📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸
✍️ Ping Chen
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使用管線化（Pipeline）技術可以提升區塊鏈的處理效能，但也可能會產生相應的代價。
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區塊鏈的擴容方案
說到區塊鏈的效能問題，目前討論度最高的應該是分片（sharding）技術，藉由將驗證者分成多組的方式，可以同時分別處理鏈上的交易需求，即使單分片效能不變，總交易量可以隨著分片/驗證者集的數量線性增加。
除了分片，另一個常用來提升程式效能的方案是將計算步驟拆解，以流水線的方式將複雜的運算攤平，降低系統的閒置時間，並大幅提升工作效率。為了達到管線化預期的目的，會需要先知道系統的瓶頸在哪。
區塊鏈的效能瓶頸
熟悉工作量證明設計哲學的人應該會知道，區塊鏈之所以需要挖礦，並不是為了驗證交易的正確性，而是要決定交易的先後順序，從而避免雙花和帳本分裂的發生。可以說，區塊鏈使用低效率的單線程設計，並付給礦工高額的成本，都只為了一件事，就是對交易的全局排序產生共識。
在這樣的基礎之上，區塊鏈在一段時間內可以處理的交易數量是有限的，這之中包含許多方面的限制，包括 CPU 效能、硬碟空間、網路速度等。其中，關於 TPS(每秒交易數) 提升和對硬體的要求大致上是線性增加的，但在設計共識演算法時，通訊複雜度常是平方甚至三次方的關係。
以現在的目標 TPS 來說，處理交易和生成一個合法的區塊並不困難，只是因為區塊鏈的特性，新區塊需要透過洪水法的方式擴散到全網路，每個節點在收到更新請求的時候都要先執行/驗證過區塊內的交易，等於整個廣播的延時會是「驗證區塊時間×經過的 hop 數量」這麼多。似乎網路越分散、節點越多，我們反而會需要降低計算量，以免讓共識不穩定。
管線化的共識機制
使用權益證明取代工作量證明算是行業發展的趨勢，除了環保或安全這些比較顯然的好處之外，權益證明對產生共識的穩定性也很有幫助。首先，權益證明在同一時間參與共識的節點數是已知的，比較容易控制數量級的邊界；其次，權益證明的出塊時間相較工作量證明固定很多，可以降低計算資源不足或閒置的機率。
相較於工作量證明是單一節點出塊，其餘節點驗證，權益證明的出塊本身就需要很多節點共同參與，瓶頸很像是從驗證轉移到通訊上。
以 PBFT 為例，每次產新區塊都需要經過 pre-prepare, prepare, commit 三個階段，你要對同意驗證的區塊簽名，還要對「你有收到某人的簽名」這件事簽名，再對「你有收到 A 說他有收到 B 的簽名」這件事簽名，過程中會有很多簽名飛來飛去，最後才能把一個區塊敲定。
為了降低每兩個區塊間都需要三輪簽名造成的延遲，後來的共識演算法包括 HotStuff 和 Casper FFG 採用了管線化的區塊驗證過程。也就是對區塊 T 的 pre-prepare 同時是對 T-1 的 prepare 和對 T-2 的 commit。再加上簽名聚合技術，出塊的開銷在複雜度等級和係數等級都降低許多。
然而，要保持管線化的區塊生產順利，需要驗證者集合固定不變，且網路通訊狀況良好。如果會經常更動驗證者集合或變換出塊的領導者，前後區塊間的相依性會是個大問題，也就是 T 的驗證者集合取決於 T-1 裡有沒有會導致刪除或新增驗證者的交易，T-1 的合法性又相依於 T-2，以此類推。
當激烈的分叉出現的時候，出塊跟共識的流水線式耦合就從優雅變成災難了。為了避免這種災難，更新的共識演算法會限制驗證者變更的時機，有些叫 epoch 有些叫 checkpoint，每隔一段時間會把前面的區塊徹底敲定，才統一讓驗證者加入或退出。到這些檢查點的時候，出塊的作業流程就會退化成原本的三階段驗證，但在大部分時候還是有加速的效果。
管線化的狀態更新
另一個可以用管線化加速的是區塊鏈的狀態更新。如前所述，現在公鏈的瓶頸在於提高 TPS 會讓區塊廣播變慢，進而導致共識不穩定，這點在區塊時間短的以太坊上尤其明顯。可是如果單看執行一個區塊內的交易所花的時間的話，實際上是遠遠低於區塊間隔的。
只有在收到新區塊的時候，節點才會執行狀態轉移函數，並根據執行結果是否合法來決定要不要把區塊資訊再廣播出去。不過其實只要給定了交易集合，新的狀態 s’ = STF(s, tx) 應該是確定性的。
