公鏈如何擴容？ - 你這慢吞吞的臭公鏈(一)

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▍前言：「你這慢吞吞的臭公鏈」系列文章

我研究公鏈、投資公鏈已經將近兩年，但在跟幣圈的朋友聊天時，發現多數人都難以理解公鏈之間的差異，追問之下才知道，因為公鏈的底層架構太學術了，許多人看到這些技術名詞就打退堂鼓，也因此他們在熊市囤幣時很少碰公鏈幣，這樣滿可惜的，錯失很多機會，所以在「你這慢吞吞的臭公鏈」系列文章，我會先從科普開始，用比較白話的方式來說明公鏈的設計原理，再進一步由代幣經濟、項目方運營、開發者生態等面向，去判斷一條鏈的好壞，最後說說我綜合這些資訊後的投資方法，希望能給大家一個參考，少走冤枉路。

▍什麼是公鏈？

公鏈其實就是個很陽春的網路遊戲，沒有絢麗的打鬥畫面，也沒有吸引人的故事情節，但你可以不斷課金要求別人幫你記帳，享受當大爺的快感，所以公鏈就是一個記帳遊戲。在這個遊戲中只有兩個角色，一個是「節點」一個是「用戶」，節點們負責維持遊戲的運作，數百甚至數千個節點運行 24 小時不斷網的電腦，一直同步遊戲數據，紀錄每個用戶的戶頭有多少錢、有多少張 JPG，然後用戶可以課金要求節點幫忙轉帳或購買東西，看似很無聊的記帳遊戲，實際上也很無聊，但這個遊戲強大之處在於「取代傳統銀行」，用節點間的競爭關係來維持遊戲公平，確保「記帳」這件事不會出錯，比傳統銀行更為公平開放。

▍慢吞吞的臭公鏈

但是現在的公鏈實在很慢，依照 Dragonfly 的研究 (如下圖)，以太坊的 TPS 大約在 9，而速度最快的 Solana 大約在 273，信用卡卻可以到數千或數萬的 TPS，這樣一比，公鏈的速度根本沒辦法給全世界 78 億人使用，想要玩記帳遊戲，至少要記的比傳統銀行還要快。

所以各大公鏈都在努力做「擴容」這件事情，這樣高技術含量的競賽暗潮洶湧，誰能殺出一條血路成為王者，就能宰制加密貨幣的世界。

『名詞說明』

擴容：在不提高節點硬體成本的狀況下，提升交易的處理速度。
TPS：每秒可以處理幾筆交易。

▍公鏈的運作步驟

其實公鏈的運作就像一個大財主站在城頭上準備撒錢，城頭下一堆老百姓蓄勢待發要大搶特搶，當大財主丟下第一張鈔票，老百姓就瘋狂的推擠搶奪，要成為第一個接到鈔票的幸運兒，當那張鈔票被拿走之後大家又回歸平靜，等待大財主丟下第二張鈔票。

在公鏈中，撒鈔票的大財主就是「用戶」，而下方爭奪的老百姓就是「節點」，不過節點間的競爭比較文明一點，是利用一套寫好的程式碼來規定競爭流程，哪個節點違規就會被罰錢，而這些運作步驟我列在後面，可以去細細體會這些步驟對節點的負擔在哪裡。平常在使用公鏈時，我們的所有交易例如轉帳、買 NFT、操作 Defi 等等，都是透過節點幫我們完成，這其中的每一步都可以優化，加快處理速度。

