加密貨幣:麻省理工發“幣”，性能完爆比特幣，新節點加入減少99%數據量！

作者|jack

排版|木木

設計|土豆

小辣椒說：本文來源麻省理工學院新聞網站，發布時間為2019年1月23日，由小辣椒區塊鏈翻譯。英文水平有限，恐翻譯過程或有疏漏、錯誤，小辣椒把英文原文放在翻譯后面，供大家參考學習。

像比特幣這類加密貨幣是建立在區塊鏈上的網絡。在這個網絡上，金融交易的賬本數據格式化在一系列的區塊里。這些網絡是分布式的，沒有銀行或組織管理賬戶余額資金，由用戶聯合起來存儲和驗證交易信息。

但是，分布式會導致網絡可擴展性不足的問題。新的用戶節點在加入時，需要下載存儲此前成千上萬個區塊數據。新用戶加入后還要繼續存儲新的區塊數據，并且幫助驗證交易。這使得過交易過程緩慢，或者從計算角度來說有些不切實際。

一篇將在下個月網絡和分布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絡時下載僅占總交易數據的一小部分數據。

它還集成了刪除占用空間的空賬本技術，并允許核查只使用被劃分和共享在網絡上，盡量減少個人用戶的數據存儲和處理要求的最新交易數據。

在實驗中，與比特幣相比，Vault將加入其網絡的帶寬減少了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。我們這里的主要目標時給越來越多的用戶提供好的擴展性，”作為的參與者，計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的研究生萊昂說道。

CSAIL的研究人員YossiGilad和NickolaiZeldovich也參與了這項研究。NickolaiZeldovich也是電子工程與計算機科學系(EECS)的教授;還有最近的校友AdamSuhl'18。

跨過區塊

加密貨幣網絡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”)，這基本上是塊的標識。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絡，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。用戶還必須存儲所有帳戶余額，以幫助驗證新用戶并確保用戶有足夠的資金完成交易。隨著比特幣的賬戶數量超過2200萬個，存儲要求也越來越高。

研究人員在一種名為Algorand的新型加密貨幣網絡的基礎上構建了他們的系統。這種網絡由麻省理工學院的福特工程教授SilvioMicali發明。

Blur創始人公開身份，曾就讀于麻省理工學院計算機系:2月22日消息，Blur創始人@PacmanBlur與社交媒體公開身份，表示在創建Blur前，17歲時從高中輟學進入Y Combinator，后進入麻省理工學院計算機系學習，曾獲得泰爾獎學金，離開麻省理工學院后創建Namebase，出售Namebase到Namecheap。[2023/2/22 12:21:36]

對于傳統的加密貨幣，用戶競相解驗證塊的方程，第一個解得到資金的方程。隨著網絡的擴展，這會減慢事務處理時間。Algorand使用“利害關系證明”概念來更有效地驗證塊并更好地支持新用戶加入。對于每一個區塊，都會選出一個具有代表性的核查“委員會”。在網絡中擁有更多資金或股份的用戶被選中的可能性更高。要加入網絡，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信息，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，然后依次驗證每個塊，這可能很耗時。為了加快速度，研究人員基于幾百塊或1000塊后面的一個塊(稱為“面包屑”)給每個新的證書驗證信息。當一個新用戶加入時，他們會將一個早期塊的面包屑匹配到前面1000個塊的面包屑。這個面包屑可以與前面1000個塊的另一個面包屑匹配，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絡時‘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帶寬。

分而丟棄

為了減少數據存儲需求，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)，在整個網絡中共享，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。它在樹中重復這個過程，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余額信息。balance散列和block散列綁定在一起。

為了驗證任何一個事務，網絡組合兩個子節點以獲得父節點散列。它在樹上重復這個過程。如果最終的組合散列與塊的根散列匹配，則可以驗證事務。但是對于傳統加密貨幣，用戶必須存儲整個樹結構。

