Utreexo进展

概要

本文会介绍Utreexo的优点，以及这些优点的实现程度，阐述最新Utreexo应用中取得的重大进展，但是要让这项科技大众化，还需要一个漫长的过程。

2020年7月最新的演示发布会中，我们指出，未来Utreexo项目能够将Utreexo累加器应用到btcd，btcd是Go语言的BTC实现。我很高兴，因为该实现已经能够用于另一个演示版本。这个版本中可以演示一种称为“致密状态节点”的新修剪型节点模式。

2020年4月发表了一篇“ELI5: Utreexo——一个扩容解决方案”的文章，这篇文章介绍了以下几个致密状态节点的优势：

1. 新的全节点模式只会占用几千字节，能够让hdd节点像ssd节点一样快速同步。

2. 能够实现初始区块并行下载。

3. 由于目前使用的是谷歌的数据库，通过致密状态节点，共识能够独立于数据库实现，加强BTC安全性。

4. Utreexo的应用不会导致BTC分叉。

就目前的发展状况而言，第3和第4点现已实现，第1点只有部分实现了，因为非Utreexo数据的存在，节点大小还是不能缩小到千字节，第2点还在努力实现。

第3点为何重要？

几年来，在提高BTC安全性方面，重点之一是消除它的任何外部依赖性。外部依赖性指的是依靠那些BTC开发者没有编写的代码，而这些又是BTC软件运行必要的代码。对于任何高度依赖安全的项目，都要尽量避免依赖外部代码，因为它们可能会产生漏洞。为了把这种风险降到最低，依赖的外部代码都要经过审查，然后保留审查后的代码副本。然而，这种并不是完美的方法，代码如果由BTC开发者直接编写、测试和审查会更好。出于这个原因，BTC开发人员已经从中删除了各种产生外部依赖的代码，例如OpenSSH代码。

目前，依赖最大的外部代码是存储未花费输出集合（UTXO集合）和区块索引的数据库。现在BTC使用谷歌的“LevelDB”数据库。LevelDB必须要没有代码漏洞，这对于BTC的安全性至关重要。LevelDB中如果存在漏洞，可能会导致双花或导致意外分叉。事实上，BTC在LevelDB之前使用的是Berkeley DB，2013年，Berkeley DB在比特币核心节点中的应用出现漏洞，导致旧钱包节点在读取区块225430时失败，导致意外分叉。

上文提到的UTXO是BTC的一套支付系统。UTXO集合对于维护BTC的安全非常重要，因为这直接组成BTC共识，移除LevelDB将极大地提高其抵御风险的能力。

第3点的实现

之所以需要一个数据库，是因为UTXO集合包含超过6000万个UTXO，这些UTXO都要记录，并且能够快速访问，因为访问速度过慢会降低区块初始下载速度。快速访问大量细分数据通常会使用数据库。

然而，有了Utreexo致密状态节点，根本不需要数据库。相反，我们需要让UTXO的发送者提供UTXO数据和Utreexo累加器，证明UTXO存在。这样在Utreexo致密状态节点实现中，UTXO集合无需保留。这允许从BTC共识的另一个关键部分中删除LevelDB。

针对主链扩容，以下是现有区块验证方式与Utreexo致密状态节点区块验证的对比：

这里唯一的区别是后者的区块验证没有访问数据库。相反，它使用Utreexo来验证区块。

代码变化非常小，因为大多数区块验证函数都保持不变。检查累加器证明后，经过验证的UTXO数据(验证块所需的)会转换成为“UtxoViewpoint”，也就是现有的UTXO集合缓存结构，这相当于比特币核心节点的CCoinsView，然后UTXO数据会传递给现有的区块验证函数。

第4点的重要性

在像BTC这样的去中心化系统中，加入新功能需要分叉，而分叉会带来很大风险。BTC硬分叉在很大程度上不可能实现，因为不值得为了一个功能而进行硬分叉。软分叉也很难实现，因为需要大量社区支持。

另一方面，在无需分叉的条件下，如果可以直接添加一个新功能，那么这个功能的部署就会简单得多。例如，BIP-152压缩区块继电器得到了广泛采用，无需分叉。对于BIP-152，节点可以选择是否加入，因为该提议没有强制性，没有选择加入的节点不用做出任何改变。

