1. Pengenalan

Rantai blok tanpa kebenaran, yang diwakili oleh Bitcoin dan Ethereum, telah merevolusikan sistem terpencar tetapi menghadapi cabaran skalabiliti yang ketara. Walaupun penggunaan tenaga konsensus Bukti Kerja (PoW) telah banyak diperdebatkan, beban penyimpanan yang besar dan semakin meningkat yang diperlukan oleh nod penuh kekal sebagai halangan kritikal, namun kurang ditangani, untuk penyertaan yang lebih luas dan kesihatan rangkaian. Kertas kerja ini membentangkan kajian empirikal komprehensif pertama yang menganalisis bagaimana nod penuh menggunakan data rantai blok untuk pengesahan, membawa kepada strategi praktikal untuk mengurangkan keperluan penyimpanan tempatan secara drastik tanpa mengubah protokol asas.

2. Latar Belakang & Penyataan Masalah

Integriti rantai blok bergantung pada sejarah transaksi yang lengkap dan boleh disahkan. Untuk Bitcoin, lejar ini melebihi 370 GB, memerlukan sumber yang besar daripada peserta yang menjalankan nod penuh untuk mengesahkan transaksi secara bebas.

2.1 Beban Penyimpanan Rantai Blok Tanpa Kebenaran

Keperluan penyimpanan adalah berkadar langsung dengan penerimaan dan jumlah transaksi. Menyimpan keseluruhan lejar adalah penting untuk keselamatan (mencegah perbelanjaan berganda) tetapi mewujudkan halangan kemasukan yang tinggi, membawa kepada risiko pemusatan kerana lebih sedikit pengguna mampu menjalankan nod penuh.

Statistik Utama

Penyimpanan Nod Penuh Bitcoin: >370 GB (pada tempoh kajian). Ini mewujudkan kos perkakasan yang ketara dan menyukarkan operasi nod yang meluas.

2.2 Penyelesaian Sedia Ada dan Batasannya

Pendekatan sebelumnya termasuk:

  • Pemeriksaan Titik/Snapshots: Memerlukan pengubahsuaian protokol atau hard fork, mewujudkan cabaran penyelarasan.
  • Pemangkasan Bitcoin: Membolehkan pengguna menetapkan ambang penyimpanan sewenang-wenangnya (GB atau ketinggian blok). Ini adalah tidak optimum kerana ia kekurangan panduan, berpotensi memadam data yang masih relevan atau mengekalkan data yang tidak perlu, memaksa nod untuk mengambil semula data dari rangkaian dan meningkatkan kependaman.

3. Metodologi & Analisis Empirikal

Sumbangan teras kerja ini adalah analisis berasaskan data tentang tingkah laku nod sebenar untuk memaklumkan pengoptimuman.

3.1 Pengumpulan Data dan Profil Tingkah Laku Nod

Para pengarang memasang instrumen pada nod penuh Bitcoin untuk memantau dan merekod setiap akses data (bacaan) dari penyimpanan tempatan semasa operasi standard—khususnya semasa pengesahan transaksi dan blok baharu. Ini mewujudkan profil bahagian mana rantai blok yang sebenarnya diperlukan untuk pengesahan berterusan.

3.2 Analisis Corak Akses Data

Analisis mendedahkan pandangan penting: sebahagian besar data sejarah rantai blok jarang atau tidak pernah diakses selepas tempoh tertentu. Data yang diperlukan untuk mengesahkan keadaan semasa (Output Transaksi Tidak Dibelanjakan - UTXO) dan sejarah terkini membentuk subset yang jauh lebih kecil daripada lejar penuh.

Pandangan Teras

Nod penuh tidak memerlukan keseluruhan sejarah beratus-ratus gigabait untuk mengesahkan blok dan transaksi baharu secara masa nyata. Set data yang diperlukan secara aktif adalah lebih kecil dengan beberapa magnitud.

4. Strategi Pengurangan Penyimpanan yang Dicadangkan

Berdasarkan penemuan empirikal, kertas kerja ini mencadangkan strategi di pihak klien.

4.1 Pemangkasan Penyimpanan Tempatan Tanpa Perubahan Protokol

Strategi utama adalah algoritma pemangkasan pintar yang sedar data. Daripada memangkas berdasarkan umur atau saiz yang mudah, nod boleh memadam data rantai blok (seperti output transaksi lama yang telah dibelanjakan) dengan selamat yang telah ditunjukkan oleh profil sebagai tidak perlu untuk pengesahan masa depan. Ini dilaksanakan sepenuhnya di pihak klien.

4.2 Teknik Pengoptimuman di Pihak Klien

Pengoptimuman tambahan termasuk pemampatan data sejarah yang jarang diakses tetapi perlu, dan strategi caching yang mengutamakan pengekalan "set kerja" (UTXO yang kerap diakses dan blok terkini) dalam penyimpanan yang lebih pantas.