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存儲帳戶的余額，以及根散列。訣竅是讓所有用戶存儲一層節點，該節點橫切整個Merkle樹。當用戶需要從碎片外部驗證事務時，他們會跟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余額，并正常地繼續驗證。

動態 | 麻省理工學院開發“蜘蛛”路由方案，可提高加密貨幣處理速度:麻省理工學院的研究人員開發了一種被稱為“蜘蛛”?的更有效的交易路由方案，并表示該方案可以將加密貨幣處理速度提高四倍。研究人員計劃在2月下旬舉行的USENIX網絡系統設計與實現研討會上介紹有關該技術的更多詳細信息。（Computer World）[2020/2/3]

萊昂說:“網絡的每個碎片負責存儲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絡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余額的碎片帳戶。其他加密貨幣保留所有空帳戶，這增加了數據存儲需求，但沒有真正的用途，因為它們不需要驗證。當用戶在Vault中存儲帳戶數據時，他們會忽略那些舊的、空的帳戶。

英文原文

title：Afaster,moreefficientcryptocurrency

abstract:Designreducesby99percentthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions.

MITresearchershavedevelopedanewcryptocurrencythatdrasticallyreducesthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions—byupto99percentcomparedtotoday’spopularcryptocurrencies.Thismeansamuchmorescalablenetwork.

Cryptocurrencies,suchasthepopularBitcoin,arenetworksbuiltontheblockchain,afinancialledgerformattedinasequenceofindividualblocks,eachcontainingtransactiondata.Thesenetworksaredecentralized,meaningtherearenobanksororganizationstomanagefundsandbalances,sousersjoinforcestostoreandverifythetransactions.

Butdecentralizationleadstoascalabilityproblem.Tojoinacryptocurrency,newusersmustdownloadandstorealltransactiondatafromhundredsofthousandsofindividualblocks.Theymustalsostorethesedatatousetheserviceandhelpverifytransactions.Thismakestheprocesssloworcomputationallyimpracticalforsome.

動態 | 麻省理工學院的人工智能實驗室處理了20萬筆比特幣交易，數據顯示只有2%是“非法的”:據coindesk消息，區塊鏈分析公司Elliptic與麻省理工學院(MIT)合作，發布了一個與非法活動有關的比特幣交易的公共數據集。該小組的研究詳細說明了麻省理工學院- ibm沃森人工智能實驗室的研究人員如何使用機器學習軟件對總價值約60億美元的203,769筆比特幣節點交易進行分類。該研究探索了人工智能是否能夠幫助當前的反洗錢(AML)程序。在檢查了這些節點與已知實體的關聯后，研究人員發現，在這20萬筆比特幣交易中，只有2%被認為是非法的。雖然21%的交易被確認為合法，但絕大多數交易(約77%)仍未歸類。(自2009年比特幣交易網絡推出以來，迄今估計已有4.4億筆比特幣交易。[2019/8/3]

InapaperbeingpresentedattheNetworkandDistributedSystemSecuritySymposiumnextmonth,theMITresearchersintroduceVault,acryptocurrencythatletsusersjointhenetworkbydownloadingonlyafractionofthetotaltransactiondata.

Italsoincorporatestechniquesthatdeleteemptyaccountsthattakeupspace,andenablesverificationsusingonlythemostrecenttransactiondatathataredividedandsharedacrossthenetwork,minimizinganindividualuser’sdatastorageandprocessingrequirements.

Inexperiments,Vaultreducedthebandwidthforjoiningitsnetworkby99percentcomparedtoBitcoinand90percentcomparedtoEthereum,whichisconsideredoneoftoday’smostefficientcryptocurrencies.Importantly,Vaultstillensuresthatallnodesvalidatealltransactions,providingtightsecurityequaltoitsexistingcounterparts.

