金色觀察 | Utreexo進展_REEX

Utreexo進展

概要

本文會介紹Utreexo的優點，以及這些優點的實現程度，闡述最新Utreexo應用中取得的重大進展，但是要讓這項科技大眾化，還需要一個漫長的過程。

2020年7月最新的演示發布會中，我們指出，未來Utreexo項目能夠將Utreexo累加器應用到btcd，btcd是Go語言的BTC實現。我很高興，因為該實現已經能夠用于另一個演示版本。這個版本中可以演示一種稱為“致密狀態節點”的新修剪型節點模式。

2020年4月發表了一篇“ELI5: Utreexo——一個擴容解決方案”的文章，這篇文章介紹了以下幾個致密狀態節點的優勢：

1.?新的全節點模式只會占用幾千字節，能夠讓hdd節點像ssd節點一樣快速同步。

2.?能夠實現初始區塊并行下載。

3.?由于目前使用的是谷歌的數據庫，通過致密狀態節點，共識能夠獨立于數據庫實現，加強BTC安全性。

4.?Utreexo的應用不會導致BTC分叉。

就目前的發展狀況而言，第3和第4點現已實現，第1點只有部分實現了，因為非Utreexo數據的存在，節點大小還是不能縮小到千字節，第2點還在努力實現。

第3點為何重要？

幾年來，在提高BTC安全性方面，重點之一是消除它的任何外部依賴性。外部依賴性指的是依靠那些BTC開發者沒有編寫的代碼，而這些又是BTC軟件運行必要的代碼。對于任何高度依賴安全的項目，都要盡量避免依賴外部代碼，因為它們可能會產生漏洞。為了把這種風險降到最低，依賴的外部代碼都要經過審查，然后保留審查后的代碼副本。然而，這種并不是完美的方法，代碼如果由BTC開發者直接編寫、測試和審查會更好。出于這個原因，BTC開發人員已經從中刪除了各種產生外部依賴的代碼，例如OpenSSH代碼。

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目前，依賴最大的外部代碼是存儲未花費輸出集合（UTXO集合）和區塊索引的數據庫。現在BTC使用谷歌的“LevelDB”數據庫。LevelDB必須要沒有代碼漏洞，這對于BTC的安全性至關重要。LevelDB中如果存在漏洞，可能會導致雙花或導致意外分叉。事實上，BTC在LevelDB之前使用的是Berkeley DB，2013年，Berkeley DB在比特幣核心節點中的應用出現漏洞，導致舊錢包節點在讀取區塊225430時失敗，導致意外分叉。

上文提到的UTXO是BTC的一套支付系統。UTXO集合對于維護BTC的安全非常重要，因為這直接組成BTC共識，移除LevelDB將極大地提高其抵御風險的能力。

第3點的實現

之所以需要一個數據庫，是因為UTXO集合包含超過6000萬個UTXO，這些UTXO都要記錄，并且能夠快速訪問，因為訪問速度過慢會降低區塊初始下載速度。快速訪問大量細分數據通常會使用數據庫。

然而，有了Utreexo致密狀態節點，根本不需要數據庫。相反，我們需要讓UTXO的發送者提供UTXO數據和Utreexo累加器，證明UTXO存在。這樣在Utreexo致密狀態節點實現中，UTXO集合無需保留。這允許從BTC共識的另一個關鍵部分中刪除LevelDB。

針對主鏈擴容，以下是現有區塊驗證方式與Utreexo致密狀態節點區塊驗證的對比：

金色晚報 | 10月21日晚間重要動態一覽:12:00-21:00關鍵詞：PayPal、Tether、3iQ比特幣基金、德國央行、中央廣電總臺、Filecoin官方

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2. PayPal將允許在其網絡上進行加密貨幣買賣和購物。

