區塊鏈:麻省理工發“幣”，性能完爆比特幣，新節點加入減少99%數據量！_區塊鏈技術發展現狀和趨勢

作者|jack

排版|木木

設計|土豆

小辣椒說：本文來源麻省理工學院新聞網站，發布時間為2019年1月23日，由小辣椒區塊鏈翻譯。英文水平有限，恐翻譯過程或有疏漏、錯誤，小辣椒把英文原文放在翻譯后面，供大家參考學習。

像比特幣這類加密貨幣是建立在區塊鏈上的網絡。在這個網絡上，金融交易的賬本數據格式化在一系列的區塊里。這些網絡是分布式的，沒有銀行或組織管理賬戶余額資金，由用戶聯合起來存儲和驗證交易信息。

但是，分布式會導致網絡可擴展性不足的問題。新的用戶節點在加入時，需要下載存儲此前成千上萬個區塊數據。新用戶加入后還要繼續存儲新的區塊數據，并且幫助驗證交易。這使得過交易過程緩慢，或者從計算角度來說有些不切實際。

一篇將在下個月網絡和分布式系統安全研討會展示的論文中，麻省理工的研究人員會介紹一個叫金庫(Vault)的加密貨幣，能夠讓用戶在加入網絡時下載僅占總交易數據的一小部分數據。

它還集成了刪除占用空間的空賬本技術，并允許核查只使用被劃分和共享在網絡上，盡量減少個人用戶的數據存儲和處理要求的最新交易數據。

在實驗中，與比特幣相比，Vault將加入其網絡的帶寬減少了99%，與以太網相比減少了90%。重要的是，Vault仍然確保所有節點都驗證所有事務，提供與現有節點相同的嚴格安全性。

“目前有很多加密貨幣在新用戶加入和存儲方面遇到了瓶頸。我們這里的主要目標時給越來越多的用戶提供好的擴展性，”作為的參與者，計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的研究生萊昂說道。

CSAIL的研究人員YossiGilad和NickolaiZeldovich也參與了這項研究。NickolaiZeldovich也是電子工程與計算機科學系(EECS)的教授;還有最近的校友AdamSuhl'18。

跨過區塊

加密貨幣網絡中的每個塊都包含一個時間戳、它在區塊鏈中的位置以及固定長度的數字和字母字符串(稱為“散列”)，這基本上是塊的標識。每個新塊都包含區塊鏈中前一個塊的散列。Vault中的塊還包含多達10,000個事務——或10兆字節的數據——這些事務都必須由用戶進行驗證。區塊鏈的結構，特別是哈希鏈，確保了對手在不被發現的情況下無法攻擊塊。

新用戶通過下載所有過去的交易數據來加入加密貨幣網絡，或“引導”，以確保它們是安全的和最新的。例如，要在去年加入比特幣，用戶需要下載50萬個區塊，總計約為150g。用戶還必須存儲所有帳戶余額，以幫助驗證新用戶并確保用戶有足夠的資金完成交易。隨著比特幣的賬戶數量超過2200萬個，存儲要求也越來越高。

研究人員在一種名為Algorand的新型加密貨幣網絡的基礎上構建了他們的系統。這種網絡由麻省理工學院的福特工程教授SilvioMicali發明。

麻省理工網絡安全專家認為區塊鏈投票存在諸多風險:11月16日，麻省理工計算機科學和人工智能實驗室的研究人員發布研究報告稱，依靠區塊鏈技術的投票并不是提高投票率的可靠手段，而且可能會增加黑客干擾選舉的風險。研究認為區塊鏈投票可能存在缺乏投票保密、缺乏審計等問題，且區塊鏈投票提高投票率是在以投票失去實際意義為代價。其帶來的問題多過于其能解決的問題。(Cointelegraph)[2020/11/16 20:56:09]

對于傳統的加密貨幣，用戶競相解驗證塊的方程，第一個解得到資金的方程。隨著網絡的擴展，這會減慢事務處理時間。Algorand使用“利害關系證明”概念來更有效地驗證塊并更好地支持新用戶加入。對于每一個區塊，都會選出一個具有代表性的核查“委員會”。在網絡中擁有更多資金或股份的用戶被選中的可能性更高。要加入網絡，用戶需要驗證每個證書，而不是每個事務。