於是我們有了一個大膽的想法：何不乾脆將交易執行結果移出共識外呢？反正只要大家有對這個區塊要打包哪些交易有共識，計算的結果完全可以當作業留給大家自己算吧。如果真的不放心，我們也可以晚點再一起對個答案，也就是把這個區塊執行後的新狀態根包在下個區塊頭裡面。
這就是對狀態更新的管線化，在區塊 T 中敲定交易順序但暫不執行，區塊 T+1 的時候才更新狀態（以及下一批交易）。這麼做的好處十分顯而易見，就是將原本最緊繃的狀態計算時間攤平了，從原本毫秒必爭的廣播期移出來，變成只要在下個塊出來之前算完就好，有好幾秒的時間可以慢慢來。新區塊在廣播的每個 hop 之間只要驗證交易格式合法（簽名正確，有足夠的錢付手續費）就可以放行了，甚至有些更激進的方案連驗簽名都省略了，如果真的有不合法交易混進去就在下個區塊處罰礦工/提案者便是。
把負擔最重的交易執行移出共識，光用想的就覺得效能要飛天，那代價呢？代價是區塊的使用程度會變得不穩定。因為我們省略了執行，所以對於一筆交易實際用掉多少 gas 是未知的。本來礦工會完整的執行所有交易，並盡可能的塞滿區塊空間，然而在沒有執行的情況下，只能以使用者設定的 gas limit 當作它的用量，能打包的交易會比實際的上限少。
緊接著，下一個問題是退費困難。如果我們仍然將沒用完的手續費退還給使用者，惡意的攻擊者可以透過發送 gas limit 超大，實際用量很小的交易，以接近零的成本「霸佔」區塊空間。所以像已故區塊鏈 DEXON 就直接取消 gas refund，杜絕濫用的可能。但顯然這在使用者體驗和區塊空間效率上都是次優的。
而最近推出的 smartBCH 嘗試擬了一套複雜的退款規則：交易執行後剩餘的 gas 如果小於 gas limit 的一半（代表不是故意的）就退款；如果剩餘量介於 50%-75% 可以退一半；超過 75% 推斷為惡意，不退款。乍看是個合理的方案，仔細一想會發現製造的問題似乎比解決的還多。無論如何，沒用掉的空間終究是浪費了，而根據殘氣比例決定是否退款也不會是個好政策，對於有條件判斷的程式，可能要實際執行才知道走哪條路，gas limit 一定是以高的情況去設定，萬一進到 gas 用量少的分支，反而會噴更多錢，怎麼想都不太合理。
安全考量，退費大概是沒希望了。不過呢，最近以太坊剛上線的 EIP1559 似乎給了一點方向，如果區塊的使用程度能以某種回授控制的方式調節，即使偶爾挖出比較空的區塊似乎也無傷大雅，也許能研究看怎麼把兩者融合吧。
管線化方案的發展性
考慮到以太坊已經堅定地選擇了分片的路線，比較激進的單鏈高 TPS 管線化改造方案應該不太有機會出線，不過管線化畢竟是種歷史悠久的軟體最佳化技巧，還是很有機會被使用在其他地方的，也許是 VDF 之於信標鏈，也許是 rollup 的狀態轉換證明，可以坐等開發者們表演。
倒是那些比較中心化的 EVM fork/sidechain，尤其是專門只 for DeFi 的鏈，管線化加速可以在不破壞交易原子性的前提下擴容，確實是有一些比分片優秀的地方可以說嘴，值得研究研究，但這就要看那些機房鏈們有沒有上進心，願不願意在分叉之餘也投資發展自己的新技術了。
給我錢
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拆解問題的技術心得 在 [心得] 強力反推家樂福愛河直營汽車服務中心- 看板car 的推薦與評價
今天晚上實在是氣到睡不著覺，
覺得還是把事情說出來，
心情才能平順一點。
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事情來龍去脈有點長，
因為太多狀況。
希望，大家可以細心看完，
我事證都準備得很完整清楚。
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事情發生
地點：家樂福 直營汽車服務中心 愛河店
地址：807 高雄市三民區河東路356號2F
首先，我於今年 四月份。
幫家裡的家人訂購了16吋的倍耐力輪胎。
2022/04/23 03:10:58
訂單為：2022042300051501。
當時決定於鼎山店安裝，當時過程家人滿意。
覺得特別從家樂福網站訂購輪胎，
從中清店到高雄。
負責施工及運送的過程都沒什麼太大的問題。
所以留下不錯的印象，決定年底也替自己換。
而十一月，訂購自己車輛的十八吋輪胎，
才是噩夢的開始。
2022/10/28 06:06:10
訂單為：2022102800018601。
非常強調地說，反推 反推 反推。
讓人非常厭惡的商家及服務。
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今年十一月，自己的車輛為：