3. Filecoin官方解答“FIL做市、流通量及礦工罷工”等6大市場疑問。

4. 證監會主席易會滿：支推動建設首都區域性股權市場區塊鏈登記托管基礎設施。

5. 數據：Tether新增印鈔速度加快，市值已超過160億美元。

6. 證監會同意螞蟻集團科創板IPO注冊。

7. 德國央行官員：創建工具以限制數字歐元的使用非常重要。

8. 中央廣電總臺將首次引入數字貨幣為企業服務。

9. 3iQ比特幣基金在加拿大證券交易所交易量已超1億美元。

10. 央行數字貨幣研究所與農信銀資金清算中心合作推進數字人民幣應用。[2020/10/21]

這里唯一的區別是后者的區塊驗證沒有訪問數據庫。相反，它使用Utreexo來驗證區塊。

代碼變化非常小，因為大多數區塊驗證函數都保持不變。檢查累加器證明后，經過驗證的UTXO數據(驗證塊所需的)會轉換成為“UtxoViewpoint”，也就是現有的UTXO集合緩存結構，這相當于比特幣核心節點的CCoinsView，然后UTXO數據會傳遞給現有的區塊驗證函數。

第4點的重要性

在像BTC這樣的去中心化系統中，加入新功能需要分叉，而分叉會帶來很大風險。BTC硬分叉在很大程度上不可能實現，因為不值得為了一個功能而進行硬分叉。軟分叉也很難實現，因為需要大量社區支持。

另一方面，在無需分叉的條件下，如果可以直接添加一個新功能，那么這個功能的部署就會簡單得多。例如，BIP-152壓縮區塊繼電器得到了廣泛采用，無需分叉。對于BIP-152，節點可以選擇是否加入，因為該提議沒有強制性，沒有選擇加入的節點不用做出任何改變。

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第4點的實現

這是最容易實現的一點，因為Tadge Dryja第一次寫Utreexo論文時，它就解決了。我們通過使用稱為“橋接節點”的過渡節點，避免軟分叉，這種節點能夠連接新的Utreexo節點和當前的BTC節點。

當非utreexo節點連接到橋接節點時，橋接節點的功能與當前的BTC全節點相同。然而，一個Utreexo節點連接到橋接節點后，它將提供正常區塊的Utreexo證明，同樣也會將該證明提供給一個非Utreexo節點。

那篇4月發表的文章提到，會對Utreexo二進制文件進行硬編碼，而且只能連接到我們運行的橋接節點，避免干擾BTC測試網。

第1點的重要性

要運行一個完整節點，上文提到的UTXO集合是必要條件。然而，越來越多節點采用這種集合后，再加上BTC的單位能夠越分越細，UTXO集合將會變大。目前，UTXO集合大小約是4GB，但對于價格低廉設備，這個大小可能會繼續增加，超過這些設備的處理能力。BTC如果能夠得到廣泛使用，降低UTXO集合的大小非常重要。

在當前BTC節點中，一個區塊引用任何UTXO時，節點需要獲取該UTXO，要么通過硬盤，要么通過緩存。節點如果硬盤速度較慢，就會造成問題，這也是BTC目前的瓶頸之一。對于修剪型節點，這是一個更大的約束，因為當區塊經過修剪后，各個緩存的UTXO會寫入磁盤。BTC開發者Pieter Wuille也指出了這個問題，修剪型節點的同步速度比未修剪節點慢。

金色相對論 | 孫澤宇：區塊鏈透明可追溯等特性完美契合公益慈善領域:在本期金色相對論中，針對“您更看好區塊鏈在哪些方面的落地？”的提問，創世資本創始合伙人孫澤宇表示：這次疫情中，群眾可能更關心的是由湖北省紅十字會所暴露出來的種種問題引發的慈善信任危機。而區塊鏈的去中心化、透明可追溯的特性完美契合公益慈善領域。能夠確保大家能夠全程透明的看到物資的流向，提高大家對慈善的信任度與參與感，再配合上IOT，也將會對緊缺的人力有極大的幫助與改善。其他方面，除了物聯網與溯源，數據安全存儲跟數據共享等會是比較相對應的落地方案，對抗疫也會有很大的幫助。[2020/2/13]