5. Keputusan & Penilaian

5.1 Pengurangan Jejak Penyimpanan yang Boleh Dicapai

Keputusan paling menarik kajian: dengan menggunakan strategi pemangkasan pintar mereka, nod penuh Bitcoin boleh mengurangkan jejak penyimpanan tempatannya kepada kira-kira 15 GB sambil mengekalkan keupayaan pengesahan penuh. Ini mewakili pengurangan lebih 95% daripada lejar penuh 370+ GB.

Carta: Perbandingan Jejak Penyimpanan

(Penerangan carta imaginasi) Carta bar membandingkan "Lejar Penuh (370 GB)" dan "Set Kerja Dipangkas (15 GB)". Set yang dipangkas adalah pecahan kecil daripada yang asal, menekankan secara visual pengurangan besar yang dicapai.

5.2 Pertukaran Prestasi dan Beban

Beban pengiraan untuk profil dan pemangkasan pintar dilaporkan sebagai boleh diabaikan. Pertukarannya ialah jika nod perlu mengesahkan transaksi yang merujuk data lama yang telah dipangkas, ia mesti mengambil bukti kriptografi (seperti bukti Merkle) dari rangkaian, menyebabkan kependaman komunikasi yang kecil. Walau bagaimanapun, analisis menunjukkan ini adalah kejadian yang jarang berlaku.

6. Butiran Teknikal & Kerangka Matematik

Logik pemangkasan bergantung pada pemahaman kitaran hayat transaksi. Output transaksi (UTXO) yang telah dibelanjakan tidak lagi diperlukan untuk mengesahkan perbelanjaan masa depan. Logik teras boleh dimodelkan. Biarkan $L$ menjadi lejar penuh. Biarkan $A(t)$ menjadi set semua akses data (bacaan) dari $L$ oleh nod dalam tetingkap masa sehingga $t$. Set kerja penting $W$ ditakrifkan sebagai:

$W = \{ d \in L \mid P(\text{akses } d \text{ dalam pengesahan masa depan}) > \tau \}$

di mana $\tau$ adalah ambang kebarangkalian kecil yang diperoleh secara empirikal. Data yang tidak dalam $W$ boleh dipangkas. Keselamatan bergantung pada keupayaan untuk mengambil bukti Merkle untuk data yang dipangkas, di mana saiz bukti adalah logaritma dalam saiz rantai blok: $O(\log n)$.

7. Kerangka Analisis: Kajian Kes

Senario: Sebuah perniagaan baharu ingin menjalankan nod penuh Bitcoin untuk pengesahan transaksi yang boleh dipercayai dan bebas tetapi mempunyai bajet terhad untuk infrastruktur penyimpanan.

Aplikasi Kerangka:

  1. Profil: Pasang nod penuh standard dengan profil diaktifkan selama 2 minggu untuk mempelajari corak akses spesifiknya.
  2. Kira: Berdasarkan profil, tentukan set data optimum $W$ secara algoritma. Kajian mencadangkan ini akan stabil sekitar 15 GB untuk Bitcoin.
  3. Pangkas: Padam semua data rantai blok yang tidak dalam $W$.
  4. Operasi: Jalankan nod yang dipangkas. Dalam kes jarang memerlukan data yang dipangkas, minta bukti Merkle dari rangkaian rakan ke rakan.

Hasil: Perniagaan mencapai keselamatan pengesahan penuh dengan ~15 GB penyimpanan dan bukannya 370+ GB, mengurangkan kos dan kerumitan secara drastik.

8. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

  • Adaptasi kepada Rantai Blok Lain: Menggunakan metodologi empirikal ini kepada Ethereum, terutamanya pasca-merge, dan rantai PoW/PoS lain untuk mendapatkan parameter pemangkasan khusus rantai.
  • Pemiawaian: Mencadangkan BIP (Cadangan Penambahbaikan Bitcoin) untuk memiawaikan format data profil dan permintaan bukti, menjadikan nod yang dipangkas lebih cekap.
  • Peningkatan Klien Ringan: Merapatkan jurang antara nod penuh dan klien SPV (Pengesahan Pembayaran Dipermudahkan). Nod "hampir penuh" dengan penyimpanan 15 GB menawarkan keselamatan yang jauh lebih kuat daripada klien SPV sementara jauh lebih mudah digunakan daripada nod penuh tradisional.
  • Pendorong Pencapahan: Teknologi ini boleh menjadi pemangkin utama untuk kempen meningkatkan bilangan nod penuh di seluruh dunia, meningkatkan ketahanan rangkaian dan rintangan penapisan.

