Greg Maxwell: 比特币系统的扩容

ahr999：Greg Maxwell的总结不一定最正确，但肯定是最全面的。其实，很多内容我也仍然是一知半解，我会继续把每个文中提到方案调研一下，满足自己的好奇心，但是这需要时间。

在香港举行的比特币扩容研讨会刚刚结束，会上涌现了许多拉风的方案。我认为现在是个绝佳的机会，来分享我对比特币扩容的观点。我相信我们正处在一个奇妙时刻，社区正在一个清晰的路线上前进，我们拥有共同的愿景，在解决比特币系统需求的同时，又能保持它的价值准则。

我认为首先需要明确一些与比特币系统持续发展相关的原则。

比特币是点对点电子现金，它极具价值，因为它通过去中心化给用户带来金融自主权。比特币旨在解决传统货币的根本问题：其运行所需要的信任——合理的信任并非坏事，但是信任使系统变得脆弱、不透明和昂贵。信任失败将导致系统崩溃，信任管理创造不平等和垄断，自然产生的信任瓶颈可能被用于拒绝正当程序的访问。通过使用密码学证明和去中心化网络，比特币最大限度地减少和取代了上述信任所产生的代价。

基于现有的技术，比特币扩容和去中心化之间存在基本的取舍。如果系统过于昂贵，人们就会被迫委托第三方，而不是独立地执行系统规则。如果相对于现有技术，比特币区块链的资源消耗过高，那么它就会失去相对于传统系统的竞争优势，因为验证的代价太高，会迫使人们回到信任系统。如果比特币容量太低，那么系统的交易效率就会太低，于是使用它交易的代价就会太高，从而同样迫使人们回到信任系统。

由于比特币是一种电子现金，不是通用数据库。而廉价的重复的永久存储的需求是无限的，比特币不可能去满足非现金需求（非比特币）的使用。幸运的是，比特币可以与其他系统协作来完成更多的应用。通过努力的工作和一些运气，比特币系统将可以满足全世界对电子现金的需求。

许多伟大的技术正在开发，这将使得取舍变得更加容易。

首先，比特币核心最近合并libsecp256k1，这使得签名验证的性能大幅增加。结合最近的工作，比特币核心0.12版本的ConnectTip性能比以前的版本高出了7倍。这一天终于到来了，没有它和早期的工作，如headers-first，我可能会在去年主张减小比特币区块容量。这项改进使得比特币软件到达了一个阶段，即在扩容的同时，仍然可以保证去中心化，因为它改变了CPU和带宽的瓶颈。

Versionbits（BIP9）趋近成熟，它将允许比特币网络有多个运行的软分叉。现在，我们已经完成序列化软分叉的工作，但是仍然没有真正的办法，可以处理那些已经合并到比特币核心但被网络拒绝的软分叉。BIP9将解决这一切，它能够让我们跟上网络的步伐。不出意外，Versionbits将应用于比特币网络的下一次软分叉。

在香港的比特币扩容会议上，Pieter Wuille展示了隔离式签名（Segregated Witness）方案。他提出通过重组区块数据，分离处理签名，可以通过软分叉的方式，提升比特币的容量。

这个特别的方案可以实现至少4MB区块。隔离式签名也将实现新的安全模型，例如：选择性下载数据和提高轻客户端的性能。该方案还包括欺诈证明（fraud proofs），它使用压缩证明来识别比特币系统的违法行为，这完成了比特币白皮书中“简化支付验证（SPV）”部分所描述的视觉“警报”，并使轻客户端执行系统所有规则成为可能。该方案还包含许多其他特征，例如：进一步增强安全性，消除签名延展性。如果使用这个方案，可以获得2倍的容量增加甚至更高（在多重签名广泛使用时）。最重要的是，它通过提高空间使用效率，来提升区块容量，更安全的同时也容许更多的取舍。

这里有个工作实现（虽然它还没有包含欺诈证明）：

https://github.com/sipa/bitcoin/commits/segwit

Pieter的演讲文字稿：

http://diyhpl.us/wiki/transcripts/scalingbitcoin/hong-kong/segregated-witness-and-its-impact-on-scalability/

