📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸
✍️ Ping Chen
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使用管線化（Pipeline）技術可以提升區塊鏈的處理效能，但也可能會產生相應的代價。
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區塊鏈的擴容方案
說到區塊鏈的效能問題，目前討論度最高的應該是分片（sharding）技術，藉由將驗證者分成多組的方式，可以同時分別處理鏈上的交易需求，即使單分片效能不變，總交易量可以隨著分片/驗證者集的數量線性增加。
除了分片，另一個常用來提升程式效能的方案是將計算步驟拆解，以流水線的方式將複雜的運算攤平，降低系統的閒置時間，並大幅提升工作效率。為了達到管線化預期的目的，會需要先知道系統的瓶頸在哪。
區塊鏈的效能瓶頸
熟悉工作量證明設計哲學的人應該會知道，區塊鏈之所以需要挖礦，並不是為了驗證交易的正確性，而是要決定交易的先後順序，從而避免雙花和帳本分裂的發生。可以說，區塊鏈使用低效率的單線程設計，並付給礦工高額的成本，都只為了一件事，就是對交易的全局排序產生共識。
在這樣的基礎之上，區塊鏈在一段時間內可以處理的交易數量是有限的，這之中包含許多方面的限制，包括 CPU 效能、硬碟空間、網路速度等。其中，關於 TPS(每秒交易數) 提升和對硬體的要求大致上是線性增加的，但在設計共識演算法時，通訊複雜度常是平方甚至三次方的關係。
以現在的目標 TPS 來說，處理交易和生成一個合法的區塊並不困難，只是因為區塊鏈的特性，新區塊需要透過洪水法的方式擴散到全網路，每個節點在收到更新請求的時候都要先執行/驗證過區塊內的交易，等於整個廣播的延時會是「驗證區塊時間×經過的 hop 數量」這麼多。似乎網路越分散、節點越多，我們反而會需要降低計算量，以免讓共識不穩定。
管線化的共識機制
使用權益證明取代工作量證明算是行業發展的趨勢，除了環保或安全這些比較顯然的好處之外，權益證明對產生共識的穩定性也很有幫助。首先，權益證明在同一時間參與共識的節點數是已知的，比較容易控制數量級的邊界；其次，權益證明的出塊時間相較工作量證明固定很多，可以降低計算資源不足或閒置的機率。
相較於工作量證明是單一節點出塊，其餘節點驗證，權益證明的出塊本身就需要很多節點共同參與，瓶頸很像是從驗證轉移到通訊上。
以 PBFT 為例，每次產新區塊都需要經過 pre-prepare, prepare, commit 三個階段，你要對同意驗證的區塊簽名，還要對「你有收到某人的簽名」這件事簽名，再對「你有收到 A 說他有收到 B 的簽名」這件事簽名，過程中會有很多簽名飛來飛去，最後才能把一個區塊敲定。
為了降低每兩個區塊間都需要三輪簽名造成的延遲，後來的共識演算法包括 HotStuff 和 Casper FFG 採用了管線化的區塊驗證過程。也就是對區塊 T 的 pre-prepare 同時是對 T-1 的 prepare 和對 T-2 的 commit。再加上簽名聚合技術，出塊的開銷在複雜度等級和係數等級都降低許多。
然而，要保持管線化的區塊生產順利，需要驗證者集合固定不變，且網路通訊狀況良好。如果會經常更動驗證者集合或變換出塊的領導者，前後區塊間的相依性會是個大問題，也就是 T 的驗證者集合取決於 T-1 裡有沒有會導致刪除或新增驗證者的交易，T-1 的合法性又相依於 T-2，以此類推。
