1. 引言

以比特幣同以太坊為代表嘅無許可區塊鏈，雖然革新咗去中心化系統，但面臨住重大嘅可擴展性挑戰。雖然工作量證明（PoW）共識機制嘅能源消耗備受爭議，但全節點所需嘅龐大且不斷增長嘅儲存開銷，仍然係阻礙更廣泛參與同網絡健康嘅關鍵但未被充分解決嘅障礙。本文首次進行全面嘅實證研究，分析全節點如何利用區塊鏈數據進行驗證，從而提出無需修改底層協議即可大幅減少本地儲存需求嘅實用策略。

2. 背景與問題陳述

區塊鏈嘅完整性依賴於一套完整、可驗證嘅交易歷史。對於比特幣嚟講，呢本帳簿超過 370 GB，對運行全節點以獨立驗證交易嘅參與者提出咗巨大嘅資源要求。

2.1 無許可區塊鏈嘅儲存負擔

儲存需求與採用率同交易量成正比。儲存完整帳簿對於安全性（防止雙重支付）至關重要，但亦造成咗高進入門檻，導致中心化風險，因為能夠負擔運行全節點嘅用戶越來越少。

關鍵統計數據

比特幣全節點儲存： >370 GB（截至研究時間）。呢個造成咗顯著嘅硬件成本，並阻礙咗節點嘅廣泛運行。

2.2 現有解決方案及其局限

先前嘅方法包括：

  • 檢查點/快照： 需要修改協議或硬分叉，造成協調挑戰。
  • 比特幣嘅修剪功能： 允許用戶設定任意儲存閾值（GB 或區塊高度）。呢個方法並唔理想，因為缺乏指引，可能刪除仍然相關嘅數據或保留不必要嘅數據，迫使節點從網絡重新獲取數據，增加延遲。

3. 方法論與實證分析

呢項工作嘅核心貢獻係對真實節點行為進行數據驅動分析，為優化提供依據。

3.1 數據收集與節點行為剖析

作者對比特幣全節點進行咗監測，記錄標準操作期間（特別係驗證新交易同區塊時）從本地儲存進行嘅每一次數據存取（讀取）。咁樣就建立咗一個剖析檔案，顯示區塊鏈嘅邊啲部分實際上係持續驗證所必需嘅。

3.2 數據存取模式分析

分析揭示咗一個關鍵洞察：相當一部分歷史區塊鏈數據喺一段時間後好少甚至從未被存取。驗證當前狀態（未花費交易輸出 - UTXO）同近期歷史所需嘅數據，構成咗比完整帳簿細得多嘅子集。

核心洞察

全節點並唔需要完整嘅數百 GB 歷史數據來即時驗證新區塊同交易。實際需要嘅數據集規模細幾個數量級。

4. 建議嘅儲存減省策略

基於實證發現，本文提出客戶端策略。

4.1 無需協議更改嘅本地儲存修剪

主要策略係一種智能、數據感知嘅修剪演算法。節點唔再根據簡單嘅時間或大小進行修剪，而係可以安全刪除剖析顯示對未來驗證不必要嘅區塊鏈數據（例如舊嘅已花費交易輸出）。呢個完全喺客戶端實現。

4.2 客戶端優化技術

額外優化包括壓縮好少存取但必要嘅歷史數據，以及緩存策略，優先將「工作集」（經常存取嘅 UTXO 同近期區塊）保留喺更快嘅儲存中。

5. 結果與評估

5.1 可實現嘅儲存佔用減省

研究最引人注目嘅結果：通過應用其智能修剪策略，一個比特幣全節點可以將其本地儲存佔用減少到大約 15 GB，同時保持完整嘅驗證能力。呢個代表從完整嘅 370+ GB 帳簿減少咗超過 95%。

圖表：儲存佔用比較

（想像圖表描述） 一個柱狀圖比較「完整帳簿（370 GB）」同「修剪後工作集（15 GB）」。修剪後嘅集合只係原始數據嘅一小部分，視覺上強調咗實現嘅巨大減省。

5.2 性能與開銷權衡

據報告，剖析同智能修剪嘅計算開銷可以忽略不計。權衡之處在於，如果一個節點需要驗證引用非常舊、已被修剪數據嘅交易，佢必須從網絡獲取加密證明（例如默克爾證明），從而產生少量通訊延遲。然而，分析顯示呢種情況好少發生。

6. 技術細節與數學框架

修剪邏輯依賴於理解交易生命週期。一個已被花費嘅交易輸出（UTXO）對於驗證未來嘅花費已經唔再需要。核心邏輯可以建模。設 $L$ 為完整帳簿。設 $A(t)$ 為節點喺截至時間 $t$ 嘅時間窗口內從 $L$ 進行嘅所有數據存取（讀取）嘅集合。必要工作集 $W$ 定義為：

$W = \{ d \in L \mid P(\text{未來驗證中存取 } d ) > \tau \}$

其中 $\tau$ 係一個根據實證得出嘅細概率閾值。唔喺 $W$ 中嘅數據可以被修剪。安全性依賴於能夠為已修剪數據獲取默克爾證明，其中證明大小與區塊鏈大小成對數關係：$O(\log n)$。

