区块链中的区块传播问题：防止比特币扩展

众所周知，缺乏可扩展性是阻碍大规模采用区块链技术的最大障碍。所有现有的区块链项目都在寻找可以改善其网络性能的解决方案。许多新兴项目声称他们拥有可以解决该问题的方案。但是，这样的断言并不总是有效的。不幸的是，许多观察家和投资者没有意识到这个问题的核心和根源。没有深入的调查和大量的技术背景，就很难确定隐藏的瓶颈和权衡取舍。在本文中，我们将讨论防止比特币扩展的瓶颈。

分散式点对点网络比特币发明不久后，研究人员对决定比特币扩展规模限制的事物产生了兴趣。很快被确定和核心问题描述在以下方面块传播时间或块的传播延迟。

这是新块到达网络中大多数节点所需的平均时间。在像比特币这样的大型分散式网络中，每当生成新块时，就会根据八卦协议进行广播。如果某个节点获得了新的有效块，它将通知与其连接的节点有关其新拥有权的信息。

然后，节点将该块传送到要求其执行此操作的那些节点。在该块到达网络中的每个完整节点之前，它会通过7个中间节点。重要的是，每个诚实节点都必须先验证该块，然后再将其中继给其他对等节点。

显然，整个过程需要一段时间。每个新块都会动摇网络，并使它们之间的节点和以太网连接以最大功率工作。

有人可能会说，自网络启动以来，Gossip协议有了许多改进。例如，比特币改进提案BIP 0152引入了在区块主体中仅传输短交易ID而不是整个交易列表的选项。

但是，如果节点的内存池中没有该事务，则它必须要求其对等方在单独的消息中进行传输。如果该区块中有大量此类事务，则BIP 0152的改进将消失。

由于数据传输是块中继中最耗时的部分，因此研究人员对确定一定大小的数据包到达网络中50%，90%或95%的节点需要多少时间感兴趣。

已经发现，对于大小大于20kB的块，块传播延迟几乎与块大小成正比。根据 2013年发布的研究，该块中每多出一千kB的数据都会导致块传播延迟增加80ms。

从那时起，每年都会发表有关该主题的两篇学术论文和调查。他们更新了上述数据并讨论了各种改进建议。

此外，该站点还监视比特币网络的当前状态和块传播时间。此外，它还为图表提供有关此主题的历史数据。

大多数完善的区块链网络的设计与比特币相同。结果，这些网络中的块传播时间遵循相同的规则。

不幸的是，区块传播时间对区块链安全性具有巨大影响。网络中的传播时间越长，矿工越会在旧块顶部进行挖掘。

结果，主链的分叉更加频繁地发生，并且孤立块的百分比增加。长的传播延迟导致所谓的验证者困境。

一些节点可能会发现跳过块验证步骤可能是一种有利可图的策略。在这种情况下，他们将面临在错误区块顶部进行开采的风险。

但是，如果块验证时间很长，则此策略可能会有利可图。研究人员发现，较长的传播延迟会降低节点抵抗51%攻击和自私采矿的能力。

为了解决上述问题，区块链开发人员经常尝试将区块传播时间保持在平均区块时间的1%以下。

对于基于PoW共识的比特币，以太坊和其他主要区块链网络而言，这都是正确的。因此，到比特币网络中50%节点的块传播时间通常低于6秒。

尽管像BIP 0152中所述的那样，快速块中继减少了平均块传播时间，但在最坏的情况下，它可能比基本协议花费更多的时间。

重要的是，即使在最坏的情况下，传播延迟也应合理，这样矿工将在大多数时间保持其节点同步，并始终验证提议的区块。

每当人们谈论区块链的可扩展性时，他们都会提及系统的交易吞吐量。但是，人们忘记了事务吞吐量的提高不应损害网络的安全性，也不应提高希望加入网络的节点的数据存储要求。

这些修改可以减少网络中独立交易验证器的数量，从而减少分散性。

可以使用以下公式轻松计算比特币的交易吞吐量：

哪里Bsize是块大小，Tsize是区块中交易记录的平均大小，Btime是区块链中连续区块之间的平均时间。显然，可以通过增加块大小，减小事务记录大小或减小块之间的间隔来增加事务吞吐量。减少事务记录的大小相当困难。

一个人可能会尝试另外两个选项。但是，这些操作将增加在块传播上花费的时间百分比。因此，网络的安全性和分散性可能受到损害。

可能会注意到，在上述的比特币协议中，网络资源的使用效率低下。每个节点仅在一小部分时间内处理并传输有关新块的重要数据。它的网络带宽确实很重要，但是一次只能使用几秒钟。

其余时间，该节点仅传输未决事务和辅助数据。这一发现启发了研究人员寻找更有效的协议设计，这些协议设计可以在不损害网络安全性和分散性的前提下，显着提高交易吞吐量。

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