當激烈的分叉出現的時候，出塊跟共識的流水線式耦合就從優雅變成災難了。為了避免這種災難，更新的共識演算法會限制驗證者變更的時機，有些叫 epoch 有些叫 checkpoint，每隔一段時間會把前面的區塊徹底敲定，才統一讓驗證者加入或退出。到這些檢查點的時候，出塊的作業流程就會退化成原本的三階段驗證，但在大部分時候還是有加速的效果。
管線化的狀態更新
另一個可以用管線化加速的是區塊鏈的狀態更新。如前所述，現在公鏈的瓶頸在於提高 TPS 會讓區塊廣播變慢，進而導致共識不穩定，這點在區塊時間短的以太坊上尤其明顯。可是如果單看執行一個區塊內的交易所花的時間的話，實際上是遠遠低於區塊間隔的。
只有在收到新區塊的時候，節點才會執行狀態轉移函數，並根據執行結果是否合法來決定要不要把區塊資訊再廣播出去。不過其實只要給定了交易集合，新的狀態 s’ = STF(s, tx) 應該是確定性的。
於是我們有了一個大膽的想法：何不乾脆將交易執行結果移出共識外呢？反正只要大家有對這個區塊要打包哪些交易有共識，計算的結果完全可以當作業留給大家自己算吧。如果真的不放心，我們也可以晚點再一起對個答案，也就是把這個區塊執行後的新狀態根包在下個區塊頭裡面。
這就是對狀態更新的管線化，在區塊 T 中敲定交易順序但暫不執行，區塊 T+1 的時候才更新狀態（以及下一批交易）。這麼做的好處十分顯而易見，就是將原本最緊繃的狀態計算時間攤平了，從原本毫秒必爭的廣播期移出來，變成只要在下個塊出來之前算完就好，有好幾秒的時間可以慢慢來。新區塊在廣播的每個 hop 之間只要驗證交易格式合法（簽名正確，有足夠的錢付手續費）就可以放行了，甚至有些更激進的方案連驗簽名都省略了，如果真的有不合法交易混進去就在下個區塊處罰礦工/提案者便是。
把負擔最重的交易執行移出共識，光用想的就覺得效能要飛天，那代價呢？代價是區塊的使用程度會變得不穩定。因為我們省略了執行，所以對於一筆交易實際用掉多少 gas 是未知的。本來礦工會完整的執行所有交易，並盡可能的塞滿區塊空間，然而在沒有執行的情況下，只能以使用者設定的 gas limit 當作它的用量，能打包的交易會比實際的上限少。
緊接著，下一個問題是退費困難。如果我們仍然將沒用完的手續費退還給使用者，惡意的攻擊者可以透過發送 gas limit 超大，實際用量很小的交易，以接近零的成本「霸佔」區塊空間。所以像已故區塊鏈 DEXON 就直接取消 gas refund，杜絕濫用的可能。但顯然這在使用者體驗和區塊空間效率上都是次優的。
而最近推出的 smartBCH 嘗試擬了一套複雜的退款規則：交易執行後剩餘的 gas 如果小於 gas limit 的一半（代表不是故意的）就退款；如果剩餘量介於 50%-75% 可以退一半；超過 75% 推斷為惡意，不退款。乍看是個合理的方案，仔細一想會發現製造的問題似乎比解決的還多。無論如何，沒用掉的空間終究是浪費了，而根據殘氣比例決定是否退款也不會是個好政策，對於有條件判斷的程式，可能要實際執行才知道走哪條路，gas limit 一定是以高的情況去設定，萬一進到 gas 用量少的分支，反而會噴更多錢，怎麼想都不太合理。
安全考量，退費大概是沒希望了。不過呢，最近以太坊剛上線的 EIP1559 似乎給了一點方向，如果區塊的使用程度能以某種回授控制的方式調節，即使偶爾挖出比較空的區塊似乎也無傷大雅，也許能研究看怎麼把兩者融合吧。
管線化方案的發展性
考慮到以太坊已經堅定地選擇了分片的路線，比較激進的單鏈高 TPS 管線化改造方案應該不太有機會出線，不過管線化畢竟是種歷史悠久的軟體最佳化技巧，還是很有機會被使用在其他地方的，也許是 VDF 之於信標鏈，也許是 rollup 的狀態轉換證明，可以坐等開發者們表演。
