發布時間：2020-03-26所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要比特幣是中本聰(Nakamoto)于2008年提出的數字貨幣，它具有去中心化、跨國界和發行總量固定等特性，現在已經成為使用最廣泛的數字貨幣之一.然而，比特幣設計初期的一些人為限制，導致現有網絡處理交易的速率十分有限，最近交易處理能力已經接近上限，交易
摘要比特幣是中本聰(Nakamoto)于2008年提出的數字貨幣，它具有去中心化、跨國界和發行總量固定等特性，現在已經成為使用最廣泛的數字貨幣之一.然而，比特幣設計初期的一些人為限制，導致現有網絡處理交易的速率十分有限，最近交易處理能力已經接近上限，交易確認時間顯著增加.這不僅嚴重影響比特幣的使用體驗，進而限制使用范圍，而且對比特幣的設計提出更高的要求.針對比特幣所面臨的交易處理性能挑戰，以提升區塊鏈容量為目標對比特幣展開深入研究.首先，分析比特幣當前網絡狀態，根據比特幣交易數據，統計交易延遲情況;其次，針對鏈上擴容方案，分析可行性，研究擴容效果%再次，針對鏈下擴容方案，分析作用原理，研究擴容效果;最后，分析鏈上/鏈下擴容方案優缺點，提出適應社區的可行的比特幣擴容路線方案.最新比特幣擴容的進展進一步證明了我們結論的正確性.
關鍵詞比特幣;區塊鏈;擴容;見證隔離;閃電網絡
比特幣是一種去中心化的數字貨幣，最早由中本聰(Nakamoto)于2008年10月提出[1]，其目的是避免傳統金融體系中存在中心機構可能帶來的風險.和傳統電子貨幣相比比比特幣具有系統健壯性強、使用便捷和安全性高等優勢.自從被推出以來，比特幣正受到越來越多的關注[2].隨著比特幣的廣泛使用，比特幣設計之初的一些缺陷逐漸顯露出來，其中非常嚴重的缺陷就是區塊鏈容量不足.
從2012年開始，平均區塊大小不斷增加.在2016年年中左右，區塊容量已經接近1MB上限[].這意味著一些交易將不能及時地被收集到區塊中，的&頻次繼續增加而區塊容量保持不變，那么一些交易可能永遠也不能人塊.因此，這一問題將會嚴重影響比特幣的使用體驗.
文獻[)]針對研究交易延遲問題，分析2016年5月交易人塊情況，結果表明：43%的交易在發布超過1h后仍未進人區塊鏈.文獻[5]列舉出比特幣等密碼貨幣的研究遠景和面臨的各種挑戰，其中之一就是可擴展性問題.由于改變比特幣規則需要引人分叉，同時造成各方面的影響，因此比特幣擴容是一個非常復雜的問題.
文獻[6]指出，將交易雜湊值代替交易數據可以提升網絡處理交易的能力.同時，該文獻主張以修改區塊鏈本身結構的方式達到擴容的目的.文獻[7]研究區塊在網絡中的傳播情況，指出過大區塊需要更長的時間傳播至整個網絡，傳播延遲將不再遠小于區塊間隔，這會影響網絡的共識機制，造成高孤塊率等問題.同時作者指出當前網絡未被充分利用，可以改進比特幣協議以提高網絡利用效率.文獻[8]引人定量框架分析基于工作量證明的區塊鏈安全和性能，并分析了區塊參數改變對于比特幣系統安全性的影響.作者得出結論:在區塊大小是1MB的前提下，將區塊間隔降低至1min不會顯著影響比特幣的安全性&
為解決比特幣區塊鏈容量不足帶來的問題，比特幣社區已經提出多個解決方案，下面依次介紹代表性方案.
2015年6月，Andresen在比特幣改進建議(bitcoinimprovementprotocol)BIP101中提出區塊容量限制在未來一段時間內以可預測方式增大[]%同月，Garzik在BIP102中提出區塊容量上限一次性從1MB增長到2MB[10];同期，相關人員提出很多類似的直接提高區塊鏈上限的改進建議[1112].由于交易數目與區塊大小成正比，因此通過增大單個區塊的大小，可以使得更多的交易被容納.
2015年12月，Lombrozo,Lau和Wuille在BIP141中提出的見證隔離(segregatedwitness)技術也對區塊鏈擴容有幫助[13].當前的比特幣交易中，交易數據與簽名數據保存于同一數據結構中.見證隔離則將簽名數據從交易中分離出來，組成新的結構另行保存.由于舊節點不能解析這些新的數據，因此他們認為區塊大小要小于新節點，這意味著區塊實際大小可以超過1MB.
2015年，Poon和Dryja提出閃電網絡方案，將頻繁的小額支付利用事先建立的通道離鏈完成[14].這種方案可以避免大量小額交易占用區塊鏈容量%文獻[15]提出了建立雙向微支付通道的協議，允許用戶建立離線通道，實現無延遲的實時支付，同時保證了端到端的安全性;文獻[16]對上述方案作了改進，提出了新的支付通道Sprites.利用狀態通道，Sprites將閃電網絡在最壞情況下的抵押開銷復雜度大為降低，由〇(M)變為0(+W，其中分別代表通道個數和鏈上交易確認時間;文獻[17]引人Teechan，它是一種全雙工的支付通道框架，可直接部署在現有區塊鏈上，比閃電網絡具有更高的交易容量和更低的交易延遲.但是，它需要利用具備可信執行環境的安全硬件，例如IntelSGX，因此會額外增加開銷;Teechan的升級版Teechain實現了沿路徑支付，允許未直接建立連接的用戶交換資金[18].
