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, isu sama pentingnya iaitu beban penyimpanan kurang mendapat perhatian. Kertas kerja ini membentangkan kajian empirikal perintis yang menganalisis bagaimana nod rantai blok penuh menggunakan data lejar untuk pengesahan. Penemuan terasnya ialah melalui strategi pintar di pihak klien, jejak penyimpanan boleh dikurangkan dengan drastik—berpotensi kepada sekitar 15 GB untuk Bitcoin—tanpa memerlukan sebarang pengubahsuaian pada protokol rantai blok asas, sekaligus menurunkan halangan kemasukan untuk menjalankan nod penuh.
2. Penyataan Masalah & Latar Belakang
2.1 Beban Penyimpanan Rantai Blok Tanpa Kebenaran
Keselamatan dan integriti rantai blok seperti Bitcoin bergantung pada lejar lengkap yang tidak boleh diubah. Apabila penerimaan meningkat, saiz lejar juga meningkat. Pada masa kajian, lejar Bitcoin melebihi 370 GB. Keperluan penyimpanan besar ini adalah penghalang utama bagi pengguna yang ingin menjalankan nod penuh, membawa kepada risiko pemusatan kerana lebih sedikit entiti mampu mengekalkan sejarah penuh.
Statistik Penyimpanan Utama
Saiz Lejar Bitcoin: >370 GB
Sasaran Pengurangan (Dicadangkan): ~15 GB
Potensi Pengurangan: ~96%
2.2 Strategi Mitigasi Sedia Ada dan Batasannya
Penyelesaian terdahulu selalunya melibatkan perubahan di peringkat protokol, seperti penanda aras atau pecahan, yang memerlukan garpu keras dan konsensus komuniti. Bitcoin Core menawarkan pilihan pemangkasan, tetapi ia kekurangan panduan pintar—pengguna mesti memilih ambang pengekalan secara sewenang-wenangnya (dalam GB atau ketinggian blok), berisiko memadamkan data yang masih diperlukan untuk mengesahkan Output Transaksi Belum Dibelanja (UTXO).
3. Metodologi & Analisis Empirikal
3.1 Kerangka Kerja Pengumpulan dan Pengukuran Data
Penyelidikan ini menggunakan pendekatan pengukuran empirikal yang teliti, menganalisis rantai blok Bitcoin untuk memahami dengan tepat elemen data mana (transaksi, blok, pengepala) yang diakses semasa operasi nod standard seperti pengesahan blok dan transaksi.
3.2 Analisis Corak Penggunaan Data Nod Penuh
Analisis mendedahkan bahawa sebahagian besar lejar sejarah jarang diakses selepas tempoh tertentu. Pengesahan terutamanya bergantung pada:
- Set UTXO semasa.
- Pengepala blok terkini untuk pengesahan bukti kerja.
- Subset transaksi sejarah yang dirujuk oleh transaksi lebih baharu.
Pandangan ini membentuk asas untuk pemangkasan pintar.
4. Cadangan Pengurangan Penyimpanan di Pihak Klien
4.1 Strategi Pemangkasan Penyimpanan Tempatan
Strategi yang dicadangkan ialah pengoptimuman di pihak klien. Nod penuh boleh memadam data mentah blok lama dengan selamat sambil mengekalkan komitmen kriptografi (seperti pengepala blok dan akar Merkle) dan set UTXO semasa. Jika transaksi yang dipadam diperlukan kemudian (contohnya, untuk mengesahkan penyusunan semula rantai), nod boleh mengambilnya dari rangkaian rakan ke rakan.
4.2 Model Pengekalan Data Dioptimumkan
Daripada potongan mudah berdasarkan umur atau saiz, model ini menggunakan analisis kekerapan akses dan kebergantungan. Ia mengekalkan data berdasarkan kebarangkalian ia diperlukan untuk pengesahan masa depan, mengurangkan keperluan penyimpanan tempatan dengan drastik sambil mengekalkan keupayaan nod untuk mengesahkan rantai sepenuhnya.
5. Keputusan & Penilaian Prestasi
5.1 Pengurangan Jejak Penyimpanan
Penilaian empirikal menunjukkan bahawa nod Bitcoin penuh boleh mengurangkan jejak penyimpanan tempatannya kepada kira-kira 15 GB, pengurangan sekitar 96% daripada lejar penuh 370+ GB. Ini termasuk set UTKO termampat dan pengepala blok terkini.