幻灯片：

https://prezi.com/lyghixkrguao/segregated-witness-and-deploying-it-for-bitcoin/

视频：

https://www.youtube.com/watch?v=fst1IK_mrng#t=36m

我曾经在元素Alpha侧链上成功的部署了较早（硬分叉）版本的隔离式签名，现在的软分叉版本是第二代设计。我认为在一个相对短的时间内实现这个部署是可行的。隔离式签名的设计要求一个未来与bitcoinj兼容的硬分叉，从而进一步提高效率，但最大化收益是不必要的，这意味着它可以有自己的时间表，并且通过非诉讼的方式。

除隔离式签名之外，还有相当多的方案试图实现更高效的区块中继。相关方案收集已经完成，一些是关于p2pool挖矿激励的非正式草案，另一些是独立的发明，如：“弱块”、“薄块”或“软块”。这些方案建立在高效中继技术之上（如中继网络协议或IBLT），它们可以将几乎所有的传输时间转移到区块被发现之前。即使是目前的区块大小，我们也迫切需要这些方案。虽然它们还没有得到落实，但幸运的是，这条道路已经很清晰。我已经看到了一个以上的完整的规划说明，我希望它们在几个月内运行使用。这个工具将消除由矿工的战略行为所导致的传播延迟问题。了解矿工的战略行为一直是个悬而未决的问题。

同时，有很多方案正在研究“非带宽”相关的扩容机制。非带宽扩容机制是指通过削减交易或双向支付渠道等方法，在提升比特币容量和速度的同时，不增加带宽。至关重要的是，这些方案在容量和简化之间进行取舍，它们可以使我们实现很高的容量，并保持很高的去中心化。CLTV（BIP65）在一个月前已经部署，这项技术非常有用（尤其在退款时）；CSV（BIP68/BIP112）正准备合并到比特币核心，它已经取得了巨大的进展（可能会在隔离式签名之前准备好）。其它非带宽协议也在进行中，许多方案需要修复签名延展性（这将在隔离式签名中实现），checksig flag方案已经提交，这将是使得部署隔离式签名更加容易。我预计在六个月内，有相当多的功能会准备部署。即使没有它们，我认为我们在短期内也是可以接受的，但未来的发展也很重要。

http://diyhpl.us/wiki/transcripts/scalingbitcoin/hong-kong/overview-of-bips-necessary-for-lightning 是一个关于闪电网络特征和双向的支付渠道方案的演讲，目前多个团队在这上面工作。过去讨论的其它非带宽协议还包括交易切断，关于如何使交易量大于区块链的能力，我个人认为这个是必读的：

https://bitcointalk.org/index.php?topic=281848.0

此外，还有几个方案关于动态区块大小，它们允许矿工在付出一些成本之后可以生产更大的区块。这些方案有助于保护矿工和普通节点之间的激励机制，并防止矿工之间的背叛。我个人认为现在区块容量还足够，因此我们暂时不需要这些方案，但长期看它们是非常重要的。我正计划在接下来的几个月里，推动它们朝着更具体的方向发展。

相关演讲：

http://diyhpl.us/wiki/transcripts/scalingbitcoin/hong-kong/a-flexible-limit-trading-subsidy-for-larger-blocks/

最后，在未来某个时刻，以上扩容方案可能仍然是不够的。高效区块中继、隔离式签名的欺诈证明、动态区块大小控制和其它技术，可以降低区块直接扩容方案（如：2/4/8M）的风险。当它们的风险获得评估，并被人们广泛接受时，比特币将部署这些方案。我们应该在比特币核心中准备这些补丁，以备未来的需要。

我们目前的进展已经很好的处理比特币当前的容量需求，并服务于比特币生态系统。我认为上面列出了一些明确的可实现的里程碑，它们会继续提升比特币的能力，同时为我们的进一步改善和发展提供了基础。

我建议我们立即开始实现隔离式签名的4MB区块软分叉，来增加比特币容量。通过高效中继方案将隔离式签名合理的风险控制在合理的范围，BIP9也将使得隔离式签名更容易和更快的部署。我们将继续实施非带宽扩容方案，并构建一些工具，使得直接扩容方案更安全。进一步的工作将为比特币进一步扩容做准备，当方案变得合理时它们可能被部署，同时我们也进行基础工作，让它们变得合理。