Toyota的AURIS，時間屆滿快兩年半。
輪胎使用里程也接近三萬，
高速遇到下雨，
水較多的時候會飄，扯方向盤。
胎紋還夠，但決定更換輪胎。
商家：家樂福汽車輪胎直營中心-愛河店
負責人：車友行貿易有限公司
技師：陳技師及另一位簡稱光頭技師
愛河負責人：江先生
車友行主管：陳小姐
1.於十月份，家樂福線上舉辦活動。
雙十優惠，訂購一組四顆輪胎，現折1010。
2.因為高雄點目前沒有現貨，
從台中中清店出貨至我高雄指定店點，
家樂福-愛河店，進行安裝。
3.雙十優惠於2022/10/30結束，
本人於10/28於網路上下訂單，
指定出貨日為2022/11/03安裝。
4.2022/10/29，中清店致電，
詢問安裝地點，及詢問安裝時間。
再來，就是讓人傻眼的服務過程跟服務態度。
5.2022/11/03 下午安裝輪胎，晚間通知愛河江先生。
2022/11/03 當下換完輪胎，晚間我就先致電給，
愛河店負責人 江先生，把輪框受損及事情原委提供給他。
6.2022/11/04 晚間，車友行陳小姐，約家樂福見面。
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狀況一：
人到現場後，
不耐煩的語氣要求先移走車輛。
我有提前預約好時段更換，
卻是被要求先移開車輛。
我請中清店的人員，
幫我通知愛河中心的服務人員。
預約了時段，
於2022/10/03 下午五點，進行更換。
我要強調這點的原因是因為，
我有預約時間而且有留車牌。
關於預約這件事情，
中清人員親自幫我預約，是查得到的。
到了現場之後，
貴姓陳的陳姓技師，竟然跑來問我，
我要做什麼。
再來，我文章下方影片的技師，
簡稱光頭，不知道姓什麼。
我約下午五點零八分左右進廠的時候，
先用不耐煩的語氣。
要我先停去旁邊。
https://youtu.be/GZglekctyhE
我當下心裡想，
我都預約好了時間，車牌也給了。
陳姓技師，
竟然走過來一臉茫然問說，我要幹嘛？
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狀況二：
安裝完輪胎之後，四顆輪框，有三顆輪框受損。
且三顆輪框，有非常明顯的正面傷痕。
為了保障自己平時的自身權益，
車輛在更換任何零件前，我都會有個良好習慣。
就是錄高畫質影片，車體外觀，詳細的所有細節影片。
https://youtu.be/IVqNOXjIj54
https://youtu.be/gg90L4YYa8Y
以下兩張照片可以證明，
上面兩個影片為同時間的攝影。
汽車擺放位置，摩特車停靠位置，
機車雨衣藍色及汽車的車罩，都同樣位置。
走下車的錄影，因為是用Gopro拍照，
故沒像前鏡頭有時間佐證，
但擺在一起，可以明顯看出為同時間。
再來，當時家裡委派的管理員剛好在出口抽菸。
第一張照片可以看到他在門口附近站著。
他也可以當人證，因為他有看到，
我下車拍車身輪框，輪胎的行為。
好，再來就回到原本的問題。
為什麼我要拍下這個影片呢？
很簡單，我的車輛是兩年的新車，沒拆過輪胎。
我錄影片存證，也是可以保障我的權益。
我輪框沒有任何傷痕，我保養的也非常非常的細心。
我有自信，拍下這個影片，避免換完輪胎受損。
商家跑來跟我賴，說這是我自己造成的，
為了避免這種疑慮，我把完整四顆輪框的影片，
完整的拍下來，一刀未剪。
我目前車輛還保持著換完輪胎之後的狀況。
輪胎油及車輛目前的外觀，
都是換完輪胎後就沒有再清潔。
https://youtu.be/gg90L4YYa8Y
我影片中34-35秒左右，
你可以看到右側車身下方，
有我停在路邊樹下，不知道是鳥屎還是果實掉落，
造成的外側髒污，
目前也都還在車身，沒有清洗。
結果來了，果然先拍影片存證是對的。
商家想跟我說的是，我這些傷是舊傷。
我這些傷是自己造成的，自己弄得傷痕。
我真想問，我平常開車都很留意，
我輪框四顆真圓都沒有受傷，
我也清清楚楚明明白白的拍下，
四顆輪框無傷的影片。
以下的傷痕照片，他們說不是他們造成的。
(右前輪磨損)
(左前輪磨損)
(左後輪磨損)
(是深到已經見底的傷痕。)
我把完整的影片交給商家主管。
結果對方說，這些可能是我自己開車敲到的。
我已經有跟對方說過了，
如果我今天開車撞到東西，會一片傷痕在那邊。
我技術也沒有好到，
撞到都可以，撞到最外側的銀色表面。
而且只傷到銀色表面，其他較內側的都沒有刮痕，
剛好也都是一條過去的這種傷痕，請問三個框，
要剛剛都是傷在銀色最外側表面，
而且是細條狀的深到最裡面的底漆的傷，
是要技術多精準地去撞東西?!
