，假如你让大家去选购硬件配置，很多人 便会越来越懒散 (或是她们没法压力 800 美金的 8 TB SSD) 并应用去中心化服务项目。即便 能够将区块链装到某一储存设备上，很多主题活动还可以迅速地耗光硬盘并驱使你购买新硬盘。

一群区块链协议书研究者对每一个人的储存空间开展了调研。我明白样本数不大，但依然...

除此之外，储存尺寸决策了新节点可以发布并逐渐参加互联网需要的時间。目前节点务必储存的一切数据信息全是新节点务必免费下载的数据信息。这一原始同步时间 (和网络带宽) 也是用户可以运行节点的关键阻碍。在写这篇博闻时，同歩一个新的 geth 节点花了我大概 15 个钟头。假如以太币的需求量提升 10 倍，那麼同歩一个新的 geth 节点将最少必须一周時间，并且更有可能造成 节点的互联网技术联接受限制。这在进攻期内至关重要，当用户以前未运行节点时对进攻作出取得成功回应必须用户开启新节点。

互动效用

除此之外，这三类成本费中间存有互动效用。因为数据库查询在內部应用树形结构来储存和查找数据信息，因而从数据库查询中读取数据的成本费伴随着数据库查询尺寸的多数而提升。实际上，由于顶尖 (或前多少级) 能够缓存文件在 RAM 中，因此 硬盘浏览成本费与数据库查询尺寸正相关，是 RAM 中缓存文件尺寸的倍率。

不必从字面了解这一图，不一样的数据库查询以不一样的方法工作中，一般运行内存中的一部分仅仅一个独立 (但非常大) 的层 (参照 leveldb 中应用的 LSM 树)。但基本概念是一样的。

比如，假如缓存文件为 4 GB，而且大家假定数据库查询的每一层比上一层大 4 倍，那麼以太币当今的 ~64 GB 情况将必须 ~2 次访问。可是假如情况尺寸提升 4 倍到 ~256 GB，那麼这将提升到 ~3 次访问。因而，gas 限制提升 4 倍事实上能够转换为区块验证時间提升约 6 倍。这类危害很有可能会更高：电脑硬盘在已满情况下比空余时必须花更长期来读写能力。

这对以太币而言代表着哪些？

现在在以太币区块链中，运行一个节点对很多用户而言早已是一项挑戰，虽然最少应用基本硬件配置依然是很有可能的 (我写本文时刚在我的笔记本上同歩了一个节点！)。因而，大家将要遭受短板。关键开发人员最关注的难题是储存尺寸。因而，现阶段在处理测算和数据信息短板层面的极大勤奋，乃至对共识算法的更改，都不大可能产生 gas limit 的大幅度提高。即便 解决了以太币较大 的 DoS 缺点，也只有将 gas limit 提升 20%。

针对储存尺寸的难题，唯一解决方法是无状态和情况贷款逾期。无状态促使节点群可以在没有维护保养永久性储存的状况下开展验证。情况贷款逾期会使近期未浏览过的情况降解，用户必须手动式给予证实来升级。这两根途径早已科学研究了很长期，而且早已开始了有关无状态的定义验证完成。这两项改善紧密结合能够大大的减轻这种忧虑，并为明显提高 gas limit 开拓室内空间。但即便 在执行无状态和情况贷款逾期以后，gas limit 也很有可能总是安全性地提高约 3 倍，直至别的限定逐渐充分发挥。

另一个很有可能的中后期解决方法使应用 ZK-SNARKs 来验证买卖。ZK-SNARKs 可以确保一般用户不用本人存储状态或者验证区块，即便 她们依然必须免费下载区块中的全部数据信息来抵挡数据信息不能用进攻。此外，即便 网络攻击不可以强制递交失效区块，可是假如运行一个的共识节点的难度系数过高，仍然会出现融洽核查进攻的风险性。因而，ZK-SNARKs 不可以无尽地提高节点工作能力，可是依然可以对其开展大幅度提高 (也许是 1-2 个量级)。一些区块链在 layer1 上探寻该方式，以太币则根据 layer2 协议书 (也叫 ZK rollups) 来获利，比如 zksync, Loopring 和 Starknet。

分块以后又会怎样？

分片从源头上解决了以上限定，因为它将区块链上包括的数据信息与单独节点必须解决和储存的数据信息解耦了。节点认证区块并不是根据亲自免费下载和实行，只是应用优秀的数学课和密码算法技术性来间接性认证区块。

因而，分片区块链能够安全性地有着非分片区块链没法完成的十分高质量的货运量。这的确必须很多的密码算法技术性来合理取代质朴详细认证，以回绝失效区块，但它是能够保证的：该基础理论早已具有了基本，而且根据议案标准的定义认证早已在进行中。

以太坊方案选用二次方分片 (quadratic sharding)，在其中总扩展性遭受下列客观事实的限定：节点务必可以另外解决单独分片和信标链，而信标链务必为每一个分片实行一些固定不动的管理方面。假如分片很大，节点就不可以再解决单独分片，假如分片过多，节点就不可以再解决信标链。这两个管束的相乘组成了限制。

