像比特幣這類加密貨幣是建立在區塊鏈上的網路。在這個網路上，金融交易的帳本數據格式化在一系列的區塊裡。這些網路是分散式的，沒有銀行或組織管理帳戶餘額資金，由用戶聯合起來儲存和驗證交易訊息。
但是，分散式會導致網路可擴展性不足的問題。新的用戶節點在加入時，需要下載儲存此前成千上萬個區塊數據。新用戶加入後還要繼續儲存新的區塊數據，並且幫助驗證交易。這使得交易過程緩慢，或者從計算角度來說有些不切實際。
一篇將在下個月網路和分散式系統安全研討會展示的論文中，麻省理工的研究人員會介紹一個叫金庫(Vault)的加密貨幣，能夠讓用戶在加入網路時下載僅佔總交易數據的一小部分數據。
它還集成了刪除佔用空間的空帳本技術，並允許核查只使用被劃分和共享在網路上，盡量減少個人用戶的數據儲存和處理要求的最新交易數據。
在實驗中，與比特幣相比，Vault將加入其網路的頻寬減少了99%，與以太網相比減少了90%。重要的是，Vault仍然確保所有節點都驗證所有事務，提供與現有節點相同的嚴格安全性。
「目前有很多加密貨幣在新用戶加入和存儲方面遇到了瓶頸。我們這裡的主要目標時給越來越多的用戶提供好的擴展性。」作為參與者、電腦科學與人工智慧實驗室(CSAIL)的研究生萊昂說道。
CSAIL的研究人員Yossi Gilad和Nickolai Zeldovich也參與了這項研究。NickolaiZeldovich也是電子工程與電腦科學系(EECS)的教授；還有最近的校友Adam Suhl ' 18。
跨過區塊
加密貨幣網路中的每個塊都包含一個時間戳、它在區塊鏈中的位置以及固定長度的數字和字母字符串(稱為「散列」)，這基本上是塊的標示。
每個新塊都包含區塊鏈中前一個塊的散列。Vault中的塊還包含多達10,000個事務——或10兆字節的數據——這些事務都必須由用戶進行驗證。區塊鏈的結構，特別是哈希鏈，確保了對手在不被發現的情況下無法攻擊塊。
新用戶通過下載所有過去的交易數據來加入加密貨幣網路，或「引導」，以確保它們是安全的和最新的。例如，要在去年加入比特幣，用戶需要下載50萬個區塊，總計約為150g。用戶還必須儲存所有帳戶餘額，以幫助驗證新用戶並確保用戶有足夠的資金完成交易。隨著比特幣的帳戶數量超過2200萬個，儲存要求也越來越高。
研究人員在一種名為Algorand的新型加密貨幣網路的基礎上建構了他們的系統。這種網路由麻省理工學院的福特工程教授SilvioMicali發明。
對於傳統的加密貨幣，用戶競相解驗證塊的方程，第一個解得到資金的方程。隨著網路的擴展，這會減慢事務處理時間。Algorand使用「利害關係證明」概念來更有效地驗證塊並更好地支持新用戶加入。對於每一個區塊，都會選出一個具有代表性的核查「委員會」。在網路中擁有更多資金或股份的用戶被選中的可能性更高。要加入網路，用戶需要驗證每個證書，而不是每個事務。
但是每個塊都包含一些關鍵訊息，以便在它之前立即驗證證書，這意味著新用戶必須從鏈中的第一個塊及其證書開始，然後依次驗證每個塊，這可能很耗時。為了加快速度，研究人員基於幾百塊或1000塊後面的一個塊(稱為「麵包屑」)給每個新的證書驗證訊息。當一個新用戶加入時，他們會將一個早期塊的麵包屑匹配到前面1000個塊的麵包屑。這個麵包屑可以與前面1000個塊的另一個麵包屑匹配等等。
萊昂說:「論文標題是一個雙關語。」「金庫是一個你可以儲存錢的地方，但區塊鏈也讓你在加入一個網路時『金庫』跨越街區。」當我引導時，我只需要一個來自過去的塊來驗證未來的塊方法。我可以跳過中間的所有塊，這為我們節省了很多頻寬。
分而丟棄
為了減少數據儲存需求，研究人員設計了一種新的「分片」方案。該技術將事務數據分成更小的部分(或碎片)，在整個網路中共享，因此單個用戶只需處理少量數據來驗證事務。
為了以一種安全的方式實現共享，Vault使用了一種眾所周知的數據結構，稱為二進制Merkle樹。在二叉樹中，單個頂部節點分支為兩個「子」節點，而這兩個節點又各自分解為兩個子節點，以此類推。
在Merkle樹中，頂部節點包含一個哈希，稱為根哈希。但是樹是由底部向上構造的。樹將底部的每一對子散列組合起來，形成它們的父散列。它在樹中重複這個過程，從每對子節點中分配一個父節點，直到將所有內容組合到根哈希中。在加密貨幣中，頂部節點包含單個塊的散列。每個底部節點包含一個散列，表示塊中一個事務涉及的一個帳戶的餘額訊息。balance散列和block散列綁定在一起。
為了驗證任何一個事務，網路組合兩個子節點以獲得父節點散列。它在樹上重複這個過程。如果最終的組合散列與塊的根散列匹配，則可以驗證事務。但是對於傳統加密貨幣，用戶必須儲存整個樹結構。
通過Vault，研究人員將Merkle樹分成不同的碎片，分配給不同的用戶組。每個用戶帳戶只在其分配的分片中儲存帳戶的餘額，以及根散列。訣竅是讓所有用戶儲存一層節點，該節點橫切整個Merkle樹。當用戶需要從碎片外部驗證事務時，他們會追蹤到該公共層的路徑。從這個公共層，他們可以確定分片之外的帳戶餘額，並正常地繼續驗證。
萊昂說：「網路的每個碎片負責儲存大數據結構的一小部分，但這一小部分允許用戶驗證來自網路所有其他部分的交易。」
此外，研究人員還設計了一種新的方案，可以識別和丟棄用戶指定的在一定時間內沒有餘額的碎片帳戶。其他加密貨幣保留所有空帳戶，這增加了數據儲存需求，但沒有真正的用途，因為它們不需要驗證。當用戶在Vault中儲存帳戶數據時，他們會忽略那些舊的、空的帳戶。
本文為金色財經授權刊登，原文標題為「麻省理工發幣性能完爆比特幣、以太坊 新節點加入減少99%數據量」