麻省理工发“币”，性能完爆比特币，新节点加入减少99%数据量！

作者|jack

排版|木木

设计|土豆

小辣椒说：本文来源麻省理工学院新闻网站，发布时间为2019年1月23日，由小辣椒区块链翻译。英文水平有限，恐翻译过程或有疏漏、错误，小辣椒把英文原文放在翻译后面，供大家参考学习。

像比特币这类加密货币是建立在区块链上的网络。在这个网络上，金融交易的账本数据格式化在一系列的区块里。这些网络是分布式的，没有银行或组织管理账户余额资金，由用户联合起来存储和验证交易信息。

但是，分布式会导致网络可扩展性不足的问题。新的用户节点在加入时，需要下载存储此前成千上万个区块数据。新用户加入后还要继续存储新的区块数据，并且帮助验证交易。这使得过交易过程缓慢，或者从计算角度来说有些不切实际。

一篇将在下个月网络和分布式系统安全研讨会展示的论文中，麻省理工的研究人员会介绍一个叫金库(Vault)的加密货币，能够让用户在加入网络时下载仅占总交易数据的一小部分数据。

它还集成了删除占用空间的空账本技术，并允许核查只使用被划分和共享在网络上，尽量减少个人用户的数据存储和处理要求的最新交易数据。

在实验中，与比特币相比，Vault将加入其网络的带宽减少了99%，与以太网相比减少了90%。重要的是，Vault仍然确保所有节点都验证所有事务，提供与现有节点相同的严格安全性。

“目前有很多加密货币在新用户加入和存储方面遇到了瓶颈。我们这里的主要目标时给越来越多的用户提供好的扩展性，”作为的参与者，计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究生莱昂说道。

CSAIL的研究人员YossiGilad和NickolaiZeldovich也参与了这项研究。NickolaiZeldovich也是电子工程与计算机科学系(EECS)的教授;还有最近的校友AdamSuhl'18。

跨过区块

加密货币网络中的每个块都包含一个时间戳、它在区块链中的位置以及固定长度的数字和字母字符串(称为“散列”)，这基本上是块的标识。每个新块都包含区块链中前一个块的散列。Vault中的块还包含多达10,000个事务——或10兆字节的数据——这些事务都必须由用户进行验证。区块链的结构，特别是哈希链，确保了对手在不被发现的情况下无法攻击块。

新用户通过下载所有过去的交易数据来加入加密货币网络，或“引导”，以确保它们是安全的和最新的。例如，要在去年加入比特币，用户需要下载50万个区块，总计约为150g。用户还必须存储所有帐户余额，以帮助验证新用户并确保用户有足够的资金完成交易。随着比特币的账户数量超过2200万个，存储要求也越来越高。

研究人员在一种名为Algorand的新型加密货币网络的基础上构建了他们的系统。这种网络由麻省理工学院的福特工程教授SilvioMicali发明。

动态 | 麻省理工学院的人工智能实验室处理了20万笔比特币交易，数据显示只有2%是“非法的”:据coindesk消息，区块链分析公司Elliptic与麻省理工学院(MIT)合作，发布了一个与非法活动有关的比特币交易的公共数据集。该小组的研究详细说明了麻省理工学院- ibm沃森人工智能实验室的研究人员如何使用机器学习软件对总价值约60亿美元的203,769笔比特币节点交易进行分类。该研究探索了人工智能是否能够帮助当前的反(AML)程序。在检查了这些节点与已知实体的关联后，研究人员发现，在这20万笔比特币交易中，只有2%被认为是非法的。虽然21%的交易被确认为合法，但绝大多数交易(约77%)仍未归类。(自2009年比特币交易网络推出以来，迄今估计已有4.4亿笔比特币交易。[2019/8/3]

对于传统的加密货币，用户竞相解验证块的方程，第一个解得到资金的方程。随着网络的扩展，这会减慢事务处理时间。Algorand使用“利害关系证明”概念来更有效地验证块并更好地支持新用户加入。对于每一个区块，都会选出一个具有代表性的核查“委员会”。在网络中拥有更多资金或股份的用户被选中的可能性更高。要加入网络，用户需要验证每个证书，而不是每个事务。

但是每个块都包含一些关键信息，以便在它之前立即验证证书，这意味着新用户必须从链中的第一个块及其证书开始，然后依次验证每个块，这可能很耗时。为了加快速度，研究人员基于几百块或1000块后面的一个块(称为“面包屑”)给每个新的证书验证信息。当一个新用户加入时，他们会将一个早期块的面包屑匹配到前面1000个块的面包屑。这个面包屑可以与前面1000个块的另一个面包屑匹配，等等。

莱昂说:“论文标题是一个双关语。”“金库是一个你可以储存钱的地方，但区块链也让你在加入一个网络时‘金库’跨越街区。”当我引导时，我只需要一个来自过去的块来验证未来的块方法。我可以跳过中间的所有块，这为我们节省了很多带宽。