第4点的实现

这是最容易实现的一点，因为Tadge Dryja第一次写Utreexo论文时，它就解决了。我们通过使用称为“桥接节点”的过渡节点，避免软分叉，这种节点能够连接新的Utreexo节点和当前的BTC节点。

当非utreexo节点连接到桥接节点时，桥接节点的功能与当前的BTC全节点相同。然而，一个Utreexo节点连接到桥接节点后，它将提供正常区块的Utreexo证明，同样也会将该证明提供给一个非Utreexo节点。

那篇4月发表的文章提到，会对Utreexo二进制文件进行硬编码，而且只能连接到我们运行的桥接节点，避免干扰BTC测试网。

第1点的重要性

要运行一个完整节点，上文提到的UTXO集合是必要条件。然而，越来越多节点采用这种集合后，再加上BTC的单位能够越分越细，UTXO集合将会变大。目前，UTXO集合大小约是4GB，但对于价格低廉设备，这个大小可能会继续增加，超过这些设备的处理能力。BTC如果能够得到广泛使用，降低UTXO集合的大小非常重要。

在当前BTC节点中，一个区块引用任何UTXO时，节点需要获取该UTXO，要么通过硬盘，要么通过缓存。节点如果硬盘速度较慢，就会造成问题，这也是BTC目前的瓶颈之一。对于修剪型节点，这是一个更大的约束，因为当区块经过修剪后，各个缓存的UTXO会写入磁盘。BTC开发者Pieter Wuille也指出了这个问题，修剪型节点的同步速度比未修剪节点慢。

Utreexo致密状态节点能够提高同步速度，因为无需对UTXO集合进行磁盘读取。这说明在任何存储中，无论是基于NVMe协议的固态硬盘还是其他硬盘，Utreexo致密状态节点都能发挥出同样性能。

第1点的目前进展

全节点大小尚未缩小到只有几千字节，因为区块头等元数据就占用了几百兆字节。尽管chainstate占用空间小，如果要实现目标，其他数据的大小也不容忽视。在这次发布版本中，目标是缩小到几百兆字节。

下图对比了Utreexo致密状态节点与比特币核心节点的chainstate。

如上图所示，Utreexo致密状态节点的chainstate大小仅为424字节，因此对于节点中的chainstate大小，出现了舍入错误。实际上，用于重新连接已知节点进行重启的peers.json文件占用了205 kb，其大小约是chainstate的483倍。

以下对比了修剪型比特币核心节点和Utreexo致密状态节点之间的性能差异，观察基于NVMe协议的固态硬盘和其他硬盘的读写速度。

这项测试会指定节致密状态节点连接到一个不同的本地Utreexo桥接节点，从基于NVMe协议的固态硬盘读取数据，从而进行基准测试。假设比特币核心节点中前1864000个区块都经过了验证，将同样的设置应用到致密状态节点中。测试网3达到1906000区块高度后，完成测试。

本次测试使用了以下硬件：

CPU:：AMD Ryzen 3600

内存：三星32GB DDR4 2666MHz

作为本地服务节点的基于NVMe协议固态硬盘：2TB Sandisk ULTRA .2 NVMe .2

作为测试节点的基于NVMe协议固态硬盘：1TB HP SSD EX950 M.2

测试节点硬盘：Western Digital WD10EZEX-22BN5A0 1TB 7200RPM

以下是发送到比特币核心节点的标志：

-prune=550

-connect=127.0.0.1

-disablewallet

-blocksonly

-testnet

对于比特币核心节点，在基于NVMe协议的固态硬盘上运行需要784秒，而在其他硬盘上则需要1066秒。对于Utreexo致密状态节点，在基于NVMe协议的固态硬盘上运行需要1,643秒，而在其他硬盘上需要1,700秒。

请注意，就当前Utreexo致密状态节点的实现而言，仍然要进行许多性能优化。它目前速度比比特币核心节点慢，因为我们分叉了一个比后者慢得多的btcd节点。我们后续会发布一个版本和一篇重点说明性能的文章。

