為了確保區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行，新的區(qū)塊必須具備向其它節(jié)點(diǎn)快速傳播的能力。很多研究都就“如何在盡可能小的寬帶條件下實(shí)現(xiàn)區(qū)塊傳播”這一課題展開了深入的探討。簡(jiǎn)而言之，占用的寬帶越小，則傳播的速率就越快。正因?yàn)檫@樣，Graphene協(xié)議才使用公認(rèn)寬帶占用最少的方案來完成區(qū)塊傳播。

區(qū)塊傳播的原理和寬帶的阻塞點(diǎn)

當(dāng)達(dá)世幣用戶進(jìn)行交易時(shí)，交易會(huì)在不同的計(jì)算機(jī)或節(jié)點(diǎn)上傳遞，也就是說，許多節(jié)點(diǎn)都會(huì)參與到交易的發(fā)送進(jìn)程當(dāng)中。最終，幾乎每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)存有這一交易的信息，以便完成對(duì)交易的處理。在這個(gè)過程當(dāng)中，所有未經(jīng)處理的交易都會(huì)存儲(chǔ)在內(nèi)存當(dāng)中并被統(tǒng)稱為mempool。通常情況下，該交易會(huì)在兩分半鐘之內(nèi)被寫入在一個(gè)區(qū)塊中，在這種情況下，該交易被視為有效并且已經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)處理。

以上述知識(shí)為基礎(chǔ)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳播一個(gè)區(qū)塊上的所有交易，那么它將有如下選擇：一是傳遞包含所有交易的整個(gè)區(qū)塊，這也是最早的比特幣所采用的方法；二是為區(qū)塊中的所有交易及其次序傳遞標(biāo)識(shí)符，以便接收到標(biāo)識(shí)符的節(jié)點(diǎn)能夠基于mempool中已有的交易來構(gòu)建區(qū)塊，而Compact Blocks、Xthin和Graphene正是借助這種方式來減少區(qū)塊傳播所需的帶寬。

Graphene如何緩解對(duì)寬帶占用過大的問題

基于Graphene協(xié)議還原新區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)往往會(huì)構(gòu)建兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：首先，它會(huì)構(gòu)造一個(gè)包含區(qū)塊中的所有交易的布隆過濾器；其次，它構(gòu)建包含區(qū)塊中的所有交易的IBLT（即可逆的布隆查找表）。隨后，這些不附帶整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都會(huì)被發(fā)送到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。接收這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)將通過布隆過濾器傳遞mempool中的所有交易，從而提供區(qū)塊中所有交易的列表。然而，由于布隆過濾器可能存在一定的誤報(bào)率，因此列表中的交易可能會(huì)多于實(shí)際數(shù)量，也可能會(huì)遺漏mempool中的交易。考慮到這一隱患，接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)將會(huì)從IBLT中解壓縮待處理的交易，從而識(shí)別任何誤報(bào)或遺漏的交易。最后，接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)還會(huì)在必要的情況下向其它節(jié)點(diǎn)查詢遺漏的交易。

自此，Graphene協(xié)議的這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)足以恢復(fù)區(qū)塊中的整個(gè)交易集合。那么，接下來的步驟就是將還原的交易回歸到正確的順序了。第一個(gè)版本的Graphene協(xié)議會(huì)通過布隆過濾器和IBLT來傳遞有關(guān)順序的信息。雖然這些信息占用的寬帶并不大，但還是會(huì)隨著區(qū)塊中的交易數(shù)量的增加而增加。舉幾個(gè)例子，當(dāng)區(qū)塊中的交易少于256筆時(shí)，每筆交易占用的寬帶還不到1字節(jié)；當(dāng)區(qū)塊中的交易少于65，000筆時(shí)，每筆交易占用的寬帶還不到2字節(jié)；而當(dāng)區(qū)塊中的交易少于1600萬筆時(shí)，每筆交易占用的寬帶還不到3字節(jié)。相比之下，如果達(dá)世幣的區(qū)塊可以處理1600萬筆交易，那么這一平均交易量將達(dá)到維薩卡的24倍。

