区块链中的区块传播问题：阻止比特币扩容

众所周知，缺乏可扩展性是阻碍区块链技术大规模采用的最大障碍。 所有现有的区块链项目都在寻找可以提高其网络性能的解决方案。 许多新兴项目声称他们有解决这个问题的方法。 然而，这样的断言并不总是有效的。 不幸的是，许多观察家和投资者未能理解这个问题的核心和根源。 如果没有深入的调查和大量的技术背景，就很难识别隐藏的瓶颈和权衡取舍。 在本文中，我们讨论了阻止比特币扩容的瓶颈。

去中心化点对点网络 比特币发明后不久，研究人员开始对决定比特币扩展限制的因素产生兴趣。 核心问题很快就被识别出来，并根据块传播时间或块传播延迟进行了描述。

这是新区块到达网络中大多数节点所需的平均时间。 在像比特币这样的大型去中心化网络中，每当生成一个新块时，都会根据八卦协议进行广播。 如果一个节点获得了一个新的有效块，它会通知连接到它的节点它的新所有权。

节点然后将块传递给那些要求它们这样做的节点。 在区块到达网络中的每个全节点之前，它会经过 7 个中间节点。 重要的是，每个诚实节点在将区块转发给其他节点之前都要验证该区块。

显然，整个过程需要一段时间。 每个新块都会震动网络，并使节点和它们之间的以太网连接以最大功率工作。

有人可能会争辩说，自从网络推出以来，八卦协议已经有了很多改进。 例如，比特币改进提案 BIP 0152 引入了在区块体中仅传输短交易 ID 而不是整个交易列表的选项。

但是，如果该节点的内存池中没有交易，则它必须要求其对等方在单独的消息中传输它。 如果区块中存在大量此类交易，BIP 0152 的改进将消失。

由于数据传输是块中继中最耗时的部分，因此研究人员感兴趣的是确定一定大小的数据包到达网络中 50%、90% 或 95% 的节点需要多长时间。

已经发现，对于大于 20kB 的块，块传播延迟几乎与块大小成正比。 根据 2013 年发表的研究，区块中每增加 1 KB 的数据都会导致区块传播延迟增加 80 毫秒。

从那时起比特币一个区块的大小约为，每年都会发表两篇关于该主题的学术论文和调查。 他们更新了上述数据并讨论了各种改进建议。

此外，该站点监控比特币网络的当前状态并阻止传播时间。 此外，它还提供了有关此主题的历史数据图表。

大多数完善的区块链网络都具有与比特币相同的设计。 因此，这些网络中的块传播时间遵循相同的规则。

不幸的是，块传播时间对区块链安全性有巨大影响。 网络中的传播时间越长，就会有越多的矿工在旧区块上挖矿。

结果，主链的分叉更频繁地发生并且孤立块的百分比增加。 长传播延迟导致所谓的验证者困境。

一些节点可能会发现跳过块验证步骤可能是一种有利可图的策略。 在这种情况下，他们冒着在错误的区块上挖矿的风险。

但是，如果块验证时间很长，这种策略可能会有利可图。 研究人员发现，较长的传播延迟会降低节点抵抗 51% 攻击和自私挖矿的能力。

为了解决上述问题，区块链开发人员经常尝试将区块传播时间控制在平均区块时间的 1% 以下。

比特币、以太坊和其他基于 PoW 共识的主要区块链网络都是如此。 因此，区块传播到比特币网络中 50% 节点的时间通常低于 6 秒。

尽管 BIP 0152 中描述的快速块中继减少了平均块传播时间，但在最坏的情况下它可能比基本协议花费更多的时间。

重要的是，即使在最坏的情况下，传播延迟也要合理，这样矿工才能在大部分时间保持节点同步并始终验证提议的区块。

每当人们谈论区块链的可扩展性时，他们指的是系统的交易吞吐量。 然而，人们忘记了增加交易吞吐量不应该损害网络的安全性，也不应该增加希望加入网络的节点的数据存储要求。

这些修改可以减少网络中独立交易验证器的数量，从而减少去中心化。

可以使用以下公式轻松计算比特币的交易吞吐量：

其中 Bsize 是区块大小，Tsize 是区块中交易的平均大小，Btime 是区块链中连续区块之间的平均时间。 显然，可以通过增加块大小、减小事务记录大小或减小块之间的间隔来增加事务吞吐量。 减少交易记录的大小是相当困难的。

一个人可能会尝试其他两种选择。 但是，这些操作会增加块传播所花费的时间百分比。 因此，网络的安全性和分散性可能会受到损害。

可能会注意到比特币一个区块的大小约为，在上述比特币协议中，网络资源的使用效率很低。 每个节点仅在一小部分时间内处理和传输有关新块的重要数据。 它的网络带宽确实很重要，但一次只有几秒钟。

其余时间，节点仅传输未决交易和辅助数据。 这一发现激发了研究人员寻找更有效的协议设计，这些协议设计可以显着提高交易吞吐量，而不会影响网络安全和去中心化。