为何第2点如此重要？

为了避免混淆，本文提到是指链级并行下载。这意味着单个节点将同时验证多个区块，比如100001到200000然后是200001到300000。第2点指的不是区块层级的并行下载，在这种并行下载中，区块的交易签名接受并行验证，这在btcd和比特币核心节点中已经实现。

在计算机领域，并行化是指同时执行多个进程。这可以提高空闲硬件的使用率，例如CPU，如果硬件处于空闲状态，性能可能会提高。近年来，由于物理限制，在提高时钟频率方面，CPU开发出现了困难。所以，人们更多地关注的是增加核心数量，而不是提高时钟频率。针对这种情况，软件开发也做出了相应改变，越来越强调并行化，目的是充分利用更多CPU核心。

并行化区块初始下载可以大幅减少同步全节点所需的时间，这样个人用户而言，运行一个全节点也更容易。更多的节点将使BTC网络更能抵御攻击。从这个角度来看，并行化也能够增加BTC的安全性。

第2点的目前进展

任何区块的验证都需要前一个块的UTXO集合。例如，如果我们正在验证区块501，我们需要区块500的UTXO集合。然而，要获得区块500的UTXO集合，需要区块499的UTXO集合。这会产生一个问题，那就是要追溯到BTC的硬编码创世区块，阻碍着链级并行化的实现。

有了Utreexo后，这个问题更加容易解决，因为UTXO集合只有几百字节，而不是几千字节。这让我们可以将整个UTXO集合表示硬编码到软件中，作为并行验证的起点。

请注意一点，有可能会出现恶意节点，发送伪造UTXO集合。然而，这并不会降低我们的安全要求，因为我们有多个CPU核心，能够验证从创世区块开始一直到499区块高度。在这之后，我们会从501个区块继续验证，充分利用闲置CPU内核。完成前一步后，我们会检查区块，验证区块499和区块500的UTXO集合是否匹配。因此，经过硬编码的UTXO集合表示仅作为提示，以提升处理速度，实际上所有区块都会经过验证。

为了支持这种类型的链级并行化，代码库必须支持多个chainstate保持活跃状态。对于拥有多个chainstate（即使是两个）而言，主要困难在于必须记录多个UTXO集合。UTXO集合需要一个数据库，磁盘上也要有该集合的缓存，这样读取速度才能加快，在这种条件下，运行节点的硬件要求会变高。但是，Utreexo致密状态节点即使没有数据库，也可以储存UTXO集合，所以这不是问题。

拥有多个chainstate的目标正在实现。对于Utreexo致密状态节点，工作量大大降低，因为不需要为每个chainstate建立数据库，这样就可以拥有多个chainstate。对于btcd节点，输入Blockchain即可访问CChainstate数据库，

目前，我们仍在研究每个chainstate应该如何处理p2p网络消息，尝试不同的方法，例如使用两个初始区块下载管理器，或者记录每个chainstate对区块发出的请求，但实现这个目标的过程仍然很漫长。

本次发布版本的缺陷

当前版本不支持区块链重组和内存池。因此，节点将以“blocksonly”模式运行，如果发生重组，节点会崩溃。Utreexo尚未能够实现对这两者的支持，所以这次发布的只是演示版本。BTC主网不会支持这个版本，它不应该用于实际交易中，因为它仍然是早期版本，也存在漏洞。

展望未来

第1点的目前进展中提到，我们会对Utreexo致密状态节点进行更多性能优化。这包括加速开发Utreexo累加器和btcd组件。我们目前注意到许多问题，一旦修复这些问题，致密状态节点的速度能够得到提升，只是需要进行更多测试来实现。

去年就开始了对区块链重组支持的测试，但出现了许多其他更紧迫的问题，暂停了该测试，在不久的将来，重组会得到实现。虽然还没有开始内存池支持的测试，但是我们已经计划了一段时间。我非常期待在今年实现支持内存池。

目前Utreexo累加器需要Go语言来编写。将累加器代码移植到Rust和c++是一项持久工作。我们不确定要花多长时间，不过现在已经打造了代码基础，需要各方通力合作。Utreexo的发展仍然任重而道远。

本文内容来自于BitMEX