1. 步驟一：「用戶」送入交易

   • 說明：用戶將「轉帳交易」與「操作智能合約」的需求傳送給節點。

   • 瓶頸：用戶有數十萬數百萬，大量的操作需求送進來時，需要有足夠的網路頻寬，節點不一定能負荷。

2. 步驟二：「節點」計算交易

   • 說明：節點去計算用戶的帳戶餘額夠不夠轉帳，或是智能合約運行的結果是什麼。

   • 瓶頸：計算帳戶餘額與智能合約，需要節點電腦的算力夠好、速度夠快，所以這需要一定效能的 CPU、GPU、RAM。

3. 步驟三：「節點」打包交易

   • 說明：節點將「手續費較高」並且「執行正確」的交易打包成一個區塊，並廣播給其他節點，要求他們驗證。

   • 瓶頸：廣播這件事情也是需要網路頻寬，打包好的區塊大小雖然只有幾 MB，但要傳給數萬個節點依舊很耗時。

4. 步驟四：「節點」投票表決

   • 說明：所有的節點收到廣播後，要投票表態支不支持這個新區塊上鏈。

   • 瓶頸：每個節點收到廣播的區塊後，自己要計算一次區塊內的交易是否正確，才能做出投票判斷，為自己的選票負責，而接收資訊與送出資訊也需要網路頻寬，所以在這步驟網路與算力都有需求。

5. 步驟五：「節點」確認交易

   • 說明：如果半數以上的節點支持這個新區塊，那新區塊就確定上鏈，所有節點都會收到最終的投票結果。

   • 瓶頸：這部分需要網路傳輸的效能，將投票結果同步。

6. 步驟六：「節點」儲存交易

   • 說明：所有節點把新區塊接到區塊鏈最尾端，也就是將交易資料儲存起來，更新區塊鏈數據。

   • 瓶頸：區塊鏈歷史交易紀錄，會隨著時間越來越多，數據也越來越大，這需要足夠的硬碟空間來做儲存。

7. 步驟七：交易完成

   • 到這邊就交易完成，然後再重複循環上述步驟。

▍節點的硬體瓶頸

由上一段落可歸納出公鏈遇到的瓶頸就是節點的硬體，在「網路頻寬、計算能力、儲存空間」這三方面遇到問題，其中最頭痛的就屬網路頻寬，Vitalik 的這篇文章很詳細的解釋節點硬體的限制，也說明公鏈為了能夠承受突發狀況，必須要保留一部分的緩衝，讓節點的硬體效能無法充分使用。

▍直觀卻不可行的加速方法

區塊鏈就是由一個個的區塊連接而成，每條鏈會一直生成新的區塊接到區塊鏈尾端，像以太坊是每 15 秒產生一個新區塊，而每個區塊裡面能容納的交易數是有上限的，所以交易送進來太多是沒辦法塞進區塊的。在出塊時間與區塊大小都固定之後，這條公鏈每秒能處理的交易數量（TPS）就被固定下來，所以想增加處理能力有兩個直觀的方法：

1. 增加區塊大小

   區塊變大，就能塞進更多的交易，例如一個區塊從容納 100 筆交易增加為 1000 筆交易，TPS 大了 10 倍，需要傳輸的數據量也大了 10 倍，對節點來說硬體要求就變高了，要做更多的運算，也要更高的網路速度來傳輸，讓節點負擔更大。

2. 縮短出塊的間隔

   如果把原先的每 15 秒出一個新區塊，改成 5 秒出一塊呢? TPS 直接提升 3 倍，非常簡單暴力。但有個問題是，節點們需要時間去同步區塊，例如一個節點它網路較差，需要花 9 秒鐘才能同步一個區塊，那每 5 秒的出塊速度它永遠跟不上，就會直接被排擠在外。

以上兩個方法都必須要讓節點的硬體效能提高，但硬體效能提高是要花成本去購買的，這不是一個好的發展方向，所以實際上擴容就是走另一條路，不增加區塊大小也不縮短出塊間隔，卻能夠處理更多的交易，也就是軟體的升級。

▍公鏈的軟體優化

我將軟體優化分為三個方向「降低算力需求、降低網路需求、降低儲存需求」來做說明。

1. 降低「算力」需求

   俗話說人多好辦事，很簡單的降低算力辦法就是「分工」，可以像製衣廠的流水線一樣，有的工人只負責切割布料，有的工人只負責縫合布料，有的工人只負責繡上花紋，這樣大家只負責一點點的事情，就能做到專精快速，負擔也不會太大。

