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，但亦面臨住重大嘅可擴展性挑戰。工作量證明共識機制嘅能源消耗一直備受爭議，但同樣關鍵嘅儲存開銷問題就相對少人關注。本文提出一項開創性嘅實證研究，分析完整區塊鏈節點如何利用帳本數據進行驗證。核心發現係，通過智能嘅客戶端策略，儲存佔用可以大幅減少——對於比特幣，潛在可以降至約15 GB——而無需對底層區塊鏈協議進行任何修改，從而降低運行全節點嘅門檻。
2. 問題陳述與背景
2.1 無許可區塊鏈嘅儲存負擔
比特幣等區塊鏈嘅安全性同完整性依賴於一個完整、不可篡改嘅帳本。隨著採用率增加，帳本大小亦隨之增長。研究進行時，比特幣帳本已超過370 GB。呢個巨大嘅儲存需求係希望運行全節點嘅用戶嘅主要障礙，導致中心化風險，因為能夠負擔得起維護完整歷史記錄嘅實體越來越少。
關鍵儲存統計
比特幣帳本大小： >370 GB
目標減省（建議）： ~15 GB
減省潛力： ~96%
2.2 現有緩解策略及其局限性
以往嘅解決方案通常涉及協議層面嘅更改，例如檢查點或分片，呢啲都需要硬分叉同社區共識。Bitcoin Core 提供咗修剪選項，但缺乏智能指引——用戶必須任意選擇一個保留閾值（以 GB 或區塊高度計），有刪除驗證未花費交易輸出時仍然需要嘅數據嘅風險。
3. 方法論與實證分析
3.1 數據收集與測量框架
本研究採用咗全面嘅實證測量方法，分析比特幣區塊鏈，以準確理解喺標準節點操作（如區塊同交易驗證）期間，會存取邊啲數據元素（交易、區塊、區塊頭）。
3.2 全節點數據使用模式分析
分析顯示，歷史帳本嘅相當一部分喺一段時間後好少被存取。驗證主要依賴於：
- 當前嘅 UTXO 集。
- 用於工作量證明驗證嘅近期區塊頭。
- 被較新交易引用嘅一部分歷史交易。
呢個洞察構成咗智能修剪嘅基礎。
4. 提出嘅客戶端儲存減省方案
4.1 本地儲存修剪策略
提出嘅策略係一種客戶端優化。全節點可以安全刪除舊區塊嘅原始數據，同時保留加密承諾（如區塊頭同 Merkle 根）以及當前 UTXO 集。如果之後需要用到已刪除嘅交易（例如，驗證鏈重組），節點可以從點對點網絡中獲取。
4.2 優化數據保留模型
呢個模型唔係採用簡單基於時間或大小嘅截斷，而係使用存取頻率同依賴性分析。佢根據數據喺未來驗證中被需要嘅可能性來保留數據，喺保持節點完全驗證鏈嘅能力嘅同時，大幅降低本地儲存需求。
5. 結果與性能評估
5.1 儲存佔用減省
實證評估表明，一個完整嘅比特幣節點可以將其本地儲存佔用減少到大約15 GB，相比完整嘅 370+ GB 帳本減省咗約 96%。呢個包括壓縮後嘅 UTXO 集同近期區塊頭。
圖表：儲存佔用比較
描述： 一個柱狀圖比較「全節點儲存（370 GB）」同「優化節點儲存（15 GB）」。優化節點嘅柱明顯短好多，視覺上強調咗 96% 嘅減省。優化儲存被分段顯示，用於展示 UTXO 集、近期區塊頭以及一小部分經常存取嘅歷史數據緩存各自所佔嘅比例。
5.2 計算與網絡開銷
減少儲存嘅代價係，當需要歷史數據時，網絡請求可能會增加。然而，研究發現喺正常操作下，呢個開銷係微不足道嘅，因為所需嘅數據獲取並不頻繁，而且數據可以輕易從網絡中其他節點獲取。
6. 技術細節與數學框架
優化嘅核心在於理解交易依賴圖。設 $G = (V, E)$ 為一個有向無環圖，其中頂點 $V$ 代表交易，如果交易 $v$ 花費咗由交易 $u$ 創建嘅輸出，則存在邊 $(u, v) \in E$。交易 $t_i$ 嘅「年齡」同「連通性」可以被建模。為驗證新區塊而需要 $t_i$ 嘅概率 $P_{access}(t_i)$ 會隨時間以及其與當前 UTXO 集嘅距離而降低。
一個簡單嘅保留啟發式規則可以係：如果 $age(t_i) < T_{age}$ 或者如果 $t_i$ 係最近 $N$ 個區塊中任何交易嘅祖先（在 $k$ 跳之內），則保留交易數據。其中 $T_{age}$、$k$ 同 $N$ 係從實證存取模式推導出嘅參數。
7. 分析框架：案例研究
場景： 一家新創公司希望為審計目的運行一個比特幣全節點，但雲端儲存預算有限。
框架應用：
- 數據分析： 節點軟件首先以觀察模式運行，分析喺一個月內存取咗邊啲區塊同交易。
- 模型校準： 使用分析所得數據，校準保留啟發式規則嘅參數（例如，設定 $T_{age}$ 為 3 個月，$k=5$，$N=1000$）。
- 修剪執行： 然後，節點修剪所有唔符合保留標準嘅區塊數據，只保留區塊頭、UTXO 集以及符合條件嘅交易數據。
