SERV:Gary Rong：以太坊的輕節點協議_Carbon Browser

2019年6月29日，由CSDN、靈鈦科技主辦，區塊鏈大本營、Unitimes、ETHPLANET、以太坊愛好者社區、火星財經協辦的“2019第二屆以太坊技術及應用大會”在北京·長城飯店隆重舉行。

本次大會圍繞以太坊生態全景、以太坊未來發展、以太坊開發實戰、優質項目案例等多方面展開，邀請以太坊創始人及核心技術開發者、海內外知名項目負責人、行業領軍人物及以太坊生態精英專家齊聚于此，共同助力中國以太坊技術深度交流和社區發展。

作為本屆大會的重要嘉賓之一，Go-Ethereum核心開發者GaryRong在上午的會議中分享了題為《Deepintoethereumlightclientprotocol》的主題演講。

以下為GaryRong的演講實錄：

今天我為大家帶來的內容是《以太坊的輕節點協議》。第一是輕節點協議基本概念，第二是MerkleTrie和MerkleProof，第三是算法，第四是用戶用輕節點能做哪些事情，第五是關于流量控制和流量管理模型。

輕節點協議基本概念

以太坊設計的輕節點協議有兩個目標，首先，對資源要求足夠低，必須能夠運行在IoT或者手機這種小型終端設備，其次，它必須有能力驗證從網絡中收取到證據的正確性。在我們的協議里輕節點設計了垃圾回收機制，始終只需要維護最近的Blockheaders，存儲壓力非常小，而且我們只同步Blockheaders。此外，它不會同步去做狀態變更的正確性，否則你必須要在本地維護全量賬本，這顯然不是輕節點能接受的。

工具有可能在一段時間之內推送一些對應狀態是錯誤的Header，只要能夠最終連接到全時并且分享最新的Blockheader，就能夠自動檢測出工具，保證它自身的安全性。

美眾議員Garcia因涉嫌FTX關系而被眾議院委員會開除:金色財經報道，美國眾議員Jesus “Chuy” Garcia因涉嫌FTX關系而被眾議院委員會開除，在共和黨人取代眾議院以及Kevin McCarthy擔任眾議院議長后，民主黨代表Jesus “Chuy” Garcia已被免職于眾議院金融服務委員會。將Garcia免職的決定似乎主要源于他接受SBF的金錢和捐贈的指控。[2023/2/20 12:16:25]

綜合來看，它是在Blockheader基礎上對其他部分的數據，在真正使用到時才會向網絡進行請求并且進行驗證，它把P2P數據庫當成它自己的數據庫。

目前有兩類，一類是Les端實現的，第二類是PIP客戶端進行實現，我們主要介紹第一類協議。

目前以太坊中的節點根據類別主要分為三類，第一類是Archivenode，用來維護全量區塊鏈數據，同時維護每個版本狀態數據，它已經超過兩個T。第二類節點是Fullnode，對中間版本或過期進行垃圾回收，有100多個GB。

我們進行了優化，目前最快可以在40分鐘之內完成以太坊的同步。最后一個是lightclient，有垃圾回收機制，可以將本地數據庫控制在很小值，大約只有50兆左右。它可以選擇從可信的點同步，而不必要每次都從block進行同步，同步最新的幾萬個header就可以同步，1分鐘之內就可以完成區塊鏈的工作。

MerkleTrie和MerkleProof

接下來介紹MerkleTrie，左下角leaf1節點用來存儲key=000。第二個特點是每個副節點都會存儲哈希，比如3會存儲1的哈希。副節點本身的哈希又是通過所有節點的哈希內容再進行一輪哈希計算得到的，所以最終MerkleTrie節點哈希值包含整顆樹中所有節點的哈希信息。

動態 | 私有銀行Garanti BBVA加入Takasbank旗下數字黃金區塊鏈轉賬平臺:1月16日消息，私有銀行Garanti BBVA宣布，加入土耳其伊斯坦布爾清算、結算及托管銀行(Takasbank)旗下的數字黃金區塊鏈轉賬平臺BiGA。2020年1月1日消息，Takasbank正式上線BiGA，為銀行提供基于區塊鏈的系統，用于數字化黃金的發行、償還和轉賬。（Bitcoinist）[2020/1/16]

什么是MerkleProof？指它擁有一個正確的root時就可以校驗任意節點的正確性，當需要驗證時，首先需要向服務器請求，根據目標節點從根節點開始收集樹上所有節點，然后返回。

MerkleProof的安全性使攻擊者很難構造假樹節點，完全可以利用本地維護的正確的root校驗第一個節點內容是否正確，假如第一個節點哈希內容等于本地，我們可以證明第一個節點內容是正確的，可以從第一個節點的列表中拿到第二個節點的哈

同理，可以用這個哈希校驗第二個內容是否正確，以此類推，我們可以校驗最后一個目標節點的正確性。

Checkpoint同步

Checkpoint同步必須滿足兩個條件。首先，它一定是可信的；其次，必須要能夠去利用這個信息去做歷史數據的校驗，這樣它才能夠真正不去同步所有歷史的Blockheaders。

