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Utreexo希望

提要

本文会先容Utreexo的优点,以及这些优点的实现水平,论述最新Utreexo应用中取得的重大希望,然则要让这项科技普通化,还需要一个漫长的历程。

2020年7月最新的演示公布会中,我们指出,未来Utreexo项目能够将Utreexo累加器应用到btcd,btcd是Go语言的BTC实现。我很喜悦,由于该实现已经能够用于另一个演示版本。这个版本中可以演示一种称为“致密状态节点”的新修剪型节点模式。

2020年4月揭晓了一篇“ELI5: Utreexo——一个扩容解决方案”的文章,这篇文章先容了以下几个致密状态节点的优势:

1. 新的全节点模式只会占用几千字节,能够让hdd节点像ssd节点一样快速同步。

2. 能够实现初始区块并行下载。

3. 由于现在使用的是谷歌的数据库,通过致密状态节点,共识能够独立于数据库实现,增强BTC平安性。

4. Utreexo的应用不会导致BTC分叉。

就现在的生长状态而言,第3和第4点现已实现,第1点只有部门实现了,由于非Utreexo数据的存在,节点巨细照样不能缩小到千字节,第2点还在努力实现。

3点为何主要?

几年来,在提高BTC平安性方面,重点之一是消除它的任何外部依赖性。外部依赖性指的是依赖那些BTC开发者没有编写的代码,而这些又是BTC软件运行需要的代码。对于任何高度依赖平安的项目,都要只管制止依赖外部代码,由于它们可能会发生破绽。为了把这种风险降到最低,依赖的外部代码都要经由审查,然后保留审查后的代码副本。然而,这种并不是完善的方式,代码若是由BTC开发者直接编写、测试和审查会更好。出于这个缘故原由,BTC开发人员已经从中删除了种种发生外部依赖的代码,例如OpenSSH代码。

现在,依赖最大的外部代码是存储未破费输出聚集(UTXO聚集)和区块索引的数据库。现在BTC使用谷歌的“LevelDB”数据库。LevelDB必须要没有代码破绽,这对于BTC的平安性至关主要。LevelDB中若是存在破绽,可能会导致双花或导致意外分叉。事实上,BTC在LevelDB之前使用的是Berkeley DB,2013年,Berkeley DB在比特币焦点节点中的应用泛起破绽,导致旧钱包节点在读取区块225430时失败,导致意外分叉。

上文提到的UTXO是BTC的一套支付系统。UTXO聚集对于维护BTC的平安异常主要,由于这直接组成BTC共识,移除LevelDB将极大地提高其抵御风险的能力。

3点的实现

之以是需要一个数据库,是由于UTXO聚集包罗跨越6000万个UTXO,这些UTXO都要纪录,而且能够快速接见,由于接见速率过慢会降低区块初始下载速率。快速接见大量细分数据通常会使用数据库。

然而,有了Utreexo致密状态节点,基本不需要数据库。相反,我们需要让UTXO的发送者提供UTXO数据和Utreexo累加器,证实UTXO存在。这样在Utreexo致密状态节点实现中,UTXO聚集无需保留。这允许从BTC共识的另一个要害部门中删除LevelDB。

针对主链扩容,以下是现有区块验证方式与Utreexo致密状态节点区块验证的对比:

这里唯一的区别是后者的区块验证没有接见数据库。相反,它使用Utreexo来验证区块。

代码转变异常小,由于大多数区块验证函数都保持稳定。检查累加器证实后,经由验证的UTXO数据(验证块所需的)会转换成为“UtxoViewpoint”,也就是现有的UTXO聚集缓存结构,这相当于比特币焦点节点的CCoinsView,然后UTXO数据会传递给现有的区块验证函数。

4点的主要性

在像BTC这样的 *** 化系统中,加入新功效需要分叉,而分叉会带来很大风险。BTC硬分叉在很大水平上不可能实现,由于不值得为了一个功效而举行硬分叉。软分叉也很难实现,由于需要大量社区支持。

另一方面,在无需分叉的条件下,若是可以直接添加一个新功效,那么这个功效的部署就会简朴得多。例如,BIP-152压缩区块继电器获得了普遍接纳,无需分叉。对于BIP-152,节点可以选择是否加入,由于该提议没有强制性,没有选择加入的节点不用做出任何改变。