能够想像，根据三次方分片乃至指数值分片，我们可以走得更长远。在那样的设计方案中，数据信息易用性取样毫无疑问会越来越更为繁杂，但它是能够完成的。但以太坊并沒有超过二次方，缘故取决于，从买卖分片到买卖分片的分片所得到 的附加扩展性盈利事实上没法在别的风险性水平可接纳的前提条件下完成。

那麼这种风险性是什么呢？

最少用户数

能够想像，只需有一个客户想要参加，非分片区块链就可以运作。但分片区块链并不是这样：单独节点没法解决成条链，因而必须充足的节点以一同解决区块链。假如每一个节点能够解决 50 TPS，而链能够解决 10000 TPS，那麼链最少必须 200 个节点才可以续存。假如链在任何时刻都低于 200 个节点，那很有可能会发生节点没法再维持同歩，或是节点终止检验失效区块，或是还很有可能会产生很多别的错事，实际在于节点手机软件的设定。

结合实际，因为必须沉余 (包含数据信息易用性取样)，安全性的最少总数比简易的“链 TPS 除于节点 TPS”高好几倍，针对上边的事例，大家将其设定位 1000 个节点。

假如分片区块链的容量提升 10 倍，则最少用户量也提升 10 倍。如今大伙儿很有可能会问：为何我们不从较低的容量逐渐，当客户许多时再提升，由于它是大家的具体必须，用户数下降再减少容量？

这儿几个难题：

区块链自身没法靠谱地检验到其上有多少唯一客户，因而必须某类整治来检验和设定分片总数。对容量限定的整治非常容易变成瓦解和矛盾的根本原因。

假如很多客户忽然另外出现意外断线该怎么办？

提升运行分岔需要的最少用户数，促使防御力故意操纵更为艰辛。

最少用户量为 1,000，这基本上能够说成没什么问题的。另一方面，最少用户量设为 100 万，这肯定是不好。即便 最少用户量为 10,000 还可以说逐渐越来越有风险性。因而，好像难以证实超出几十个分片的分片区块链是有效的。

历史时间可查找性

客户真真正正珍惜的区块链关键特性是永久。当企业破产或者维护保养该生态体系不会再造成权益时，储存在网络服务器上的数字货币将在 10 年之内不会再存有。而以太坊上的 NFT 是永久性的。

是的，到 2372 年大家仍可以免费下载并查看你的数据加密猫。

可是一旦区块链的容量过高，储存全部这种数据信息便会越来越更为艰难，直至某时发生极大风险性，一些历史记录最后将……没有人储存。

要量化分析这类风险性非常容易。以区块链的数据信息容量 (MB/sec) 为企业，乘于 ~30 获得每一年储存的信息量 (TB)。当今的分片方案的数据信息容量约为 1.3 MB/秒，因而约为 40 TB/年。假如提升 10 倍，则为 400 TB/年。如果我们不但期待能够浏览数据信息，并且是以一种方便快捷的方法，大家还必须数据库 (比如压缩包解压归纳买卖)，因而每一年做到 4 PB，或十年后做到 40 PB。Internet Archive (互联网技术档案室) 应用 50 PB。因此 这能够说成分片区块链的安全性尺寸限制。

因而，看上去在这里2个层面上，以太坊分片设计方案事实上早已十分贴近有效的较大 标准值。参量能够提升一点，但不可以提升过多。

总结

试着扩充区块链的方式有二种：基本的技术性改善和简易地提高主要参数。最先，提高主要参数听起来很有诱惑力：假如您是在餐紙上开展数学运算，这就非常容易让自身坚信消費级笔记本每秒钟能够解决千余笔买卖，不用 ZK-SNARK、rollups 或分片。悲剧的是，有很多细微的原因能够表述为何这类方式是有压根缺点的。

运作区块链节点的电脑无法应用 100％的 CPU 来认证区块链；她们必须非常大的边际贡献率来抵御出现意外的 DoS 进攻，她们必须预留容量来实行例如在内存池中解决买卖这类的每日任务，而且客户不期待在电子计算机上运作节点的情况下没法另外用以一切别的运用。网络带宽也会受到限制：10 MB/s 的联接并不代表着每秒钟能够解决 10 MB 的区块！或许每 12 秒才可以解决 1-5 MB 的块。储存也是一样，提升运作节点的硬件配置规定而且限定专业的节点运作者并并不是解决方法。针对区块链技术的区块链来讲，普通用户可以运作节点并产生一种文化艺术，即运作节点是一种广泛个人行为，这一点尤为重要。

殊不知，基本的技术性改善是行得通的。当今，以太坊的关键短板是储存尺寸，而无状态性和情况贷款逾期能够处理该难题，并使其可以数最多提高约 3 倍，但不可以再多，由于大家期待运作节点比当今更非常容易。选用分片的区块链能够进一步拓展，由于分片区块链中的单独节点不用解决每单买卖。但即便 是分片区块链，容量也是有局限：伴随着容量的提升，最少安全性用户量提升，存档区块链的成本费 (及其要是没有人存档链，数据信息存有遗失的风险性) 便会升高。可是大家无须过度担忧：这种限定足够我们在确保区块链彻底安全系数的另外每秒钟解决一百万笔买卖之上。可是要在没有危害区块链最珍贵的区块链技术特点的前提条件下完成这一点，大家必须投入大量勤奋。

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来源于 | vitalik.ca

创作者 | Vitalik Buterin

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