“Currentlytherearealotofcryptocurrencies,butthey’rehittingbottlenecksrelatedtojoiningthesystemasanewuserandtostorage.Thebroadgoalhereistoenablecryptocurrenciestoscalewellformoreandmoreusers,”saysco-authorDerekLeung,agraduatestudentintheComputerScienceandArtificialIntelligenceLaboratory(CSAIL).

動態 | 麻省理工等九所大學將聯合探索在學術記錄領域應用區塊鏈等技術:4月23日，九所頂尖大學宣布將聯合探索區塊鏈等新興技術如何用于為學生提供數字版本的學術記錄，記錄內容包括徽章、證書、實習及傳統學位等。九所大學分別為：代爾夫特理工大學（荷蘭）、哈佛進修學院、哈索·普拉特納研究所（德國）、麻省理工學院、蒙特雷科技大學（墨西哥）、慕尼黑工業大學（德國）、加州大學伯克利分校、加州大學爾灣分校 、多倫多大學（加拿大）。[2019/4/23]

JoiningLeungonthepaperareCSAILresearchersYossiGiladandNickolaiZeldovich,whoisalsoaprofessorintheDepartmentofElectricalEngineeringandComputerScience(EECS);andrecentalumnusAdamSuhl’18.

Vaultingoverblocks

Eachblockinacryptocurrencynetworkcontainsatimestamp,itslocationintheblockchain,andfixed-lengthstringofnumbersandletters,calleda“hash,”that’sbasicallytheblock’sidentification.Eachnewblockcontainsthehashofthepreviousblockintheblockchain.

BlocksinVaultalsocontainupto10,000transactions—or10megabytesofdata—thatmustallbeverifiedbyusers.Thestructureoftheblockchainand,inparticular,thechainofhashes,ensuresthatanadversarycannothacktheblockswithoutdetection.

Newusersjoincryptocurrencynetworks,or“bootstrap,”bydownloadingallpasttransactiondatatoensurethey’resecureanduptodate.TojoinBitcoinlastyear,forinstance,auserwoulddownload500,000blockstotalingabout150gigabytes.

Usersmustalsostoreallaccountbalancestohelpverifynewusersandensureusershaveenoughfundstocompletetransactions.Storagerequirementsarebecomingsubstantial,asBitcoinexpandsbeyond22millionaccounts.

麻省理工學院提出“摧毀”比特幣的三種方法:近日，麻省理工學院（MIT）提出了三種“摧毀”比特幣的方法。方法一，中央銀行自行發幣，壓縮比特幣及其他加密貨幣市場；方法二，Facebook等大型社交傳媒集團隱性收購比特幣，并迫使用戶采用比特幣軟件的分叉版本；方法三，數字經濟演變成一個大眾易貨系統，幾乎每個公司都在發行自己的加密貨幣。[2018/4/26]

TheresearchersbuilttheirsystemontopofanewcryptocurrencynetworkcalledAlgorand—inventedbySilvioMicali,theFordProfessorofEngineeringatMIT—that’ssecure,decentralized,andmorescalablethanothercryptocurrencies.

Withtraditionalcryptocurrencies,userscompetetosolveequationsthatvalidateblocks,withthefirsttosolvetheequationsreceivingfunds.

Asthenetworkscales,thisslowsdowntransactionprocessingtimes.Algorandusesa“proof-of-stake”concepttomoreefficientlyverifyblocksandbetterenablenewusersjoin.

Foreveryblock,arepresentativeverification“committee”isselected.Userswithmoremoney—orstake—inthenetworkhavehigherprobabilityofbeingselected.Tojointhenetwork,usersverifyeachcertificate,noteverytransaction.

Buteachblockholdssomekeyinformationtovalidatethecertificateimmediatelyaheadofit,meaningnewusersmuststartwiththefirstblockinthechain,alongwithitscertificate,andsequentiallyvalidateeachoneinorder,whichcanbetime-consuming.