7. 分析框架：個案研究

情境： 一間新公司想運行一個比特幣全節點以進行可靠、獨立嘅交易驗證，但儲存基礎設施預算有限。

框架應用：

  1. 剖析： 部署一個標準全節點並啟用剖析功能兩星期，以了解其特定存取模式。
  2. 計算： 基於剖析結果，通過演算法確定最佳數據集 $W$。研究顯示對於比特幣，呢個數據集會穩定喺大約 15 GB。
  3. 修剪： 刪除所有唔喺 $W$ 中嘅區塊鏈數據。
  4. 運作： 運行修剪後嘅節點。喺極少數需要已修剪數據嘅情況下，從點對點網絡請求默克爾證明。

結果： 該公司以約 15 GB 儲存（而非 370+ GB）實現咗完整嘅驗證安全性，大幅降低咗成本同複雜性。

8. 未來應用與研究方向

  • 適應其他區塊鏈： 將呢種實證方法應用於以太坊（特別係合併後）以及其他 PoW/PoS 鏈，以得出鏈特定嘅修剪參數。
  • 標準化： 提出 BIP（比特幣改進提案）以標準化剖析數據格式同證明請求，使修剪後嘅節點更有效率。
  • 輕客戶端增強： 縮小全節點同 SPV（簡化支付驗證）客戶端之間嘅差距。擁有 15 GB 儲存嘅「近乎全」節點，比 SPV 客戶端提供更強嘅安全性，同時比傳統全節點更容易部署。
  • 去中心化推動： 呢項技術可以成為全球範圍內增加全節點數量運動嘅關鍵推動力，從而提高網絡韌性同抗審查能力。

9. 參考文獻

  1. Sforzin, A., Maso, M., Soriente, C., & Karame, G. (年份). On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains. 會議/期刊名稱.
  2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
  3. Bitcoin Core Documentation. (n.d.). Blockchain Pruning. Retrieved from 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.

分析師觀點：舊有鏈嘅可擴展性生命線

核心洞察： 本文對區塊鏈最隱蔽嘅擴展瓶頸——狀態膨脹——進行咗精準打擊。當全世界都痴迷於 TPS（每秒交易數）同能源消耗時，Sforzin 等人正確指出，永久、無限制嘅儲存增長係去中心化嘅沉默殺手。佢哋嘅工作證明，要求全節點儲存完整歷史嘅教條係一種自我施加嘅限制，而非密碼學上嘅必需。真正嘅要求係儲存當前驗證所需嘅攜帶證明數據子集——呢個區別具有巨大嘅實際意義。

邏輯流程： 論證優雅且基於實證。佢哋唔係提出自上而下嘅協議大修，而係首先監測節點以觀察實際使用嘅數據係乜。呢種以數據為中心嘅方法，反映咗系統性能優化嘅最佳實踐，類似於優化前先剖析應用程式。發現「工作集」約為 15 GB 係關鍵所在。佢將問題從「我哋點樣改變比特幣？」轉變為「我哋點樣安全地丟棄未使用嘅 95%？」解決方案——智能修剪 + 回退到網絡獲取默克爾證明——係務實工程學嘅典範，令人聯想起計算機體系結構中緩存驅逐策略嘅原理，或者現代操作系統管理記憶體分頁嘅方式。

優點與缺陷： 其優點在於可部署性。作為客戶端更改，佢唔需要引起爭議嘅硬分叉，使得近期內採用變得可行。佢直接降低咗運行全節點嘅門檻，有可能逆轉節點中心化嘅趨勢。然而，分析亦有缺陷。首先，佢引入咗一種新嘅、微妙嘅依賴性：修剪後嘅節點必須依賴網絡（特別係未修剪嘅「存檔」節點）來提供舊數據嘅證明。呢個創造咗一個兩層節點系統，如果存檔節點變得稀缺或惡意，理論上可能被利用。其次，正如 Bonneau 等人喺關於比特幣安全性嘅「SoK」中指出，輕客戶端（呢種方法類似）嘅安全模型嚴格弱於完整存檔節點，因為佢引入咗關於數據可用性嘅信任假設。本文對呢種轉變嘅長尾安全影響有所忽略。

可行見解： 對於區塊鏈項目，尤其係已建立嘅 PoW 鏈，呢項研究係一個「舊有鏈可擴展性」方案嘅藍圖。立即行動係將呢種剖析同智能修剪整合到主流客戶端（如 Bitcoin Core）中，作為默認嘅優化選項。對於監管機構同企業，呢項技術使運行合規、自我驗證嘅節點變得可行得多，減少對第三方 API 供應商嘅依賴。展望未來，呢種方法論應該應用於以太坊嘅狀態樹，後者呈現出不同但同樣關鍵嘅儲存挑戰。最終嘅洞察係，區塊鏈可擴展性唔單止係要做得更快更多；更係要更聰明地利用我哋已有嘅資源。呢項工作係朝呢個方向邁出嘅關鍵一步，提供咗一條維持去中心化而不犧牲區塊鏈價值所在嘅安全保證嘅路徑。