https://youtube.com/shorts/TFgZDTLtQZc?feature=share
商家主管，查看過程。
更扯的是，竟然跟我說，是裝完輪胎後。
我開回家的過程之中，把自己的三顆輪框都傷了?!
我覺得今天是去做保養，或更換輪胎。
自己的新車輛，只要年份較新。
我真心建議各位，不管是Gopro還是手機，
一定要多拍一些影片，在出發前拍好，
還好我是個預防的心態拍影片，如果今天沒拍。
根本啞巴吃黃蓮。
對方也一定會賴到底，
我照片跟影片都用高畫質的上傳。
各位也可以去細部的看，我不怕檢閱。
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狀況三：
用手指指著客人，講話態度惡劣。
幫我安排的技師，連動平衡都不會做。
https://youtube.com/shorts/ZpegLjbNjC8?feature=share
事情來龍去脈：
2022/11/03 下午去安裝輪胎時，
如同我前面所說，有一位陳姓技師，及光頭技師。
當第一顆輪胎，剛換好胎，要裝上去動平衡的時候。
陳姓技師，單獨操作處理。
我因為本身就學過機車，且知道動平衡如何使用。
當下第一時間看到陳姓技師的動作非常奇怪。
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動平衡對汽車而言非常重要，攸關安全性問題。
詳細請自行Google。
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當下我就覺得非常怪異，故我一直在旁邊盯著看。
首先，他不會看顯示的燈號。
例如輪胎左側差5克，
正常情況下就是會轉動輪胎，到綠燈的位置，
然後記住位置，用一點清潔劑，做個記號，
然後把要貼的克數，貼上去，再轉動一次。
因為汽車有內外側，
通常都先做完一側，再去做另一側。
結果個技師，轉了五六次，都還是跑掉。
我就看他重頭到尾，
一直貼輪胎平衡鉛片，又用戳刀又戳下貼片。
前前後後搞了五六次，一顆輪框弄了快10分鐘。
我當下第一直覺，不行，再這樣戳來戳去。
我的輪框遲早被他戳壞。
我就很認真地在他旁邊說，
你到底會不會用？
你如果不會用，你不會做動平衡，拜託。
你不要動的輪框，讓另一個技師用。
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接下來就發生了，剛剛影片上的對話。
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後來我致電給客服部，愛河店主管江先生，
親自到輪胎中心，為我求證事情。
1-影片中光頭技師有提到，
如果他不會，他會問他。
經由江先生及我跟光頭技師的對話過程，
了解到陳姓技師，目前還在剛學習動平衡，
他尚未學會獨立作業。
我就當下問他，我看到就是他一個人在那邊操作，
他不會，也還沒學會，為什麼他可以一個人操作機台?
2-光頭技師在維修過程，一直強調自己已下班，
他只是來協助陳姓技師幫我安裝輪胎。
那不就剛好今天光頭技師還在，這家公司，
派一個不會動平衡的技師，安排幫我裝四顆輪胎?!
