Uchanganuzi wa Mzigo wa Hifadhi katika Minyororo ya Vitalu ya Uthibitisho wa Kazi

Utangulizi

Minyororo ya bloku zisizo na ruhusa, zinazowakilishwa na Bitcoin na Ethereum, zimeleta mageuzi makubwa katika mifumo isiyo na kitovu lakini zinakabiliwa na changamoto kubwa za uwezo wa kukua. Ingawa matumizi ya nishati ya makubaliano ya Uthibitisho wa Kazi (PoW) yamejadiliwa sana, suala la muhimu sawa la gharama ya uhifadhi imepokea umakini mdogo kiasi. Karatasi hii inawasilisha utafiti wa kwanza wa kimajaribio ukichambua jinsi nodi kamili za blockchain zinavyotumia data ya daftari kwa uthibitishaji. Ugunduzi mkuu ni kwamba kupitia mikakati ya akili upande wa mteja, ukubwa wa uhifadhi unaweza kupunguzwa kwa kiasi kikubwa—uwezekano hadi takriban 15 GB for Bitcoin—without requiring any modifications to the underlying blockchain protocol, thereby lowering the barrier to entry for running full nodes.

2. Problem Statement & Background

2.1 The Storage Burden of Permissionless Blockchains

Usalama na uadilifu wa mnyororo wa vitalu kama Bitcoin hutegemea daftari kamili lisilobadilika. Kadri matumizi yanavyoongezeka, ukubwa wa daftari pia huongezeka. Wakati wa utafiti huo, daftari la Bitcoin lilizidi 370 GBMahitaji makubwa haya ya uhifadhi ndiyo kizuizi kikuu kwa watumiaji wanaotaka kuendesha nodi kamili, na kusababisha hatari za kujikita kwani chache zaidi ni vyombo vinavyoweza kumudu kudumisha historia kamili.

Key Storage Statistics

Ukubwa wa Ledger ya Bitcoin: >370 GB

Kupunguzwa Lengwa (Mapendekezo): ~15 GB

Uwezo wa Kupunguza: ~96%

2.2 Existing Mitigation Strategies and Their Limitations

Previous solutions often involve protocol-level changes, such as checkpointing or sharding, which require hard forks and community consensus. Bitcoin Core offers a pruning option, but it lacks intelligent guidance—users must arbitrarily choose a retention threshold (in GB or block height), risking the deletion of data still needed for validating Unspent Transaction Outputs (UTXOs).

3. Methodology & Empirical Analysis

3.1 Ukusanyaji wa Data na Mfumo wa Upimaji

The research employed a thorough empirical measurement approach, analyzing the Bitcoin blockchain to understand precisely which data elements (transactions, blocks, headers) are accessed during standard node operations like block and transaction validation.

3.2 Uchambuzi wa Mienendo ya Matumizi ya Data ya Nodi Kamili

Uchambuzi ulifunua kuwa sehemu kubwa ya daftari la kihistoria haipatikani mara kwa mara Baada ya muda fulani. Uthibitishaji unategemea hasa:

Seti ya sasa ya UTXO.
Vichwa vya hivi karibuni vya vitalu kwa uthibitishaji wa ushahidi wa kazi.
Sehemu ndogo ya miamala ya kihistoria inayorejelewa na ile mpya zaidi.

Ufahamu huu ndio msingi wa ukataji wenye akili.

4. Kupunguzwa kwa Hifadhi ya Upande wa Mteja Unapendekezwa

4.1 Local Storage Pruning Strategy

Mkakati uliopendekezwa ni uboreshaji wa upande wa mteja. Nodi kamili inaweza kufuta kwa usalama data ghafi ya vitalu vya zamani huku ikibaki na ahadi za kisimbu (kama vichwa vya vitalu na mizizi ya Merkle) na seti ya sasa ya UTXO. Ikiwa muamala uliofutwa utahitajika baadaye (mfano, kuthibitisha upangaji upya wa mnyororo), nodi inaweza kuipata kutoka kwenye mtandao wa ushirikiano wa wenza kwa wenza.

4.2 Optimized Data Retention Model

Badala ya kukatwa kulingana na umri au ukawa tu, modeli hutumia uchambuzi wa mzunguko wa upatikanaji na utegemeziInahifadhi data kulingana na uwezekano wake wa kuhitajika kwa uthibitishaji wa baadaye, ikipunguza kwa kiasi kikubwa mahitaji ya hifadhi ya ndani huku ikidumisha uwezo wa nodi ya kuthibitisha mnyororo kikamilifu.

5. Results & Performance Evaluation

5.1 Kupunguza Uchanganuzi wa Hifadhi

Tathmini ya majaribio inaonyesha kuwa nodi kamili ya Bitcoin inaweza kupunguza ukubwa wa hifadhi yake ya ndani hadi takriban 15 GB, kupunguzwa kwa takriban 96% kutoka kwa leja kamili ya zaidi ya GB 370. Hii inajumuisha seti iliyobanwa ya UTXO na vichwa vya hivi karibuni vya vitalu.