但是每個塊都包含一些關鍵信息，以便在它之前立即驗證證書，這意味著新用戶必須從鏈中的第一個塊及其證書開始，然后依次驗證每個塊，這可能很耗時。為了加快速度，研究人員基于幾百塊或1000塊后面的一個塊(稱為“面包屑”)給每個新的證書驗證信息。當一個新用戶加入時，他們會將一個早期塊的面包屑匹配到前面1000個塊的面包屑。這個面包屑可以與前面1000個塊的另一個面包屑匹配，等等。

萊昂說:“論文標題是一個雙關語。”“金庫是一個你可以儲存錢的地方，但區塊鏈也讓你在加入一個網絡時‘金庫’跨越街區。”當我引導時，我只需要一個來自過去的塊來驗證未來的塊方法。我可以跳過中間的所有塊，這為我們節省了很多帶寬。

分而丟棄

為了減少數據存儲需求，研究人員設計了一種新的“分片”方案。該技術將事務數據分成更小的部分(或碎片)，在整個網絡中共享，因此單個用戶只需處理少量數據來驗證事務。

為了以一種安全的方式實現共享，Vault使用了一種眾所周知的數據結構，稱為二進制Merkle樹。在二叉樹中，單個頂部節點分支為兩個“子”節點，而這兩個節點又各自分解為兩個子節點，以此類推。

在Merkle樹中，頂部節點包含一個哈希，稱為根哈希。但是樹是由底部向上構造的。樹將底部的每一對子散列組合起來，形成它們的父散列。它在樹中重復這個過程，從每對子節點中分配一個父節點，直到將所有內容組合到根哈希中。在加密貨幣中，頂部節點包含單個塊的散列。每個底部節點包含一個散列，表示塊中一個事務涉及的一個帳戶的余額信息。balance散列和block散列綁定在一起。

為了驗證任何一個事務，網絡組合兩個子節點以獲得父節點散列。它在樹上重復這個過程。如果最終的組合散列與塊的根散列匹配，則可以驗證事務。但是對于傳統加密貨幣，用戶必須存儲整個樹結構。

通過Vault，研究人員將Merkle樹分成不同的碎片，分配給不同的用戶組。每個用戶帳戶只在其分配的分片中存儲帳戶的余額，以及根散列。訣竅是讓所有用戶存儲一層節點，該節點橫切整個Merkle樹。當用戶需要從碎片外部驗證事務時，他們會跟蹤到該公共層的路徑。從這個公共層，他們可以確定分片之外的帳戶余額，并正常地繼續驗證。

動態 | HDR Global Trading支持麻省理工學院數字貨幣計劃:據ambcrypto報道，擁有并經營BitMEX的公司HDR Global Trading宣布將捐贈麻省理工學院數字貨幣計劃，以支持其對加密貨幣的研究。麻省理工學院的研究將試圖幫助開發和改善全球加密貨幣生態系統。[2019/5/29]

萊昂說:“網絡的每個碎片負責存儲大數據結構的一小部分，但這一小部分允許用戶驗證來自網絡所有其他部分的交易。”

此外，研究人員還設計了一種新的方案，可以識別和丟棄用戶指定的在一定時間內沒有余額的碎片帳戶。其他加密貨幣保留所有空帳戶，這增加了數據存儲需求，但沒有真正的用途，因為它們不需要驗證。當用戶在Vault中存儲帳戶數據時，他們會忽略那些舊的、空的帳戶。

英文原文

title：Afaster,moreefficientcryptocurrency

abstract:Designreducesby99percentthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions.

MITresearchershavedevelopedanewcryptocurrencythatdrasticallyreducesthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions—byupto99percentcomparedtotoday’spopularcryptocurrencies.Thismeansamuchmorescalablenetwork.

Cryptocurrencies,suchasthepopularBitcoin,arenetworksbuiltontheblockchain,afinancialledgerformattedinasequenceofindividualblocks,eachcontainingtransactiondata.Thesenetworksaredecentralized,meaningtherearenobanksororganizationstomanagefundsandbalances,sousersjoinforcestostoreandverifythetransactions.

Butdecentralizationleadstoascalabilityproblem.Tojoinacryptocurrency,newusersmustdownloadandstorealltransactiondatafromhundredsofthousandsofindividualblocks.Theymustalsostorethesedatatousetheserviceandhelpverifytransactions.Thismakestheprocesssloworcomputationallyimpracticalforsome.