Tospeedthingsup,theresearchersgiveeachnewcertificateverificationinformationbasedonablockafewhundredor1,000blocksbehindit—calleda“breadcrumb.”Whenanewuserjoins,theymatchthebreadcrumbofanearlyblocktoabreadcrumb1,000blocksahead.Thatbreadcrumbcanbematchedtoanotherbreadcrumb1,000blocksahead,andsoon.

“Thepapertitleisapun,”Leungsays.“Avaultisaplacewhereyoucanstoremoney,buttheblockchainalsoletsyou‘vault’overblockswhenjoininganetwork.WhenI’mbootstrapping,Ionlyneedablockfromwayinthepasttoverifyablockwayinthefuture.Icanskipoverallblocksinbetween,whichsavesusalotofbandwidth.”

Divideanddiscard

Toreducedatastoragerequirements,theresearchersdesignedVaultwithanovel“sharding”scheme.Thetechniquedividestransactiondataintosmallerportions—orshards—thatitsharesacrossthenetwork,soindividualusersonlyhavetoprocesssmallamountsofdatatoverifytransactions.

Toimplementsharinginasecureway,Vaultusesawell-knowndatastructurecalledabinaryMerkletree.Inbinarytrees,asingletopnodebranchesoffintotwo“children”nodes,andthosetwonodeseachbreakintotwochildrennodes,andsoon.

InMerkletrees,thetopnodecontainsasinglehash,calledaroothash.Butthetreeisconstructedfromthebottom,up.

Thetreecombineseachpairofchildrenhashesalongthebottomtoformtheirparenthash.Itrepeatsthatprocessupthetree,assigningaparentnodefromeachpairofchildrennodes,untilitcombineseverythingintotheroothash.

Incryptocurrencies,thetopnodecontainsahashofasingleblock.Eachbottomnodecontainsahashthatsignifiesthebalanceinformationaboutoneaccountinvolvedinonetransactionintheblock.Thebalancehashandblockhasharetiedtogether.

Toverifyanyonetransaction,thenetworkcombinesthetwochildrennodestogettheparentnodehash.Itrepeatsthatprocessworkingupthetree.

Ifthefinalcombinedhashmatchestheroothashoftheblock,thetransactioncanbeverified.Butwithtraditionalcryptocurrencies,usersmuststoretheentiretreestructure.

WithVault,theresearchersdividetheMerkletreeintoseparateshardsassignedtoseparategroupsofusers.

Eachuseraccountonlyeverstoresthebalancesoftheaccountsinitsassignedshard,aswellasroothashes.ThetrickishavingallusersstoreonelayerofnodesthatcutsacrosstheentireMerkletree.Whenauserneedstoverifyatransactionfromoutsideoftheirshard,theytraceapathtothatcommonlayer.

Fromthatcommonlayer,theycandeterminethebalanceoftheaccountoutsidetheirshard,andcontinuevalidationnormally.

“Eachshardofthenetworkisresponsibleforstoringasmallersliceofabigdatastructure,butthissmallsliceallowsuserstoverifytransactionsfromallotherpartsofnetwork,”Leungsays.

Additionally,theresearchersdesignedanovelschemethatrecognizesanddiscardsfromauser’sassignedshardaccountsthathavehadzerobalancesforacertainlengthoftime.

Othercryptocurrencieskeepallemptyaccounts,whichincreasedatastoragerequirementswhileservingnorealpurpose,astheydon’tneedverification.WhenusersstoreaccountdatainVault,theyignorethoseold,emptyaccounts.

——END——

注：原文作者RobMatheson，翻譯小辣椒&有道，來源MITNEWS。鏈接：

http://news.mit.edu/2019/vault-faster-more-efficient-cryptocurrency-0124

如果大家對研究成果有疑問，可以郵件聯系麻省理工學院新聞辦公室負責人Abby。

原創轉載聲明：本文來源小辣椒區塊鏈，禁止未經授權和許可的轉載、引用及洗稿行為。

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