Kielelezo: Ulinganisho wa Ukubwa wa Hifadhi

Maelezo: Mchoro wa baa unaolinganisha "Hifadhi ya Nodi Kamili (370 GB)" na "Hifadhi ya Nodi Iliyoboreshwa (15 GB)". Baa ya nodi iliyoboreshwa ni fupi zaidi, ikisisitiza kupunguzwa kwa 96%. Hifadhi iliyoboreshwa imegawanywa kuonyesha sehemu inayotumika kwa seti ya UTXO, vichwa vya hivi karibuni, na kache ndogo ya data ya kihistoria inayopatikana mara kwa mara.

5.2 Mzigo wa Uhesabuji na Mtandao

Badala ya kupunguza hifadhi ni ongezeko linalowezekana la maombi ya mtandao wakati data ya kihistoria inahitajika. Hata hivyo, utafiti unapata mzigo huu kuwa duni chini ya uendeshaji wa kawaida, kwani uhitaji wa kuchukua data haufanyiki mara kwa mara na data inapatikana kwa urahisi kutoka kwa washirika wengine wa mtandao.

6. Technical Details & Mathematical Framework

Kiini cha uboreshaji kunategemea kuelewa michoro ya utegemezi wa manunuzi. Acha $G = (V, E)$ iwe grafu iliyoelekezwa isiyo na mzunguko ambapo wima $V$ zinawakilisha manunuzi na ukingo $(u, v) \in E$ upo ikiwa manunuzi $v$ yanatumia pato lililotengenezwa na manunuzi $u$. "Umri" na "muunganisho" wa manunuzi $t_i$ yanaweza kuigwa. Uwezekano $P_{access}(t_i)$ wa kuhitaji $t_i$ kuthibitisha kizuizi kipya hupungua baada ya muda na kwa umbali wake kutoka kwa seti ya sasa ya UTXO.

A simple heuristic for retention can be: Retain transaction data if $age(t_i) < T_{age}$ OR if $t_i$ is an ancestor (within $k$ hops) of any transaction in the recent $N$ blocks. Where $T_{age}$, $k$, and $N$ are parameters derived from empirical access patterns.

7. Analysis Framework: A Case Study

Hali: Kampuni mpya ya uanzishaji inataka kuendesha nodi kamili ya Bitcoin kwa madhumuni ya ukaguzi lakini ina bajeti ndogo ya hifadhi ya wingu.

Utumizi wa Mfumo:

Uchambuzi wa Data: Programu ya nodi kwanza inaendesha katika hali ya uchunguzi, ikichambua ni vitalu na shughuli zipi zinapatikana kwa muda wa mwezi mmoja.
Usawazishaji wa Modeli: Kwa kutumia data iliyochanganuliwa, inarekebisha vigezo vya heuristiki ya kuhifadhi (mfano, huweka $T_{age}$ kuwa miezi 3, $k=5$, $N=1000$).
Utekelezaji wa Kukata: Nodi kisha hukata data zote za bloku ambazo hazikidhi vigezo vya kuhifadhi, ikihifadhi tu vichwa vya bloku, seti ya UTXO, na data ya manunuzi inayostahiki.
Uendeshaji Endelevu: Wakati wa uendeshaji wa kawaida, ikiwa muamala uliokataliwa umetafutwa, nodi hupata kutoka kwa wenza wawili nasibu na kuthibitisha dhidi ya mzizi wa Merkle uliohifadhiwa kabla ya kutumia.

Matokeo: The startup maintains a fully validating node with < 20 GB storage, achieving its security goals at a fraction of the cost.

8. Future Applications & Research Directions

Light Client Security Enhancement: Techniques from this work could bolster the security of Simplified Payment Verification (SPV) clients by allowing them to cache and validate a more relevant subset of data.
Usajili wa Vyanzo vya Blockchain Kukuza itifaki za usajili zilizosanifishwa na zenye ufanisi ambapo "node za kumbukumbu" maalum huhifadhi historia kamili, na node za kawaida huhifadhi sehemu ndogo zilizoboreshwa, huku zikipata data kwa mahitaji kwa kutumia uthibitisho wa kriptografia.
Ujumuishaji na Safu ya 2 Uboreshaji wa uhifadhi kwa nodi zinazoshiriki pia katika mitandao ya Tabaka-2 (mfano, Mtandao wa Umeme), ambapo data maalum ya kihistoria inahusika mara kwa mara zaidi.
Kujifunza kwa Mashine kwa Ufinyu wa Kutabiri: Kutumia miundo ya ML kutabiri vyema ni data gani ya kihistoria itahitajika, na kuimarisha zaidi usawazi kati ya uhifadhi na utendaji.

9. References

Sforzin, A., et al. "On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains." (Source PDF).
Nakamoto, S. "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System." 2008.
Bitcoin Core Documentation. "Pruning." 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.
International Energy Agency (IEA). "Data Centres and Data Transmission Networks." 2022. (For context on computational overhead).