動態 | 麻省理工將于5月召開區塊鏈專題活動:據PR NEWSWIRE消息，《麻省理工科技評論》宣布，將于2019年5月2日舉行第三屆年度區塊鏈專題活動。據了解，本次與會的演講嘉賓都是來自金融科技各分支領域的資深人士，其中包括聯合國兒童基金會區塊鏈戰略組織、螞蟻金服、新加坡金融管理局、埃森哲等等。[2019/3/22]

InapaperbeingpresentedattheNetworkandDistributedSystemSecuritySymposiumnextmonth,theMITresearchersintroduceVault,acryptocurrencythatletsusersjointhenetworkbydownloadingonlyafractionofthetotaltransactiondata.

Italsoincorporatestechniquesthatdeleteemptyaccountsthattakeupspace,andenablesverificationsusingonlythemostrecenttransactiondatathataredividedandsharedacrossthenetwork,minimizinganindividualuser’sdatastorageandprocessingrequirements.

Inexperiments,Vaultreducedthebandwidthforjoiningitsnetworkby99percentcomparedtoBitcoinand90percentcomparedtoEthereum,whichisconsideredoneoftoday’smostefficientcryptocurrencies.Importantly,Vaultstillensuresthatallnodesvalidatealltransactions,providingtightsecurityequaltoitsexistingcounterparts.

“Currentlytherearealotofcryptocurrencies,butthey’rehittingbottlenecksrelatedtojoiningthesystemasanewuserandtostorage.Thebroadgoalhereistoenablecryptocurrenciestoscalewellformoreandmoreusers,”saysco-authorDerekLeung,agraduatestudentintheComputerScienceandArtificialIntelligenceLaboratory(CSAIL).

JoiningLeungonthepaperareCSAILresearchersYossiGiladandNickolaiZeldovich,whoisalsoaprofessorintheDepartmentofElectricalEngineeringandComputerScience(EECS);andrecentalumnusAdamSuhl’18.

麻省理工學院教授籌集400萬美元支持Algorand區塊鏈項目:MIT（麻省理工學院）教授和圖靈獎得主Silvio Micali共同撰寫了Algorand區塊鏈的基礎協議，并且目前已經籌集了400萬美元的種子資金。資金支持來自風險投資公司Pillar和聯合廣場風險投資公司，該協議背后的協議今天宣布。Algorand為構建全新區塊鏈系統而努力，旨在解決與分布式系統相關的一些治理問題，該項目計劃利用這筆資金建立其開發團隊并支持該協議的持續工作。[2018/2/16]

Vaultingoverblocks

Eachblockinacryptocurrencynetworkcontainsatimestamp,itslocationintheblockchain,andfixed-lengthstringofnumbersandletters,calleda“hash,”that’sbasicallytheblock’sidentification.Eachnewblockcontainsthehashofthepreviousblockintheblockchain.

BlocksinVaultalsocontainupto10,000transactions—or10megabytesofdata—thatmustallbeverifiedbyusers.Thestructureoftheblockchainand,inparticular,thechainofhashes,ensuresthatanadversarycannothacktheblockswithoutdetection.

Newusersjoincryptocurrencynetworks,or“bootstrap,”bydownloadingallpasttransactiondatatoensurethey’resecureanduptodate.TojoinBitcoinlastyear,forinstance,auserwoulddownload500,000blockstotalingabout150gigabytes.

Usersmustalsostoreallaccountbalancestohelpverifynewusersandensureusershaveenoughfundstocompletetransactions.Storagerequirementsarebecomingsubstantial,asBitcoinexpandsbeyond22millionaccounts.

TheresearchersbuilttheirsystemontopofanewcryptocurrencynetworkcalledAlgorand—inventedbySilvioMicali,theFordProfessorofEngineeringatMIT—that’ssecure,decentralized,andmorescalablethanothercryptocurrencies.

麻省理工學院Digital Currency Initiative項目區塊鏈研究顧問兼CoinDesk顧問董事Michael J. Casey猜測：Facebook可能會發行數字代幣FBCoin:日前，麻省理工學院Digital Currency Initiative項目區塊鏈研究顧問兼知名區塊鏈媒體CoinDesk顧問董事Michael J. Casey猜測Facebook可能會發行數字代幣FBCoin，而且還預測了Facebook數字代幣模式：先預挖一個大型數字代幣池，然后向股東分配大多數FBCoin，再根據原創內容等指標把剩下的分銷給用戶。之后，Facebook公司可能會要求平臺廣告必須使用FBCoin支付，繼而形成一個市場，用戶也可以通過自己的內容創作來賺錢。FBCoin價格會基于需求和供給，與美元掛鉤。[2018/1/23]

Withtraditionalcryptocurrencies,userscompetetosolveequationsthatvalidateblocks,withthefirsttosolvetheequationsreceivingfunds.