重頭到尾我都聽到對話中一直在抱怨，
他已經下班了。
他等等要去上課，今天不是他的班。
是安排陳姓技師來幫我安裝，他只是來幫忙的。
對，也還好他在，因為動平衡，他兩分鐘就做好了。
3-主管在影片中有提到，要給人機會學習。
今天你們要用你們公司自己的車輛培訓，
或他用自己的車輛輪胎去培訓自己，我都沒有意見，
但我不能接受的事情是，
你把我的車輛拿來訓練員工。
而且還是這麼重要，且關係到安全性的問題。
你今天因為要趕時間下班，要趕時間上課。
想要拚了老命得先把四顆輪胎拆裝完，
就丟一個不懂動平衡的技師，自行操作機台。
讓我的輪框在那邊裝了又拆，黏了又刮，
我無法接受。
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重點：
以上求證的事證證明。
1-家樂福 愛河店 輪胎維修中心，
幫我安排了一個不會動平衡操作的師傅，
為我安裝四顆輪胎，罔顧我的安全。
2-家樂福 愛河店 輪胎維修中心，
拿我的車輛，給員工做為訓練的車輛，
罔顧我的安全性，及車輛的基本安裝可靠性。
3-家樂福 愛河店 輪胎維修中心，
我的輪框內部刮傷，我看不到，我不想計較，
但四顆輪框卻可以傷到三顆的外側，
有一顆安裝的沒問題，
代表根本就是有沒有細心的問題。
還好我有錄影片，還可以跟客人說是我自己造成的。
4-今天我已經不想再去回想過程的不愉快。
我跟愛河店的主管江先生，也說得很清楚。
如果傷到內側，夾傷，刮傷，那些我算了。
真圓的地方，因為裝輪胎，刮傷，我也算了。
但正面那麼深的傷口，我不能接受，我要恢復。
陳姓女主管，一直在跟我周旋這件事情。
我已經做得非常大的讓步，
我就要求表面明顯傷痕修復即可。
傷了三顆輪框，只願意幫我負責兩顆輪框修復。
5-後來得知，陳姓技師主要會維修引擎，
輪胎非他專門項目，而光頭技師主要負責輪胎。
這讓我更匪夷所思，那為什麼是安排不會輪胎的安裝。
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今天，換位思考，
換輪胎，本來就是個辛苦的工作，
但工作的本質跟責任也該做好，
今天你安裝，撞傷了客人的框，事情也沒做好。
道歉，好好處理這件事情。
我年輕的時候做加油站的PT，
客人要加98，我誤加92，
因為是我自己造成的，
我摸摸鼻子，認了當天白做工。
負責客人的拖車費用跟抽油費用，近三千。
因為是自己的過失，也是道歉負責到底。
那今天這位光頭技師，
愛河店輪胎的負責人技師。
傷了我的輪框，
像在影片中，對我的大聲咆嘯。
從事發到現在，半句道歉都沒有，
他們主管及愛河主管，陪同處理的時候，
一直都把我當空氣，
當作沒看到我繼續走來走去。
事後主管還出來跟我爭論，如影片一樣，
事情都發生了，
框也傷了，該負責的一事規一事。
今天，我已經不想再去理會，
他們一直講的口氣，及服務過程的不愉快，
對我而言，已經不重要，都過去了。
我相當不開心的事情，是在於，
我證據都提供的這麼明顯，
還要再跟我扯有的沒的。
我花了很多時間，把所有事情前因後果，
及照片跟影店都整理好，
是想讓高雄的鄉親們，
不要跟我遇到一樣的事情。
三顆輪框都傷了，我認了。
你們只願意幫我維修兩顆，好，我認了。
弄傷我輪框的員工，
態度傲慢，把我當空氣，
不道歉，好，沒關係，我認了。
我小時候念前金國小，住在前金區一段時間。
對我而言，
快拆的家樂福愛河店，有我許多的回憶。
我在這邊也消費了不少，是常客。
光是收銀員我就認識很多，
而家電的蔣先生，也是我認識很久的員工。
我跟我老婆的電話，也都是找他購買的。
謝謝你們輪胎部門，在我的回憶上，
硬深深插了一個，非常不愉快的回憶。
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而你們的員工態度及處理方式，
讓我大開眼界，嘆為觀止。
我。本人。
這輩子，
不會再使用 車友行貿易公司的所有商品。
不會再使用 車友行主要引進的倍耐力品牌輪胎。
不會再進去 愛河店的輪胎中心，及相關部門。
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感謝你們顛覆我三觀。
當下真的很生氣，已經讓步到，
因為車輛已經兩年，不要求你們賠償。
讓你們用最省的方式，修復輪框的表面外觀而已。
三顆輪框都有明顯的傷，卻只願意負責兩顆，
且態度很硬。
當下真的有氣到，想要偕同江先生。
去台灣消費者保護協會申訴，
但不知道處理又要拖到何年何月。
這次這個悶虧，
只願意負責兩顆修復。
我就認了，
但我必須讓大家知道這過程。
對我而言，
我不想看到下一個跟我一樣的消費者。
你對我大聲咆嘯的臉，安裝輪胎，
操作時，還不戴口罩，沒關係。
我會記得你的臉，你這狂妄的臉。
謝謝。
文章很長，感謝有細心看完的車友。
希望各位留意這家商家，實在不推。
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 180.217.199.115 (臺灣)
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/car/M.1667601761.A.08D.html
但以後我不會再去了，我會去汽車百貨換。
※ 編輯: DarkRobert (180.217.199.115 臺灣), 11/05/2022 07:12:36
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