Rajah: Perbandingan Jejak Penyimpanan
Penerangan: Carta bar membandingkan "Penyimpanan Nod Penuh (370 GB)" dan "Penyimpanan Nod Dioptimumkan (15 GB)". Bar nod dioptimumkan jauh lebih pendek, menekankan pengurangan 96%. Penyimpanan dioptimumkan dibahagikan untuk menunjukkan perkadaran yang digunakan untuk set UTXO, pengepala terkini, dan cache kecil data sejarah yang kerap diakses.
5.2 Beban Pengiraan dan Rangkaian
Pertukaran untuk pengurangan penyimpanan ialah peningkatan potensi dalam permintaan rangkaian apabila data sejarah diperlukan. Walau bagaimanapun, kajian mendapati beban ini boleh diabaikan di bawah operasi normal, kerana pengambilan yang diperlukan jarang berlaku dan data mudah didapati dari rakan rangkaian lain.
6. Butiran Teknikal & Kerangka Kerja Matematik
Teras pengoptimuman bergantung pada pemahaman graf kebergantungan transaksi. Biarkan $G = (V, E)$ menjadi graf asiklik berarah di mana bucu $V$ mewakili transaksi dan tepi $(u, v) \in E$ wujud jika transaksi $v$ membelanjakan output yang dicipta oleh transaksi $u$. "Umur" dan "ketersambungan" transaksi $t_i$ boleh dimodelkan. Kebarangkalian $P_{access}(t_i)$ untuk memerlukan $t_i$ untuk mengesahkan blok baharu berkurangan mengikut masa dan jaraknya dari set UTXO semasa.
Heuristik mudah untuk pengekalan boleh jadi: Kekalkan data transaksi jika $age(t_i) < T_{age}$ ATAU jika $t_i$ adalah nenek moyang (dalam $k$ lompatan) mana-mana transaksi dalam $N$ blok terkini. Di mana $T_{age}$, $k$, dan $N$ adalah parameter yang diperoleh daripada corak akses empirikal.
7. Kerangka Kerja Analisis: Kajian Kes
Skenario: Sebuah syarikat permulaan baharu ingin menjalankan nod Bitcoin penuh untuk tujuan audit tetapi mempunyai belanjawan penyimpanan awan yang terhad.
Aplikasi Kerangka Kerja:
- Profil Data: Perisian nod pertama kali berjalan dalam mod pemerhatian, memprofil blok dan transaksi mana yang diakses dalam tempoh satu bulan.
- Kalibrasi Model: Menggunakan data yang diprofil, ia mengkalibrasi parameter untuk heuristik pengekalan (contohnya, menetapkan $T_{age}$ kepada 3 bulan, $k=5$, $N=1000$).
- Pelaksanaan Pemangkasan: Nod kemudian memangkas semua data blok yang tidak memenuhi kriteria pengekalan, hanya menyimpan pengepala blok, set UTXO, dan data transaksi yang layak.
- Operasi Berterusan: Semasa operasi normal, jika transaksi yang dipangkas diminta, nod mengambilnya dari dua rakan rawak dan mengesahkannya terhadap akar Merkle yang disimpan sebelum menggunakannya.
Hasil: Syarikat permulaan mengekalkan nod pengesahan penuh dengan penyimpanan < 20 GB, mencapai matlamat keselamatannya pada kos yang jauh lebih rendah.
8. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan
- Peningkatan Keselamatan Klien Ringan: Teknik dari kerja ini boleh meningkatkan keselamatan klien Pengesahan Pembayaran Ringkas (SPV) dengan membolehkan mereka menyimpan cache dan mengesahkan subset data yang lebih relevan.
- Arkib Rentas Rantai Blok: Membangunkan protokol arkib piawai dan cekap di mana "nod arkib" khusus menyimpan sejarah penuh, dan nod biasa menyimpan subset dioptimumkan, mengambil data atas permintaan dengan bukti kriptografi.
- Integrasi dengan Lapisan-2: Mengoptimumkan penyimpanan untuk nod yang turut menyertai rangkaian Lapisan-2 (contohnya, Rangkaian Lightning), di mana data sejarah tertentu lebih kerap relevan.
- Pembelajaran Mesin untuk Pemangkasan Ramalan: Menggunakan model ML untuk meramal data sejarah mana yang akan diperlukan dengan lebih baik, seterusnya mengoptimumkan pertukaran penyimpanan/prestasi.
9. Rujukan
- Sforzin, A., et al. "On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains." (PDF Sumber).
- Nakamoto, S. "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System." 2008.
- Dokumentasi Bitcoin Core. "Pemangkasan." https://bitcoin.org/en/bitcoin-core/features/pruning.