Asthenetworkscales,thisslowsdowntransactionprocessingtimes.Algorandusesa“proof-of-stake”concepttomoreefficientlyverifyblocksandbetterenablenewusersjoin.

Foreveryblock,arepresentativeverification“committee”isselected.Userswithmoremoney—orstake—inthenetworkhavehigherprobabilityofbeingselected.Tojointhenetwork,usersverifyeachcertificate,noteverytransaction.

Buteachblockholdssomekeyinformationtovalidatethecertificateimmediatelyaheadofit,meaningnewusersmuststartwiththefirstblockinthechain,alongwithitscertificate,andsequentiallyvalidateeachoneinorder,whichcanbetime-consuming.

Tospeedthingsup,theresearchersgiveeachnewcertificateverificationinformationbasedonablockafewhundredor1,000blocksbehindit—calleda“breadcrumb.”Whenanewuserjoins,theymatchthebreadcrumbofanearlyblocktoabreadcrumb1,000blocksahead.Thatbreadcrumbcanbematchedtoanotherbreadcrumb1,000blocksahead,andsoon.

“Thepapertitleisapun,”Leungsays.“Avaultisaplacewhereyoucanstoremoney,buttheblockchainalsoletsyou‘vault’overblockswhenjoininganetwork.WhenI’mbootstrapping,Ionlyneedablockfromwayinthepasttoverifyablockwayinthefuture.Icanskipoverallblocksinbetween,whichsavesusalotofbandwidth.”

Divideanddiscard

Toreducedatastoragerequirements,theresearchersdesignedVaultwithanovel“sharding”scheme.Thetechniquedividestransactiondataintosmallerportions—orshards—thatitsharesacrossthenetwork,soindividualusersonlyhavetoprocesssmallamountsofdatatoverifytransactions.

Toimplementsharinginasecureway,Vaultusesawell-knowndatastructurecalledabinaryMerkletree.Inbinarytrees,asingletopnodebranchesoffintotwo“children”nodes,andthosetwonodeseachbreakintotwochildrennodes,andsoon.

InMerkletrees,thetopnodecontainsasinglehash,calledaroothash.Butthetreeisconstructedfromthebottom,up.

Thetreecombineseachpairofchildrenhashesalongthebottomtoformtheirparenthash.Itrepeatsthatprocessupthetree,assigningaparentnodefromeachpairofchildrennodes,untilitcombineseverythingintotheroothash.

Incryptocurrencies,thetopnodecontainsahashofasingleblock.Eachbottomnodecontainsahashthatsignifiesthebalanceinformationaboutoneaccountinvolvedinonetransactionintheblock.Thebalancehashandblockhasharetiedtogether.

Toverifyanyonetransaction,thenetworkcombinesthetwochildrennodestogettheparentnodehash.Itrepeatsthatprocessworkingupthetree.

Ifthefinalcombinedhashmatchestheroothashoftheblock,thetransactioncanbeverified.Butwithtraditionalcryptocurrencies,usersmuststoretheentiretreestructure.

WithVault,theresearchersdividetheMerkletreeintoseparateshardsassignedtoseparategroupsofusers.

Eachuseraccountonlyeverstoresthebalancesoftheaccountsinitsassignedshard,aswellasroothashes.ThetrickishavingallusersstoreonelayerofnodesthatcutsacrosstheentireMerkletree.Whenauserneedstoverifyatransactionfromoutsideoftheirshard,theytraceapathtothatcommonlayer.

Fromthatcommonlayer,theycandeterminethebalanceoftheaccountoutsidetheirshard,andcontinuevalidationnormally.

“Eachshardofthenetworkisresponsibleforstoringasmallersliceofabigdatastructure,butthissmallsliceallowsuserstoverifytransactionsfromallotherpartsofnetwork,”Leungsays.

Additionally,theresearchersdesignedanovelschemethatrecognizesanddiscardsfromauser’sassignedshardaccountsthathavehadzerobalancesforacertainlengthoftime.

Othercryptocurrencieskeepallemptyaccounts,whichincreasedatastoragerequirementswhileservingnorealpurpose,astheydon’tneedverification.WhenusersstoreaccountdatainVault,theyignorethoseold,emptyaccounts.

——END——

注：原文作者RobMatheson，翻譯小辣椒&有道，來源MITNEWS。鏈接：

http://news.mit.edu/2019/vault-faster-more-efficient-cryptocurrency-0124

如果大家對研究成果有疑問，可以郵件聯系麻省理工學院新聞辦公室負責人Abby。

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