- 持續運行： 喺正常操作期間，如果需要一個已被修剪嘅交易，節點會從兩個隨機節點獲取該交易，並在使用前根據儲存嘅 Merkle 根進行驗證。
結果： 該公司以 < 20 GB 嘅儲存空間維持一個完全驗證節點，以極低成本實現其安全目標。
8. 未來應用與研究方向
- 輕客戶端安全性增強： 呢項工作嘅技術可以通過允許簡化支付驗證客戶端緩存同驗證更相關嘅數據子集，來增強其安全性。
- 跨區塊鏈歸檔： 開發標準化、高效嘅歸檔協議，由專門嘅「歸檔節點」儲存完整歷史，普通節點儲存優化子集，並按需通過加密證明獲取數據。
- 與第二層整合： 為同時參與第二層網絡（例如閃電網絡）嘅節點優化儲存，呢啲節點對特定歷史數據嘅需求更頻繁。
- 用於預測性修剪嘅機器學習： 採用機器學習模型來更好地預測未來需要邊啲歷史數據，進一步優化儲存/性能權衡。
9. 參考文獻
- Sforzin, A., 等人。 "On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains." (來源 PDF)。
- Nakamoto, S. "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System." 2008。
- Bitcoin Core 文檔。 "Pruning." https://bitcoin.org/en/bitcoin-core/features/pruning。
- Buterin, V. "Ethereum Whitepaper." 2014。
- Gervais, A., 等人。 "On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains." ACM CCS 2016。
- 國際能源署 (IEA)。 "Data Centres and Data Transmission Networks." 2022。（關於計算開銷嘅背景資料）。
分析師觀點：四步解構
核心洞察： 本文提出一個關鍵但常被忽視嘅洞察：比特幣全節點嘅功能性儲存需求並非 370 GB，而係可以低至 15 GB。龐大嘅帳本主要係一個冷存檔，唔係活躍嘅工作記憶。呢個觀點將可擴展性辯論從「點樣縮細條鏈？」重新定義為「點樣智能管理對佢嘅存取？」。就好似計算機架構中嘅認知：唔係所有 RAM 中嘅數據都同樣「熱」；緩存係有效嘅。作者正確指出，區塊鏈嘅安全性主要取決於UTXO 集同區塊頭鏈嘅完整性，而唔係每個古老交易嘅原始字節。呢個觀點同關於無狀態客戶端同 Merkle 證明嘅基礎工作（如以太坊研究論壇所討論）一致，但務實地應用於今日嘅比特幣。
邏輯流程： 論證係有條不紊且具說服力嘅。佢從量化問題（370 GB）開始，批評現有嘅權宜解決方案（盲目修剪），然後基於實證證據——黃金標準——建立其論點。通過實際測量節點使用咩數據，佢哋從推測轉向事實。邏輯飛躍非常優雅：如果我哋知道驗證需要咩數據（「工作集」），我哋就可以喺本地丟棄其餘部分，只喺極少數需要時先獲取。呢個係經典嘅時空權衡，針對網絡帶寬通常比儲存更便宜、更充裕（特別係喺消費級硬件上）嘅現實進行優化。
優點與缺陷： 其優點在於實用性同即時性。無需分叉，無需共識更改——只需更聰明嘅客戶端軟件。佢直接降低咗運行全節點嘅門檻，對抗中心化。然而，缺陷在於權衡嘅細則。所謂「微不足道」嘅網絡開銷假設咗一個健康、誠實嘅節點網絡。喺網絡分區或複雜嘅日食攻擊期間，如果修剪後嘅節點無法獲取舊區塊，其驗證深度重組嘅能力可能會受到影響。佢亦輕微增加咗驗證非常古老交易嘅延遲。此外，正如 Gervais 等人喺其 PoW 安全性分析中指出，減少節點對歷史記錄嘅即時存取，喺極端情況下可能會影響其獨立驗證鏈總工作量嘅能力。本文可以更深入探討呢啲安全與效率嘅權衡。
可行建議： 對於區塊鏈開發者，指令好清晰：將呢種數據驅動、智能嘅修剪整合到默認客戶端軟件中。目前 Bitcoin Core 中嘅 "prune=550" 標誌係一個鈍器；應該用本文提出嘅自適應模型取代。對於企業同礦工，呢個係直接嘅成本節省措施——雲端儲存帳單可以減少超過 90%。對於更廣泛嘅生態系統，呢項研究提供咗一個反駁「區塊鏈本質上就係臃腫」論點嘅敘事。佢表明，通過客戶端創新，無需觸及神聖嘅共識層，就有可能實現顯著嘅可擴展性改進。下一步係標準化按需數據獲取協議，使其高效且保護私隱，將呢項研究轉化為可部署嘅標準。