可見，針對區塊鏈容量不足的情況，社區和學術界都已經提出多個擴容方案.但是依然存在區塊鏈統計數據直、擴案可性、見證隔離對區塊容量的貢獻不明確和社區意見不統一題
本文主要貢獻有3個方面!
1)針對區塊容量達到上限的問題，分析當前比特幣網絡中交易確認狀態.通過抓取2017年1#3月的比特幣交易數據，統計分析交易確認理論時間和實際時間的差別.已經進人區塊的交易中，有16%等待時間超過1h，甚至有1[等待時間超過1d.另夕卜，待確認交易(unconfirmedtransaction)池不斷擴大，一度超過110MB.
2)針對鏈上擴容方案爭論，分析方案的優點和缺點.鏈上擴容提倡增大區塊容量上限，此方案對改善交易延遲效果顯著，將區塊容量上限設定為2MB，即可解決當下交易延遲問題.但考慮到當前網絡情況，為避免過高的孤塊產生率，最大區塊不應超過4MB.鏈上擴容優勢在于見效快，但是無限擴容易造成中心化.
3)針對鏈下擴容方案的不確定性，分析鏈下擴容效果.鏈下擴容方案也附帶有鏈上擴容效果，基于當前交易比例的統計顯示，見證隔離最多可以將區塊容量提升83%.基于見證隔離的閃電網絡技術，完全部署可以極大提高交易處理能力，縮短確認時間.鏈下擴容可以達到近乎無限的交易處理能力，但網絡建立需要時間.
1背景知識
本節簡要介紹比特幣的相關背景知識，包括比特幣的交易、區塊鏈形式和工作量證明機制等，詳細的介紹可以參考文獻[19-20].
1)比特幣交易.比特幣是一種基于交易的數字貨幣，一■切彳了為均通過父易完成.每一■項父易均有至少一個輸人和至少一個輸出.每一個交易指向另一個交易的輸出，用于表明資金的來源，僅當交易被正確簽名之后，驗證方可通過.交易可以包含多個輸人和多個輸出，從而起到拆分與合并資金的功能.
2)比特幣腳本.交易輸出中存在scriptPubKey腳本，在標準P2PKH交易中，scriptPubKey包含收款人的公鑰雜湊值.交易輸人中存在scriptSig腳本，包含公鑰和簽名等信息.驗證交易時，依次運行scriptSg腳本與前一交易中的scriptPubKey腳本，如果成功運行并在桟頂設置true,即相當于成功驗證交易發起人的公鑰與簽名，那么證明交易發起人具備對應輸出的使用權限，驗證通過&1].在BIP16中，P2SH類型的交易被引人.該類型允許輸出中不指明收款人公鑰雜湊，并用一段腳本的雜湊替代.這種交易將復雜性從輸出腳本轉移到了輸人腳本，使得付款更加方便，利于多重簽名等交易普及&2].
3)比特幣賬本.基于交易的數字貨幣存在的最大問題是雙花(double-spending),即支付者生成2筆交易，共用同一項輸出.解決辦法之一是維護一個任何人都可以訪問的賬本，記錄所有歷史交易，使收款方可以查看一項輸出是否已被使用過.比特幣使用梅克爾樹與區塊鏈構建全局賬本.當交易雙方需要交易快速完成時，收款方會選擇在交易未進人區塊鏈時即接受，這會帶來額外的雙花風險&3].只要攻擊者算力資源不超過全網算力的50%，此風險隨時間增長呈指數級下降[1].
4)梅克爾樹.梅克爾樹是一種二叉樹，其葉子節點用于存放數據，其他節點為2個子節點串聯的雜湊值.比特幣將交易雜湊值存放于梅克爾樹葉子節點中，任何一筆交易的變動都將影響到梅克爾樹根的值.因此，只要保留梅克爾樹根的值，即可驗證每一筆交易是否被篡改[19].
5)區塊鏈.每個區塊中包含一個梅克爾樹根，作為當前區塊所有交易的指代.除此之外，區塊中還包含上一個區塊頭的雜湊值，作為此前區塊的指代.區塊依次相連形成區塊鏈，使用這種鏈狀結構，只要保存最后一■個區塊頭的雜湊值，就能保證整條區塊所有篡改[19]&比特幣頭下字段：version字段，表示當前區塊版本號，被解釋為比特向量，用于表明支持的特性;previousblockheaderHash字段，表示前一區塊頭的雜湊值，是所有歷史數據的指代;merklerootHash字段，表示梅克爾樹根，是區塊中所有交易的指代;time字段，表示區塊產生的時間，是Unix時間戳;nBits字段與nonce字段是工作量證明相關的字段&4].
6)工作量證明.作為一種去中心化的數字貨幣，比特幣區塊鏈的維護工作無法由中心化機構完成.實際中區塊鏈由運行于互聯網上的節點進行維護.在新區塊生成問題上，所有節點需要達成共識.比特幣采用的解決方案是工作量證明機制.所有節點利用算力解決一個難題，得到正確結果的節點有資格發布新的區塊.因此，難題應該是難于求解和易于驗證的.比特幣采用的難題為：改變區塊頭中的nonce字段(如果nonce字段遍歷完畢，那么礦工也可以改變coinbase交易中的coinbasescript字段，從而改變梅克爾根的值)，計算區塊頭雜湊值，僅當雜湊值低于某個目標值時，區塊合法，目標值越低，難度越高.這樣，計算出合法區塊的節點即可證明自己已經花費足夠多的算力.目標值保存在區塊頭的nBi+字段中，每經過2016個(約2周#根據平隔重定目標值，調整難題難度，以保證隔的穩定.
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