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📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸
✍️ Ping Chen
📥 歡迎投稿： https://medium.com/taipei-ethereum-meetup #徵技術分享文 #使用心得 #教學文 #medium
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。
Photo by tian kuan on Unsplash
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
ping.eth
區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.
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是的，指考。
不意外的，又有一波擔憂國家數理發展，以及另一波擔心語言發展，還有其他波的擔心XX發展，加上奧運舉辦，體育發展的憂慮也刷一波
依照各方大德的憂慮，想要達成全部目標，我們現在的國民教育應該會從小一開始改成全住宿制，每天課程排到晚上9，一路上到大學還得要義務化。
簡稱，不可能的任務。
看不懂？嗯，因為這算月經文..........年經文才對。
我的意思很簡單啦，每次大考考完，除了那些每年都要靠邀幾句的校長，總會多出一批新人，憂心教育內容每況愈下，學子未來值得擔憂，國家競爭力缺乏等等。從教改啟動前就開始罵，罵到今天還是沒停。
坦白說，我對罵沒意見，但總要有具體點的建議出來。具體的建議可不是什麼提高數學教學強度，增加閱讀測驗等等，這叫做毫不具體。
具體的事項，要很明確的講出：
「必須從國一開始上三角函數，國二要會球座標」
「當前作文與閱讀課不敷需求，每周要加到5堂課」
用產業界的說法，就是你得提出目標-需求-資源，不然誰曉得你想幹嘛。那種高喊今年業績要提高的老闆很多，拍桌說業務要更積極搶單的經理更多，但具體計畫寫下來，恐怕是沒幾個能動的。
說不出個所以然，只是單純地看到數理教學內容變少，然後看則新聞說半導體落後，就膝蓋反射認定是教改失敗，學生程度太差，這連結相關度說有多高嘛...........
唉
我是希望，每個老師或是教授，真想對教育內容有建設性意見，不要只是碎念，請從現場時數去反推課程合理性，自己做不到也沒關係，試著想一次就曉得多麻煩，沒教過學校會很難這種「分配力學」。
做不到的人可以反過來，從希望達成的目標去反推該做什麼，這個業界也常做。那就是，你覺得我們哪些產業，或是未來需要哪些能力，必需在教育上立刻改變？
例如「半導體業是國家未來重點項目，所以要增加基層作業員素質，故全國技職體系都該開設鍍膜工藝、真空技術、現場操作技巧，所以今年就該鼓勵現場工程師轉職，進修教育學分後，分發到高職開始進行高強度的基層訓練。」(從爆肝工程師變成爆肝技工的概念)
或如「綠能產業是未來重點，所以國中理化課程應該大幅增加相關內容，電磁學要放到國二，基礎理化放到國一，生物課程另開，增加時數從文科挪走。並在國三大幅增加實驗課程，除高中以外，高職開設新的電力與製造工程師課程。」(人社科去死的概念)
不然喔，永遠只是在那邊憂國憂民，因為憂的範圍超級大，所以基本上台灣所有的問題都可以被囊括進去，可以給抱怨者宇宙無敵大的憂國情懷，卻沒有半個人可以提出具體解決辦法。
但不去討論實際運作的狀態，多數人都只是看著小孩課本，抱怨怎麼內容變那麼簡單，然後看了新聞說XX國很強，就反射認為都是課本教壞，這種想法沒有意義啦。
沒篇幅了，所以我這邊就提一個問題，看有沒人會想討論，之後再來講：
我們教育究竟是要傾向全民篩選制，還是積極放長線釣大魚的概念。這兩者雖然可以並行，但若全力推動一種，另一種就會被當成不公平喔。
產品利潤模組，是以利潤為計算中心，找出哪種產品種類高獲利、哪種子類產品沒有獲利，做為公司打廣告、功能設變依據，公司生產符合消費者的需求產品；文字探勘模組以詞頻為中心，在眾多文章中，找出最主要的主題，做為策略的擬訂。
Python入門設計製作班：單元02_基本語法與結構控制件
01_變數型態與命名規則
02_變數型態與命名規則練習
03_變數轉變型態與脫逸字元
04_程式撰寫基本特型與快速註解
05_邏輯判斷(年齡判斷範例)
06_邏輯判斷改為多重判斷
07_邏輯判斷改為多重判斷另一種寫法
08_計算BMI練習
09_計算BMI與邏輯判斷
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課程簡介：入門
單元01_建置Python開發環境與程式測試
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單元03_迴圈資料結構與自訂函數
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單元05-1_開放資料處理CSV和JSON資料處理(停車與PM2.5)
單元05-2_開放資料處理練習題_新北市開放資料JSON
單元05-3_GOOGLE雲端當CSV來源與CSV處理
單元05-4_網頁資料擷取基礎與外匯
單元05-5_網頁資料擷取台彩與股市資料
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單元06_使用Pandas與處理_Excel_試算表
單元07_VBA與Phython連結MYSQL資料庫
單元08_視覺化報表使用圖表繪製Matplotlib
課程理念與課程介紹：
因應大數據分析、物聯網、工業4.0的需求，能更容易的學會網路爬蟲、機器學習、物聯網、影像辨識、自動圖像報表等需求，其中以EXCEL VBA與Python程式開發最為熱門，因此將VBA的自動化延伸到PYTHON設計，讓學員能夠比較兩個工具的長處，並能相互協同應用。
吳老師 108/12/21
Python,Python入門設計製作班,中小學教師,函數,程式設計,線上教學,PYTHON安裝環境
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如題想知道在效用章節完全互補的效用該如何找出xy的需求函數呢？有在網路上找到一個解答，但還是不知道他如何找出需求函數的（或是求出需求函數有公式 ... ... <看更多>
需求函數 在 Re: [請益] 需求函數- 看板Economics - 批踢踢實業坊 的推薦與評價
※ 引述《mix0121 (海灘男孩)》之銘言：
: 想請問版上的大大們，
: 關於a*p^-b 這需求函數中的a與b
: 所代表的意義是什麼呢？
: 如果單獨變動a或b的話
: 所代表的經濟意義又是什麼呢？
: 由於對於經濟學很陌生，所以提出
: 此問題，請見諒。
一般需求函數的形式應該是 Q^d=a+b*P
(也有參考書是用a-b*p，看定義，沒有對錯)
其中，a為一常數，而b為小於0的常數
建議原po畫圖比較方便了解其經濟意義
先解釋b，b的意思是每變動一單位的價格，我們會減少商品需求的數量
例如b=-2，就是商品的價格上升1元的話，我們的商品需求會減少2個單位
接下來，假設b等於0，則需求函數變成Q^d=a
這樣做的意思是排除價格影響商品需求的部分
例如a=5，就是當我們買東西是不需要價格(也就是不需要錢)的時候，
我們的商品需求是多少(也就是我們想要多少東西)
從圖形上來說，a就是需求曲線的截距，b就是需求曲線的斜率
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 220.134.44.35
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Economics/M.1402470161.A.A4E.html
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