倒是那些比較中心化的 EVM fork/sidechain，尤其是專門只 for DeFi 的鏈，管線化加速可以在不破壞交易原子性的前提下擴容，確實是有一些比分片優秀的地方可以說嘴，值得研究研究，但這就要看那些機房鏈們有沒有上進心，願不願意在分叉之餘也投資發展自己的新技術了。
給我錢
ping.eth
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挖礦傷硬碟 在 [情報] 挖礦加速耗損SSD，硬碟廠急修保固條款 的推薦與評價
Chia 其實「沒那麼綠」？挖礦加速耗損 SSD，硬碟廠急修保固條款
https://technews.tw/2021/05/14/hard-drive-factory-revises-the-warranty-terms/
一夕爆紅的奇亞幣（Chia）挖礦點燃全球硬碟搶購潮，不少玩家、一般需求者叫苦連天，
卻阻止不了「綠色比特幣」前行的腳步。然而由於 Chia 會加速硬碟汰換，不少廠商正準
備修改保固條款，免得被有心人士濫用。
號稱「綠色比特幣」的 Chia Network 以「人人可挖」、「對環境負載低」等概念而一夕
爆紅，導致硬碟缺貨、相關類股齊漲。
然而隨著 Chia 挖礦行為普及，相關消息與評論也逐漸完整。據外媒《Cointelegraph》
報導，因為挖礦造成急速損耗，固態硬碟（SSD）更早遇上壽限，讓硬碟廠商們如臨大敵
，急忙修改保固條款，以免被濫用。
不同於傳統的區塊鏈網路，由於 Chia 採取「時間與空間證明」（PoST），用戶只需花費
硬碟和網路資源，不需要很強悍的 CPU、GPU 、ASIC。簡單來說，就是一般人也可以採用
閒置的硬碟參與挖礦。
此舉為現在礦池算力集中化的局面開闢出另一條路，手上持有硬碟的新舊礦工們紛紛湧入
Chia 的懷抱、大量掃貨硬碟庫存，導致市場短缺。然而由於運行 Chia 仰賴硬碟的儲存
，並且會不斷地有新資料灌入，讓 SSD 損耗遠超出正常使用情境。
為什麼挖礦會加速 SSD 淘汰？
SSD 是固態硬碟，相對於傳統的 HDD（例如 2.5 吋硬碟）來說有速度凌駕的優勢，搭載
傳統 HDD 的電腦可能要花上好幾分鐘才能完成開機，SSD 只需要不到 20 秒即可完成。
然而 SSD 的成本相對高很多，在價格平穩時期（Chia 造成搶購之前）要購買一個 256
GB 的 SSD 需要 1,000 至 2,000 新台幣初頭，但相同的資金卻可以買到 1T、2T 甚至更
高的 HDD。
同時 SSD 具「壽限」特性，整顆硬碟的壽命會隨著資料量不斷進出而逐漸減少。可以理
解成智慧型手機搭載的鋰電池，隨著充電循環次數越來越多，電池最終將不堪使用。
因此硬碟廠商通常會給予硬碟產品 3~5 年保固，但 Chia 的「播種」行為讓整個 SSD 循
環次數暴增。
《CoinTelegraph》引述中國媒體《快科技》7 日報導指出，以寫入資料量達 256TB 的條
件來說，一顆 512GB SSD 只要運行 40 天 Chia 後就會碰上壽限，1TB 可撐到 80 天，
2TB 則約 160 天。但正常情況下，這些 SSD 都能用近 10 年。
如此高速損耗超出硬碟商現有的保固規劃，衍生出用戶濫用保固的問題。《快科技》透露
，有些硬碟廠商已開始研擬修改保固條款，以對付「綠色比特幣」帶來的大批硬碟報廢潮
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※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/PC_Shopping/M.1620976360.A.DA9.html
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