9. Rujukan

  1. Sforzin, A., Maso, M., Soriente, C., & Karame, G. (Tahun). On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains. Nama Persidangan/Jurnal.
  2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
  3. Bitcoin Core Documentation. (t.t.). Blockchain Pruning. Diambil dari https://bitcoincore.org/en/doc/
  4. Buterin, V. (2014). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform.
  5. Bonneau, J., et al. (2015). SoK: Research Perspectives and Challenges for Bitcoin and Cryptocurrencies. IEEE S&P.
  6. Gervais, A., et al. (2016). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains. ACM CCS.

Perspektif Penganalisis: Talian Hayat Skalabiliti untuk Rantai Warisan

Pandangan Teras: Kertas kerja ini memberikan serangan pembedahan pada kesesakan skalabiliti rantai blok yang paling berbahaya: penggelembungan keadaan. Walaupun dunia obses dengan TPS (transaksi per saat) dan penggunaan tenaga, Sforzin et al. mengenal pasti dengan betul bahawa pertumbuhan penyimpanan yang kekal dan tidak terikat adalah pembunuh senyap pencapahan. Kerja mereka membuktikan bahawa dogma yang memerlukan nod penuh menyimpan keseluruhan sejarah adalah kekangan yang dikenakan sendiri, bukan keperluan kriptografi. Keperluan sebenar adalah menyimpan subset data pembawa-bukti yang diperlukan untuk pengesahan semasa—perbezaan dengan implikasi praktikal yang monumental.

Aliran Logik: Hujahnya elegan secara empirikal. Daripada mencadangkan pengubahsuaian protokol dari atas ke bawah, mereka mula-mula memasang instrumen pada nod untuk memerhati data apa yang sebenarnya digunakan. Pendekatan berpusatkan data ini mencerminkan amalan terbaik dalam pengoptimuman prestasi sistem, serupa dengan memprofil aplikasi sebelum pengoptimuman. Penemuan bahawa "set kerja" adalah ~15 GB adalah kunci. Ia mengubah masalah dari "bagaimana kita mengubah Bitcoin?" kepada "bagaimana kita membuang 95% yang tidak digunakan dengan selamat?" Penyelesaian—pemangkasan pintar + sandaran kepada bukti Merkle yang diambil dari rangkaian—adalah kelas induk dalam kejuruteraan pragmatik, mengingatkan prinsip di sebalik polisi pengusiran cache dalam seni bina komputer atau cara sistem pengendalian moden mengurus halaman memori.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya adalah kebolehgunaannya. Sebagai perubahan di pihak klien, ia tidak memerlukan hard fork yang kontroversi, menjadikan penerimaan boleh dilaksanakan dalam jangka masa terdekat. Ia secara langsung menurunkan halangan untuk menjalankan nod penuh, berpotensi membalikkan trend pemusatan nod. Walau bagaimanapun, analisis mempunyai kelemahan. Pertama, ia memperkenalkan pergantungan baharu yang halus: nod yang dipangkas mesti bergantung pada rangkaian (khususnya, nod "arkib" yang tidak dipangkas) untuk membekalkan bukti untuk data lama. Ini mewujudkan sistem nod dua peringkat dan secara teori boleh dieksploitasi jika nod arkib menjadi jarang atau berniat jahat. Kedua, seperti yang diperhatikan oleh penyelidik seperti Bonneau et al. dalam "SoK" mereka tentang keselamatan Bitcoin, model keselamatan klien ringan (yang pendekatan ini menyerupai) adalah lebih lemah daripada nod arkib penuh, kerana ia memperkenalkan andaian kepercayaan tentang ketersediaan data. Kertas kerja ini agak mengabaikan implikasi keselamatan jangka panjang peralihan ini.

Pandangan Boleh Tindak: Untuk projek rantai blok, terutamanya rantai PoW yang mantap, penyelidikan ini adalah cetak biru untuk pakej "skalabiliti rantai warisan". Tindakan segera adalah untuk mengintegrasikan profil dan pemangkasan pintar ini ke dalam klien arus perdana seperti Bitcoin Core sebagai pilihan lalai yang dioptimumkan. Untuk pengawal selia dan perusahaan, teknologi ini menjadikan menjalankan nod pengesahan kendiri yang mematuhi peraturan jauh lebih boleh dilaksanakan, mengurangkan pergantungan pada pembekal API pihak ketiga. Ke hadapan, metodologi harus digunakan pada pokok keadaan Ethereum, yang membentangkan cabaran penyimpanan yang berbeza tetapi sama kritikal. Pandangan utama adalah bahawa skalabiliti rantai blok bukan hanya tentang melakukan lebih banyak dengan lebih pantas; ia tentang menjadi lebih bijak dengan apa yang kita sudah ada. Kerja ini adalah langkah penting ke arah itu, menawarkan laluan untuk mengekalkan pencapahan tanpa mengorbankan jaminan keselamatan yang menjadikan rantai blok berharga.