4点的实现

这是最容易实现的一点,由于Tadge Dryja第一次写Utreexo论文时,它就解决了。我们通过使用称为“桥接节点”的过渡节点,制止软分叉,这种节点能够毗邻新的Utreexo节点和当前的BTC节点。

当非utreexo节点毗邻到桥接节点时,桥接节点的功效与当前的BTC全节点相同。然而,一个Utreexo节点毗邻到桥接节点后,它将提供正常区块的Utreexo证实,同样也会将该证实提供给一个非Utreexo节点。

那篇4月揭晓的文章提到,会对Utreexo二进制文件举行硬编码,而且只能毗邻到我们运行的桥接节点,制止滋扰BTC测试网。

1点的主要性

要运行一个完整节点,上文提到的UTXO聚集是需要条件。然而,越来越多节点接纳这种聚集后,再加上BTC的单元能够越分越细,UTXO聚集将会变大。现在,UTXO聚集巨细约是4GB,但对于价格低廉装备,这个巨细可能会继续增添,跨越这些装备的处置能力。BTC若是能够获得普遍使用,降低UTXO聚集的巨细异常主要。

在当前BTC节点中,一个区块引用任何UTXO时,节点需要获取该UTXO,要么通过硬盘,要么通过缓存。节点若是硬盘速率较慢,就会造成问题,这也是BTC现在的瓶颈之一。对于修剪型节点,这是一个更大的约束,由于当区块经由修剪后,各个缓存的UTXO会写入磁盘。BTC开发者Pieter Wuille也指出了这个问题,修剪型节点的同步速率比未修剪节点慢。

Utreexo致密状态节点能够提高同步速率,由于无需对UTXO聚集举行磁盘读取。这说明在任何存储中,无论是基于NVMe协议的固态硬盘照样其他硬盘,Utreexo致密状态节点都能发挥出同样性能。

1点的现在希望

全节点巨细尚未缩小到只有几千字节,由于区块头等元数据就占用了几百兆字节。只管chainstate占用空间小,若是要实现目的,其他数据的巨细也不容忽视。在这次公布版本中,目的是缩小到几百兆字节。

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下图对比了Utreexo致密状态节点与比特币焦点节点的chainstate。

如上图所示,Utreexo致密状态节点的chainstate巨细仅为424字节,因此对于节点中的chainstate巨细,泛起了舍入错误。现实上,用于重新毗邻已知节点举行重启的peers.json文件占用了205 kb,其巨细约是chainstate的483倍。

以下对比了修剪型比特币焦点节点和Utreexo致密状态节点之间的性能差异,考察基于NVMe协议的固态硬盘和其他硬盘的读写速率。

这项测试会指定节致密状态节点毗邻到一个差别的内陆Utreexo桥接节点,从基于NVMe协议的固态硬盘读取数据,从而举行基准测试。假设比特币焦点节点中前1864000个区块都经由了验证,将同样的设置应用到致密状态节点中。测试网3到达1906000区块高度后,完成测试。

本次测试使用了以下硬件:

CPU::AMD Ryzen 3600

内存:三星32GB DDR4 2666MHz

作为内陆服务节点的基于NVMe协议固态硬盘:2TB Sandisk ULTRA .2 NVMe .2

作为测试节点的基于NVMe协议固态硬盘:1TB HP SSD EX950 M.2

测试节点硬盘:Western Digital WD10EZEX-22BN5A0 1TB 7200RPM

以下是发送到比特币焦点节点的标志:

-prune=550

-connect=127.0.0.1

-disablewallet

-blocksonly 

-testnet

对于比特币焦点节点,在基于NVMe协议的固态硬盘上运行需要784秒,而在其他硬盘上则需要1066秒。对于Utreexo致密状态节点,在基于NVMe协议的固态硬盘上运行需要1,643秒,而在其他硬盘上需要1,700秒。

请注意,就当前Utreexo致密状态节点的实现而言,仍然要举行许多性能优化。它现在速率比比特币焦点节点慢,由于我们分叉了一个比后者慢得多的btcd节点。我们后续会公布一个版本和一篇重点说明性能的文章。

为何第2点云云主要?