   舉例：

   • 以太坊的模塊化就是把需要大量運算的事情交給 Layer 2 的節點，Layer 1 的節點只要負責驗證即可，負擔小很多。

   • Cosmos 這樣由多條「應用鏈」組成的公鏈，每個應用鏈的節點只負責自己那條鏈的交易，就算偶爾會收到跨鏈計算的需求，整體來說需要計算的情境會少很多。

2. 降低「網路」需求

   網路通訊一直是公鏈的痛點，數千數萬個節點不斷傳輸資料是很費工的，就像你有一部哈利波特電影想傳給朋友，但你人緣太好、朋友太多，一次要傳給 1000 個朋友請問需要傳多久？這時候你為了減少時間，你可能會挑最親密的 5 個朋友來傳就好，或者，你覺得這 1000 個朋友一個都不能少（不能只有我看到），所以你把一部 4K 畫質的電影壓縮到 240P 之後，再傳給 1000 個朋友，這樣傳輸時間也變快了（但你的朋友只能看到模糊的妙麗）。

   舉例：

   • Cosmos 的 Tendermint 共識機制，就是限定節點數量上限只能到 300 個，減少需要傳輸的對象。

   • Rollup 會把數千筆交易壓縮在一起，減少數據大小，方便資料傳輸與降低手續費，但不用擔心數據損失，他們不像壓縮電影畫質那樣會破壞數據。

3. 降低「儲存」需求

   公鏈的交易數據只會變多不會變少，就像你銀行的轉帳紀錄，會隨著你使用越多次存越多，比特幣運行了 15 年，交易歷史的數據就非常龐大，這會帶給節點負擔，因為儲存交易數據的就是節點，最簡單的解決辦法就是交給別人存，例如以前大家的電腦 D 槽都存著眾多的影片，常會覺得硬碟不夠用，但時代在進步，這些影片都雲端化了，你只要上串流平台就可以看一大堆的電影、影集，釋放了你的 D 槽空間。

   舉例：

   • Solana 就是把歷史交易紀錄交給 Arweave 來存，Arweave 是分散式的儲存空間（IPFS），會把同樣的資料複製好幾份存在不同地方，這樣可以確保安全，而 Solana 的節點如果要調用交易數據，就直接跟 Arweave 拿，這樣就能釋放節點的硬碟空間。

   • Mina 這條公鏈會把交易歷史用零知識（ZK）的方式做快照，然後節點只需要儲存快照結果，這樣數據就非常小，那如果要查原始交易紀錄怎麼辦？會有部分的節點儲存原始交易紀錄，如果有人對快照結果有疑問，就可以調用原始數據來查證。

▍總結

• 現在市面上的公鏈都很慢，與信用卡相比差太多，沒辦法給全世界 78 億人使用，所以公鏈開發者都努力在做擴容。

• 去分析公鏈的運作步驟，會發現節點的硬體好壞限制了公鏈的快慢，但要提升硬體效能是沈重的成本負擔，所以硬體升級這條路不可行。

• 當硬體有所限制，軟體的優化就至關重要，目前每個公鏈都想辦法減少節點「網路頻寬、計算能力、儲存空間」的負擔，利用分工合作、壓縮數據、零知識證明等方式，來達到擴容的目的。

▍後記

寫這篇文章時，因為想要減少專有名詞的使用，才驚覺專有名詞的強大，一個名詞就可以代表背後幾百字的意義，但這也是學術領域讓人難以踏進來的原因，希望這篇文章的用字遣詞不會太艱深，也希望這篇文章能幫助到你，如果其中有比喻不精確或論述過於簡化，請多多包涵也歡迎給我意見，有任何疑問可以留言或私訊我，讓我們一起學習一起成長，「你這慢吞吞的臭公鏈」系列文章會陸續上架，敬請期待。

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「愛鏈歐文 Podcast 」是由歐文笑長與鏈鏈共同主持，我們會從宏觀角度觀察幣圈趨勢，也會從微觀角度對幣圈項目進行科研，藉此建立長期穩定的投資配置。

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