Utreexo致密狀態節點能夠提高同步速度，因為無需對UTXO集合進行磁盤讀取。這說明在任何存儲中，無論是基于NVMe協議的固態硬盤還是其他硬盤，Utreexo致密狀態節點都能發揮出同樣性能。

第1點的目前進展

全節點大小尚未縮小到只有幾千字節，因為區塊頭等元數據就占用了幾百兆字節。盡管chainstate占用空間小，如果要實現目標，其他數據的大小也不容忽視。在這次發布版本中，目標是縮小到幾百兆字節。

下圖對比了Utreexo致密狀態節點與比特幣核心節點的chainstate。

如上圖所示，Utreexo致密狀態節點的chainstate大小僅為424字節，因此對于節點中的chainstate大小，出現了舍入錯誤。實際上，用于重新連接已知節點進行重啟的peers.json文件占用了205 kb，其大小約是chainstate的483倍。

金色晨訊 | Tether官網刪除代幣完全由美元支撐的說法 GateCoin交易所宣布停運并清算:1.CBOE暫停添加新比特幣期貨。

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5.美國CETC主席：區塊鏈和加密貨幣是當今市場轉型的兩個關鍵。

6.比特幣第四大巨鯨錢包地址開始拆分比特幣 或在進行拋售。

7.工信部將支持利用區塊鏈等技術推進物流業降本增效項目。

8.數字貨幣交易所GateCoin宣布停運并清算。

9.IBM發布了關于在區塊鏈中抵制重播攻擊的專利。[2019/3/15]

以下對比了修剪型比特幣核心節點和Utreexo致密狀態節點之間的性能差異，觀察基于NVMe協議的固態硬盤和其他硬盤的讀寫速度。

這項測試會指定節致密狀態節點連接到一個不同的本地Utreexo橋接節點，從基于NVMe協議的固態硬盤讀取數據，從而進行基準測試。假設比特幣核心節點中前1864000個區塊都經過了驗證，將同樣的設置應用到致密狀態節點中。測試網3達到1906000區塊高度后，完成測試。

本次測試使用了以下硬件：

CPU:：AMD Ryzen 3600

內存：三星32GB DDR4 2666MHz

作為本地服務節點的基于NVMe協議固態硬盤：2TB Sandisk ULTRA .2 NVMe .2

作為測試節點的基于NVMe協議固態硬盤：1TB HP SSD EX950 M.2

測試節點硬盤：Western Digital WD10EZEX-22BN5A0 1TB 7200RPM

以下是發送到比特幣核心節點的標志：

-prune=550

-connect=127.0.0.1

-disablewallet

-blocksonly?

-testnet

對于比特幣核心節點，在基于NVMe協議的固態硬盤上運行需要784秒，而在其他硬盤上則需要1066秒。對于Utreexo致密狀態節點，在基于NVMe協議的固態硬盤上運行需要1,643秒，而在其他硬盤上需要1,700秒。

請注意，就當前Utreexo致密狀態節點的實現而言，仍然要進行許多性能優化。它目前速度比比特幣核心節點慢，因為我們分叉了一個比后者慢得多的btcd節點。我們后續會發布一個版本和一篇重點說明性能的文章。

為何第2點如此重要？

為了避免混淆，本文提到是指鏈級并行下載。這意味著單個節點將同時驗證多個區塊，比如100001到200000然后是200001到300000。第2點指的不是區塊層級的并行下載，在這種并行下載中，區塊的交易簽名接受并行驗證，這在btcd和比特幣核心節點中已經實現。