- Buterin, V. "Ethereum Whitepaper." 2014.
- Gervais, A., et al. "On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains." ACM CCS 2016.
- Agensi Tenaga Antarabangsa (IEA). "Data Centres and Data Transmission Networks." 2022. (Untuk konteks beban pengiraan).
Perspektif Penganalisis: Dekonstruksi Empat Langkah
Pandangan Teras: Kertas kerja ini menyampaikan pandangan penting, namun sering diabaikan: keperluan penyimpanan fungsian untuk nod Bitcoin penuh bukan 370 GB, tetapi boleh serendah 15 GB. Lejar besar itu sebahagian besarnya adalah arkib sejuk, bukan memori kerja aktif. Ini membingkai semula perdebatan skalabiliti dari "bagaimana kita mengecilkan rantai?" kepada "bagaimana kita mengurus akses kepadanya dengan pintar?" Ia sama seperti kesedaran dalam seni bina komputer bahawa tidak semua data dalam RAM sama panas; cache berfungsi. Penulis mengenal pasti dengan betul bahawa keselamatan rantai blok terutamanya bergantung pada integriti set UTXO dan rantai pengepala, bukan bait mentah setiap transaksi lama. Ini selaras dengan kerja asas mengenai klien tanpa keadaan dan bukti Merkle, seperti yang dibincangkan dalam forum penyelidikan Ethereum, tetapi mengaplikasikannya secara pragmatik kepada Bitcoin hari ini.
Aliran Logik: Hujahnya metodikal dan menarik. Ia bermula dengan mengkuantifikasi masalah (370 GB), mengkritik penyelesaian sementara sedia ada (pemangkasan buta), dan kemudian membina kesnya berdasarkan bukti empirikal—piawaian emas. Dengan sebenarnya mengukur data yang digunakan oleh nod, mereka beralih dari spekulasi kepada fakta. Lompatan logiknya elegan: jika kita tahu data apa yang diperlukan untuk pengesahan ("set kerja"), kita boleh membuang selebihnya secara tempatan, mengambilnya hanya pada kesempatan jarang ia diperlukan. Ini adalah pertukaran masa-ruang klasik, dioptimumkan untuk realiti bahawa lebar jalur rangkaian selalunya lebih murah dan lebih banyak daripada penyimpanan, terutamanya pada perkakasan pengguna.
Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya ialah kepraktisan dan kecepatannya. Tiada garpu, tiada perubahan konsensus—hanya perisian klien yang lebih pintar. Ia secara langsung menurunkan halangan untuk menjalankan nod penuh, memerangi pemusatan. Walau bagaimanapun, kelemahannya terletak pada cetakan halus pertukaran itu. Beban rangkaian "boleh diabaikan" mengandaikan rangkaian rakan yang sihat dan jujur. Semasa pemisahan rangkaian atau serangan gerhana canggih, keupayaan nod yang dipangkas untuk mengesahkan penyusunan semula dalam boleh terjejas jika ia tidak dapat mengambil blok lama. Ia juga sedikit meningkatkan kependaman untuk mengesahkan transaksi yang sangat lama. Tambahan pula, seperti yang diperhatikan oleh penyelidik seperti Gervais et al. dalam analisis keselamatan PoW mereka, mengurangkan akses segera nod kepada sejarah mungkin, dalam kes tepi, menjejaskan keupayaannya untuk mengesahkan jumlah kerja rantai secara bebas. Kertas kerja ini boleh menyelami lebih dalam pertukaran keselamatan-kecekapan ini.
Pandangan Boleh Tindak: Untuk pembangun rantai blok, mandatnya jelas: integrasikan pemangkasan pintar berasaskan data ini ke dalam perisian klien lalai. Bendera "prune=550" semasa dalam Bitcoin Core adalah alat tumpul; ia harus digantikan dengan model adaptif yang dicadangkan di sini. Untuk perusahaan dan pelombong, ini adalah langkah penjimatan kos langsung—bil penyimpanan awan boleh dipotong lebih 90%. Untuk ekosistem yang lebih luas, penyelidikan ini menyediakan naratif balasan kepada hujah "rantai blok secara semula jadi boros". Ia menunjukkan bahawa peningkatan skalabiliti ketara adalah mungkin melalui inovasi di pihak klien, tanpa menyentuh lapisan konsensus suci. Langkah seterusnya ialah memiawaikan protokol pengambilan data atas permintaan untuk menjadikannya cekap dan memelihara privasi, mengubah penyelidikan ini menjadi piawaian yang boleh digunakan.