在同步時收到來自網絡的大量Blockheaders，還會進行PoW校驗，假設我們對全量的Blockheaders進行校驗，會發現本地節點的計算帶寬遠遠大于網絡帶寬，恰巧運行比較弱的能力下，所以我們選擇以1%的概率抽取一些Blockheaders校驗，被校驗的每一個Blockheaders確認所有之前的Blockheaders。

動態 | Gartner發布2019年十大戰略技術發展趨勢 包含區塊鏈:據人民郵電報消息，2018年年末，美國最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner發布了2019年十大戰略技術發展趨勢，分別為自主設備、增強分析、AI驅動的開發、邊緣計算、沉浸式體驗、區塊鏈、智能空間、隱私與道德、量子計算。[2019/1/18]

然后詳細講一下Checkpoint，它是能夠真正完成同步過程的最關鍵因素，Checkpoint由sever或全推動，處理32768blocks以后產生的元數據，元數據包含幾個內容，首先是Sectionsindex保證新舊程度。

CHTroot，全節點將區塊鏈最強鏈的每個區塊哈希作為數據項插入到本地中。這是包含在里面的CHTroot，假設這是正確的，就能夠借助這個CHT去校驗任何一個被點覆蓋的正確的哈希值，有了正確的哈希就能夠獲得正確的Blockheader，就能夠對歷史數據進行校驗。

處理了32768blocks以后可以在本地生成下一個CHTroot，一旦產生了的歷史信息已經被歸納到新的樹當中，這時就可以對歷史的Blockheaders進行垃圾回收。

到目前為止我們對Checkpoint有很強的假設，認為用到的這個是正確的，但是當剛進入網絡時沒有任何數據，很難校驗是否正確。

我們暫時用兩種方法解決這個問題，一是開發者通過編碼方式在代碼中確認最新Checkpoint，是較為中心化解決方案，用戶限定為開發者給定的解決方案，通常開發者發布新版本才會去更新，同步時用到的Checkpoint是過期的信息，所以依然需要下載很多Blockheaders才能夠完全同步。

Borse Stuttgart將推出新的加密貨幣交易平臺:據ethnews消息，歐洲證券交易所Borse Stuttgart通過子公司Bison宣布正在開發一個加密貨幣交易平臺。該應用平臺是由Borse Stuttgart的金融科技子公司Sowa Labs開發的。根據該交易所的聲明，該公司致力于以加密貨幣進行交易，并允許通過智能手機應用進行交易。截至目前，Bison的網站只列出了:Ether (ETH)、比特幣(BTC)、Litecoin (LTC)和Ripple (XRP)。預計將在今年9月在德國推出該應用。[2018/5/17]

為了解決更新問題，第二種方案是在區塊鏈部署一個智能合約，把Checkpoint更新操作通過這個智能合約完成，這種方式只要區塊鏈產生一個新的Checkpoint，智能合約可以通過多簽簽名方式注入到合約里，這樣始終用的都是最新的Checkpoint。

這依然沒有解決中心化的問題，我個人認為這里中心化一定程度可以被接受，假設不信任開發者，理論上也就不會使用開發者交付軟件。PoW本身并沒有像Pos那樣的認知，所以這并不是一個特別簡單的事情。

Lightclient能做什么？

用戶能夠用Lightclient做哪些事情？首先，它能夠幫你做交易轉積，當它收到本地交易可以把交易轉積到server，不斷向server查詢狀態，一旦被確認，server就給它發送響應，這樣就可以通過本地維護去校驗是否正確。其次，它能夠查詢賬本服務，對于目標帳戶的狀態查詢本質來說是對M的一次M。

然后，Lightclient能夠讓用戶在本地進行智能合約調用，把合約的二進制碼需要用到的狀態數據以及調入放到里面執行，等待它的輸出。區別在于對于Lightclient來說，沒有合約，二進制碼也沒有需要用到的狀態數據，缺失的數據都是通過網絡進行請求。

比特幣百萬富翁Jeremy Gardner向非營利組織區塊鏈教育網絡捐款價值10萬美元以太坊:比特幣百萬富翁Jeremy Gardner向非營利組織區塊鏈教育網絡（Blockchain Education Network）捐款價值10萬美元的以太坊。[2017/12/29]

目前還有一個問題是缺失數據的狀態在運行時才能夠知道到底缺失哪些數據，所以我們發現一次合約執行過程中可能會涉及很多次網絡的請求，這個智能合約整體執行效率就受到本地節點網絡帶寬的限制。

我們今后會把智能合約執行過程挪到server端，收集狀態數據以及對應的proof，在一個網絡包進行返回，通過一次網絡請求獲取到所有狀態數據，大幅度提高在本地執行的效率。