在計算機領域，并行化是指同時執行多個進程。這可以提高空閑硬件的使用率，例如CPU，如果硬件處于空閑狀態，性能可能會提高。近年來，由于物理限制，在提高時鐘頻率方面，CPU開發出現了困難。所以，人們更多地關注的是增加核心數量，而不是提高時鐘頻率。針對這種情況，軟件開發也做出了相應改變，越來越強調并行化，目的是充分利用更多CPU核心。

并行化區塊初始下載可以大幅減少同步全節點所需的時間，這樣個人用戶而言，運行一個全節點也更容易。更多的節點將使BTC網絡更能抵御攻擊。從這個角度來看，并行化也能夠增加BTC的安全性。

第2點的目前進展

任何區塊的驗證都需要前一個塊的UTXO集合。例如，如果我們正在驗證區塊501，我們需要區塊500的UTXO集合。然而，要獲得區塊500的UTXO集合，需要區塊499的UTXO集合。這會產生一個問題，那就是要追溯到BTC的硬編碼創世區塊，阻礙著鏈級并行化的實現。

有了Utreexo后，這個問題更加容易解決，因為UTXO集合只有幾百字節，而不是幾千字節。這讓我們可以將整個UTXO集合表示硬編碼到軟件中，作為并行驗證的起點。

請注意一點，有可能會出現惡意節點，發送偽造UTXO集合。然而，這并不會降低我們的安全要求，因為我們有多個CPU核心，能夠驗證從創世區塊開始一直到499區塊高度。在這之后，我們會從501個區塊繼續驗證，充分利用閑置CPU內核。完成前一步后，我們會檢查區塊，驗證區塊499和區塊500的UTXO集合是否匹配。因此，經過硬編碼的UTXO集合表示僅作為提示，以提升處理速度，實際上所有區塊都會經過驗證。

為了支持這種類型的鏈級并行化，代碼庫必須支持多個chainstate保持活躍狀態。對于擁有多個chainstate（即使是兩個）而言，主要困難在于必須記錄多個UTXO集合。UTXO集合需要一個數據庫，磁盤上也要有該集合的緩存，這樣讀取速度才能加快，在這種條件下，運行節點的硬件要求會變高。但是，Utreexo致密狀態節點即使沒有數據庫，也可以儲存UTXO集合，所以這不是問題。

擁有多個chainstate的目標正在實現。對于Utreexo致密狀態節點，工作量大大降低，因為不需要為每個chainstate建立數據庫，這樣就可以擁有多個chainstate。對于btcd節點，輸入Blockchain即可訪問CChainstate數據庫，

目前，我們仍在研究每個chainstate應該如何處理p2p網絡消息，嘗試不同的方法，例如使用兩個初始區塊下載管理器，或者記錄每個chainstate對區塊發出的請求，但實現這個目標的過程仍然很漫長。

本次發布版本的缺陷

當前版本不支持區塊鏈重組和內存池。因此，節點將以“blocksonly”模式運行，如果發生重組，節點會崩潰。Utreexo尚未能夠實現對這兩者的支持，所以這次發布的只是演示版本。BTC主網不會支持這個版本，它不應該用于實際交易中，因為它仍然是早期版本，也存在漏洞。

展望未來

第1點的目前進展中提到，我們會對Utreexo致密狀態節點進行更多性能優化。這包括加速開發Utreexo累加器和btcd組件。我們目前注意到許多問題，一旦修復這些問題，致密狀態節點的速度能夠得到提升，只是需要進行更多測試來實現。

去年就開始了對區塊鏈重組支持的測試，但出現了許多其他更緊迫的問題，暫停了該測試，在不久的將來，重組會得到實現。雖然還沒有開始內存池支持的測試，但是我們已經計劃了一段時間。我非常期待在今年實現支持內存池。

目前Utreexo累加器需要Go語言來編寫。將累加器代碼移植到Rust和c++是一項持久工作。我們不確定要花多長時間，不過現在已經打造了代碼基礎，需要各方通力合作。Utreexo的發展仍然任重而道遠。

本文內容來自于BitMEX

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