Bitcoin Unlimited進(jìn)一步推進(jìn)了Graphene協(xié)議的發(fā)展。去年11月，比特幣現(xiàn)金的區(qū)塊鏈出現(xiàn)了硬分叉，此次分叉的目的是為了更改共識(shí)準(zhǔn)則并要求區(qū)塊以既定順序進(jìn)行交易。這種順序選擇也被稱作規(guī)范次序。在此更改之后，借助Graphene協(xié)議進(jìn)行的區(qū)塊傳播可以不包含順序信息。此舉進(jìn)一步強(qiáng)化了Graphene協(xié)議的優(yōu)勢(shì)——區(qū)塊可以變得極大，而最佳的布隆過濾器和IBLT卻可以維持極小的狀態(tài)。

Graphene協(xié)議面臨的挑戰(zhàn)

雖然Graphene協(xié)議具備上述優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)實(shí)的情況卻更加復(fù)雜。由馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的研究人員開發(fā)的Graphene協(xié)議應(yīng)用實(shí)例假定所有的內(nèi)存中都存有所有的交易。而達(dá)世幣在亞利桑那州立大學(xué)創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)室的研究人員則認(rèn)為，mempools將不可避免地存在一些差異，也就是mempool分歧。此外，研究還表明，隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，mempool分歧還會(huì)進(jìn)一步惡化。這意味著由Umass研究人員計(jì)算的IBLT解碼的概率在實(shí)踐中將變得更小。換言之，Graphene協(xié)議的性能不會(huì)像預(yù)期的那樣優(yōu)秀。

在由達(dá)世幣核心團(tuán)隊(duì)贊助的Nakul Chawla暑期實(shí)習(xí)期間，我們探討了如何從容地應(yīng)對(duì)IBLT解碼失敗的情況。實(shí)際上，任何節(jié)點(diǎn)都可以提供另一個(gè)布隆過濾器和IBLT。在獲得布隆過濾器和IBLT之后，它們就可以組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)完成解碼。我們甚至可以借鑒同時(shí)向三個(gè)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)布隆過濾器和IBLT的BitcoinXT的經(jīng)驗(yàn)。換句話說，我們可以嘗試解碼第一次完整響應(yīng)，如果解碼失敗，我們就可以參考其它節(jié)點(diǎn)的補(bǔ)充響應(yīng)，并將它與第一次完整響應(yīng)的數(shù)據(jù)相結(jié)合。在這次實(shí)習(xí)期間，我們確定了導(dǎo)致無限循環(huán)的畸形IBLT，并提供了簡(jiǎn)單有效的應(yīng)對(duì)措施，不僅如此，我們還研發(fā)出了使用Graphene協(xié)議的實(shí)用工具。我們已經(jīng)對(duì)這個(gè)客戶端進(jìn)行了一些測(cè)試，但在廣泛的網(wǎng)絡(luò)推廣之前，我們還需要做一些收尾工作。即使在上線前經(jīng)歷一些挫折也是雖敗猶榮和有益的。不過，在我看來，前期的這些工作已經(jīng)起到了拋磚引玉的作用，催生了更妙的創(chuàng)意。

達(dá)世幣未來將如何應(yīng)用Graphene協(xié)議？

我們需要明確的一點(diǎn)是，目前達(dá)世幣還沒有引入Graphene協(xié)議的具體計(jì)劃，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)需要在Evolution上線后才能做出相關(guān)的規(guī)劃。我們期待屆時(shí)能出現(xiàn)更適宜達(dá)世幣網(wǎng)絡(luò)新屬性的創(chuàng)意。Graphene協(xié)議確實(shí)具有許多優(yōu)良的性能，但我在上文中并沒有提到它的一個(gè)重大缺陷，也就是眾所周知的毒塊攻擊。具體來說，惡意礦工可以開挖含有大量未廣播到網(wǎng)絡(luò)上的交易的區(qū)塊，在這種情況下，Graphene協(xié)議將始終無法解碼。這樣的攻擊雖然不會(huì)造成毀滅性的后果，但卻會(huì)像持續(xù)打嗝一樣帶來不適或不便。

我們希望能在未來為大家?guī)碛嘘P(guān)毒塊攻擊的更多講解，然后講解如何通過亞利桑那州立大學(xué)區(qū)塊鏈研究實(shí)驗(yàn)室的方法來降低這種攻擊的風(fēng)險(xiǎn)并且同時(shí)維持快速的大型區(qū)塊傳播。