分而丢弃

为了减少数据存储需求，研究人员设计了一种新的“分片”方案。该技术将事务数据分成更小的部分(或碎片)，在整个网络中共享，因此单个用户只需处理少量数据来验证事务。

为了以一种安全的方式实现共享，Vault使用了一种众所周知的数据结构，称为二进制Merkle树。在二叉树中，单个顶部节点分支为两个“子”节点，而这两个节点又各自分解为两个子节点，以此类推。

在Merkle树中，顶部节点包含一个哈希，称为根哈希。但是树是由底部向上构造的。树将底部的每一对子散列组合起来，形成它们的父散列。它在树中重复这个过程，从每对子节点中分配一个父节点，直到将所有内容组合到根哈希中。在加密货币中，顶部节点包含单个块的散列。每个底部节点包含一个散列，表示块中一个事务涉及的一个帐户的余额信息。balance散列和block散列绑定在一起。

动态 | 麻省理工将于5月召开区块链专题活动:据PR NEWSWIRE消息，《麻省理工科技评论》宣布，将于2019年5月2日举行第三届年度区块链专题活动。据了解，本次与会的演讲嘉宾都是来自金融科技各分支领域的资深人士，其中包括联合国儿童基金会区块链战略组织、蚂蚁金服、新加坡金融管理局、埃森哲等等。[2019/3/22]

为了验证任何一个事务，网络组合两个子节点以获得父节点散列。它在树上重复这个过程。如果最终的组合散列与块的根散列匹配，则可以验证事务。但是对于传统加密货币，用户必须存储整个树结构。

通过Vault，研究人员将Merkle树分成不同的碎片，分配给不同的用户组。每个用户帐户只在其分配的分片中存储帐户的余额，以及根散列。诀窍是让所有用户存储一层节点，该节点横切整个Merkle树。当用户需要从碎片外部验证事务时，他们会跟踪到该公共层的路径。从这个公共层，他们可以确定分片之外的帐户余额，并正常地继续验证。

莱昂说:“网络的每个碎片负责存储大数据结构的一小部分，但这一小部分允许用户验证来自网络所有其他部分的交易。”

此外，研究人员还设计了一种新的方案，可以识别和丢弃用户指定的在一定时间内没有余额的碎片帐户。其他加密货币保留所有空帐户，这增加了数据存储需求，但没有真正的用途，因为它们不需要验证。当用户在Vault中存储帐户数据时，他们会忽略那些旧的、空的帐户。

英文原文

title：Afaster,moreefficientcryptocurrency

abstract:Designreducesby99percentthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions.

MITresearchershavedevelopedanewcryptocurrencythatdrasticallyreducesthedatausersneedtojointhenetworkandverifytransactions—byupto99percentcomparedtotoday’spopularcryptocurrencies.Thismeansamuchmorescalablenetwork.

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

声音 | 麻省理工学院技术评论：区块链将在2019年回归正常:据Cointelegraph消息，麻省理工学院技术评论于1月2日发表文章，认为2019年围绕区块链的炒作将消退，“创新的项目仍在继续，其中一些将获得成果。”加上几家大公司计划今年推出主要的区块链项目，2019年是“区块链技术最终变得正常的一年”。[2019/1/2]

Butdecentralizationleadstoascalabilityproblem.Tojoinacryptocurrency,newusersmustdownloadandstorealltransactiondatafromhundredsofthousandsofindividualblocks.Theymustalsostorethesedatatousetheserviceandhelpverifytransactions.Thismakestheprocesssloworcomputationallyimpracticalforsome.

InapaperbeingpresentedattheNetworkandDistributedSystemSecuritySymposiumnextmonth,theMITresearchersintroduceVault,acryptocurrencythatletsusersjointhenetworkbydownloadingonlyafractionofthetotaltransactiondata.

Italsoincorporatestechniquesthatdeleteemptyaccountsthattakeupspace,andenablesverificationsusingonlythemostrecenttransactiondatathataredividedandsharedacrossthenetwork,minimizinganindividualuser’sdatastorageandprocessingrequirements.

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

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

声音 | 麻省理工研究员：区块链越过鸿沟还需要几年:据BTCMANAGER报道，对2018年区块链技术在创业和监管领域的发展情况，麻省理工学院斯隆管理学院和数字经济倡议研究员研究会员Irving Wladawsky-Berger表示，尽管区块链在2018年有很大进展，但仍无法跨越鸿沟，这是因为实际产出的应用仍然很少。越过鸿沟、融入主流还需要几年。[2018/8/25]

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.

麻省理工成立金融科技实验室 主要研究区块链等技术:据外媒消息，近日，美国麻省理工学院（MIT）计算机科学与人工智能实验室正式宣布成立MIT金融科技实验室，研究方向主要包括区块链、隐私安全、数据库系统等。其中，蚂蚁金服入选为创始成员。[2018/6/11]

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，翻译小辣椒&有道，来源MITNEWS。链接：

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

如果大家对研究成果有疑问，可以邮件联系麻省理工学院新闻办公室负责人Abby。

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