Lightclient還能夠讓用戶進行智能合約事件的訂閱，但是它本身并不會去同步所有的receipts，為了完成這個功能，它只能通過每次同步得到的Blockheader去猜測里面是否包含用戶感興趣的事件。

我們在里面加了bloom過濾器，把關鍵信息收錄進來，Lightclient通過同步得到一個新的Block之后可以通過過濾器根據本地用戶得到的關鍵字進行匹配，一旦匹配通過，說明這個Block有可能包含目標事件，然后在本地實現精確過濾返回給用戶。

最后一點，Lightclient能夠讓用戶進行歷史智能合約事件的搜索功能。搜索跟訂閱的復雜度完全不同，最簡單的是遍歷Blockheaders，這樣非常低效，但為了提高效率，我們對過濾器的存儲進行了優化。

這樣的優化是同時拿到3萬個Blockheaders，把對應的過濾器同時進行90度旋轉，分別將第0位、第1位、第2047位進行整體存儲。這樣的好處是假設搜索關鍵字為a的事件，把它進行散列，假設一個區塊過濾器滿足這三位同時為“1”，表明這個區塊有可能包含這樣一個目標事件。

但是我們發現整體只用到這3個信息，剩余的2045位都是無效的數據，90度旋轉很好地解決了這個問題，我們可以有針對性的獲取這3個過濾器的信息，同時一次驗證3萬個Blockheaders有哪些包含目標，提高合約搜索效率。當然，Lightclient數據命中是通過網絡進行請求的，所以它的效率稍微低一些。

流量控制和容量管理

最后一點是關于協議中的流量控制和容量管理的一些內容。首先，流控問題，我們采取比較傳統的流控技術，有所區別的是在中心化架構下，client需要往一個單點發送請求，server為它進行負載均衡、流量控制。但在非中心化情況下沒有這樣的單點問你的client做負載均衡。

所以這里采取了比較特殊的機制叫“鏡像令牌桶”，server發送一些參數，最慢的恢復速度和一張MaxCostTablle，client在本地同樣維護令牌桶，然后去判斷本地令牌里面有沒有這么多令牌讓它發送請求，如果沒有的話就不應該向server發送這個請求。在server端顯得更為復雜，因為server給client都是最低配置參數，比如最慢恢復速度。

server處理請求有較為精確的計算公式，我們保證公式結果不會大于查詢得到的結果。此外，當server發現它的資源被閑置時會給client更快令牌速度，所以同時維護兩個令牌桶。

server處理完這筆請求后會根據本地的值對本地鏡像令牌桶調整容量值，同樣會把buffer返回。一般一個client在本地有多個server，為每個server都構建一個令牌同，client傾向于把請求轉積給更多令牌的server，server也優先處理擁有更多令牌的client的請求，以實現資源的均等劃分。

通過這種方式client能夠借助本地令牌信息更好管理和分發它的請求，避免很低的處理優先級或者很高的響應延時。

然后是server端的容量管理，我們提供4個參數讓server運維限制server資源使用。第一個是Lightserver，它表示1秒中有多少百分比時間server可以用來處理client的請求，后臺有多個限權同時處理client的請求。同時，有兩個網絡帶寬的參數性質，server網絡帶寬如果是珍貴的網絡資源，可以通過這兩個參數進行限制。最后一個是Lightpeers，表示server連接最多client的數目。

server處理請求有一個較為精確的計算公式，同時考慮兩方面內容。首先是時間開銷，也就是說處理這筆請求對應花費的時間；其次考慮網絡帶寬的因素，它會考慮這個請求對應的root包大小；最后取這三個上限值，假設server特別慢，這時時間開銷應該是最大的，如果你的server網絡帶寬被限到很小值，這時網絡包的開銷是最大的。

然后是Bufferrecharging，server端可能同時有多個client，恢復速度總和在server端有一個上限叫recharge，代表這個server所能服務的請求能力，以及server運維者可以通過這個限制進行使用。

為了最大提高server對client的服務數量，規定server端資源閑置時會給server更快令牌恢復速度。當server發現它在過去一段時間內處理的client請求累積的時間開銷，加上本地緩存的預估時間開銷的之和超過了恢復能力，這時表明server已經過載，一定的優先級請求發送頻繁的client進行凍結，通過這個方式最大程度利用server端資源，同時有嚴格機制限制這些資源的使用。

最后是Freeclient和Prioriityclient，它不會去參與區塊的驗證，不會參與其他用戶發起的交易，它需要server為它免費提供請求服務。但是client在用戶體驗上確實有一定優勢，它對資源要求非常低，非常短的時間內完成。所以我們提出了付費節點的概念，Lightclient可以通過微支付向server進行付費，讓server給它賦予更高的容量，這樣它能夠發送更多請求，并且這些請求有更低的響應延時。

這時我們的Serverfullnode收到了對應的報酬，目前運行沒有任何經濟激勵，但是fullnode對網絡安全是非常重要的決策，我們希望通過這種方式對現狀進行一定程度的改善。

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