Mtazamo wa Mchambuzi: Uvunjaji wa Hatua Nne

Ufahamu Msingi: Karatasi hii inatoa ufahamu muhimu, lakini mara nyingi usioangaliwa: kazi hitaji la hifadhi kwa nodi kamili ya Bitcoin sio GB 370, lakini inaweza kuwa chini kama GB 15. Daftari kubwa kwa kiasi kikubwa ni kumbukumbu baridi, sio kumbukumbu ya kazi inayotumika. Hii inabadilisha mjadala wa uwezo wa kupanuka kutoka "tunavyoifanya mnyororo upunguke?" hadi "tunavyoendesha upatikanaji wake kwa busara?" Ni sawa na utambuzi katika usanifu wa kompyuta kwamba si data zote katika RAM ziko moto sawasawa; hifadhi ndogo (cache) hufanya kazi. Waandika wanaibainisha kwa usahihi kwamba usalama wa mnyororo wa bloku (blockchain) unategemea hasa uadilifu wa UTXO set na mnyororo wa kichwa, sio kaunta mbichi za kila muamala wa zamani. Hii inalingana na kazi ya msingi kuhusu wateja wasio na hali na uthibitisho wa Merkle, kama ilivyojadiliwa katika mabaraza ya utafiti wa Ethereum, lakini inatumika kwa vitendo kwa Bitcoin ya leo.

Mfuatano wa Kimantiki: Hoja hiyo ni ya kimfumo na ya kulazimisha. Huanza kwa kupima tatizo (370 GB), kukosoa suluhisho za kirafiki zilizopo (ukataji wa upofu), na kisha kujenga hoja yake kwa ushahidi wa majaribio—kiwango cha dhahabu. Kwa kupima kwa kweli ni data gani nodi tumia, wanazotoka kwenye uvumi hadi ukweli. Mruko wa kimantiki ni mzuri: ikiwa tunajua ni data gani inahitajika kwa uthibitisho ("seti inayofanya kazi"), tunaweza kuiacha iliyobaki ndani ya kifaa, kuipata tu pale inapohitajika kwa nadra. Hii ni mabadilishano ya kawaida ya wakati-na-nafasi, iliyoboreshwa kwa ukweli kwamba upana wa mawimbi ya mtandao mara nyingi ni rahisi na unaopatikana kwa wingi kuliko hifadhi, haswa kwenye vifaa vya watumiaji.

Strengths & Flaws: Nguvu yake ni utendaji halisi na wa haraka. Hakuna utenganishaji, hakuna mabadiliko ya makubaliano—ni programu ya mteja yenye akili zaidi tu. Inapunguza moja kwa moja kikwazo cha kuendesha nodi kamili, ikipinga umiliki wa kati. Hata hivyo, dosari iko katika maelezo mafupi ya usawa. "Mizigo duni" ya mtandao inadhania mtandao wa rika wenye afya na uaminifu. Wakati wa mgawanyiko wa mtandao au shambulio la kupatwa kwa jua lenye ustadi, uwezo wa nodi iliyokatwa kuthibitisha marekebisho ya kina yanaweza kuzuiwa ikiwa haiwezi kupata vitalu vya zamani. Pia inaongeza kidogo ucheleweshaji wa kuthibitisha manunuzi ya zamani sana. Zaidi ya hayo, kama ilivyobainishwa na watafiti kama Gervais et al. katika uchambuzi wao wa usalama wa PoW, kupunguza ufikiaji wa papo hapo wa nodi kwa historia kunaweza, katika hali za pembeni, kuathiri uwezo wake wa kuthibitisha kwa kujitegemea jumla ya kazi ya mnyororo. Karatasi inaweza kuzama zaidi katika usawa huu wa usalama na ufanisi.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wasanidi wa mnyororo wa vitalu, agizo ni wazi: ingiza ukataji huu wenye kudhibitiwa na data na wenye akili ndani ya programu chaguomsingi ya mteja. Bendera ya sasa ya "prune=550" katika Bitcoin Core ni chombo kisicho na ufanisi; inapaswa kubadilishwa na muundo wa kukabiliana uliopendekezwa hapa. Kwa makampuni na wachimba madini, huu ni hatua ya moja kwa moja ya kuokoa gharama—bili za hifadhi ya wingu zinaweza kupunguzwa zaidi ya 90%. Kwa mfumo mpana zaidi, utafiti huu hutoa hadithi ya kupinga hoja ya "minyororo ya vitalu kwa asili imejaa." Inaonyesha kuwa maboresho makubwa ya uwezo wa kukabiliana yanawezekana kupitia uvumbuzi wa upande wa mteja, bila kugusa safu takatifu ya makubaliano. Hatua inayofuata ni kuweka kiwango cha itifaki ya upataji wa data kwa mahitaji ili kuifanya iwe na ufanisi na kulinda faragha, na kugeuza utafiti huu kuwa kiwango kinachoweza kutekelezwa.