为了制止混淆,本文提到是指链级并行下载。这意味着单个节点将同时验证多个区块,好比100001到200000然后是200001到300000。第2点指的不是区块层级的并行下载,在这种并行下载中,区块的买卖署名接受并行验证,这在btcd和比特币焦点节点中已经实现。

在计算机领域,并行化是指同时执行多个历程。这可以提高空闲硬件的使用率,例如CPU,若是硬件处于空闲状态,性能可能会提高。近年来,由于物理限制,在提高时钟频率方面,CPU开发泛起了难题。以是,人们更多地关注的是增添焦点数目,而不是提高时钟频率。针对这种情形,软件开发也做出了响应改变,越来越强调并行化,目的是充分利用更多CPU焦点。

并行化区块初始下载可以大幅削减同步全节点所需的时间,这样个人用户而言,运行一个全节点也更容易。更多的节点将使BTC网络更能抵御攻击。从这个角度来看,并行化也能够增添BTC的平安性。

2点的现在希望

任何区块的验证都需要前一个块的UTXO聚集。例如,若是我们正在验证区块501,我们需要区块500的UTXO聚集。然而,要获得区块500的UTXO聚集,需要区块499的UTXO聚集。这会发生一个问题,那就是要追溯到BTC的硬编码创世区块,阻碍着链级并行化的实现。

有了Utreexo后,这个问题加倍容易解决,由于UTXO聚集只有几百字节,而不是几千字节。这让我们可以将整个UTXO聚集示意硬编码到软件中,作为并行验证的起点。

请注意一点,有可能会泛起恶意节点,发送伪造UTXO聚集。然而,这并不会降低我们的平安要求,由于我们有多个CPU焦点,能够验证从创世区块最先一直到499区块高度。在这之后,我们会从501个区块继续验证,充分利用闲置CPU内核。完成前一步后,我们会检查区块,验证区块499和区块500的UTXO聚集是否匹配。因此,经由硬编码的UTXO聚集示意仅作为提醒,以提升处置速率,现实上所有区块都市经由验证。

为了支持这种类型的链级并行化,代码库必须支持多个chainstate保持活跃状态。对于拥有多个chainstate(纵然是两个)而言,主要难题在于必须纪录多个UTXO聚集。UTXO聚集需要一个数据库,磁盘上也要有该聚集的缓存,这样读取速率才气加速,在这种条件下,运行节点的硬件要求会变高。然则,Utreexo致密状态节点纵然没有数据库,也可以储存UTXO聚集,以是这不是问题。

拥有多个chainstate的目的正在实现。对于Utreexo致密状态节点,事情量大大降低,由于不需要为每个chainstate确立数据库,这样就可以拥有多个chainstate。对于btcd节点,输入Blockchain即可接见CChainstate数据库,

现在,我们仍在研究每个chainstate应该若何处置p2p网络新闻,实验差别的方式,例如使用两个初始区块下载管理器,或者纪录每个chainstate对区块发出的请求,但实现这个目的的历程仍然很漫长。

本次公布版本的缺陷

当前版本不支持区块链重组和内存池。因此,节点将以“blocksonly”模式运行,若是发生重组,节点会溃逃。Utreexo尚未能够实现对这两者的支持,以是这次公布的只是演示版本。BTC主网不会支持这个版本,它不应该用于现实买卖中,由于它仍然是早期版本,也存在破绽。

展望未来

第1点的现在希望中提到,我们会对Utreexo致密状态节点举行更多性能优化。这包罗加速开发Utreexo累加器和btcd组件。我们现在注意到许多问题,一旦修复这些问题,致密状态节点的速率能够获得提升,只是需要举行更多测试来实现。

去年就最先了对区块链重组支持的测试,但泛起了许多其他更紧迫的问题,暂停了该测试,在不久的未来,重组会获得实现。虽然还没有最先内存池支持的测试,然则我们已经计划了一段时间。我异常期待在今年实现支持内存池。

现在Utreexo累加器需要Go语言来编写。将累加器代码移植到Rust和c++是一项持久事情。我们不确定要花多长时间,不外现在已经打造了代码基础,需要各方通力合作。Utreexo的生长仍然任重而道远。

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