📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸
✍️ Ping Chen
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使用管線化（Pipeline）技術可以提升區塊鏈的處理效能，但也可能會產生相應的代價。
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區塊鏈的擴容方案
說到區塊鏈的效能問題，目前討論度最高的應該是分片（sharding）技術，藉由將驗證者分成多組的方式，可以同時分別處理鏈上的交易需求，即使單分片效能不變，總交易量可以隨著分片/驗證者集的數量線性增加。
除了分片，另一個常用來提升程式效能的方案是將計算步驟拆解，以流水線的方式將複雜的運算攤平，降低系統的閒置時間，並大幅提升工作效率。為了達到管線化預期的目的，會需要先知道系統的瓶頸在哪。
區塊鏈的效能瓶頸
熟悉工作量證明設計哲學的人應該會知道，區塊鏈之所以需要挖礦，並不是為了驗證交易的正確性，而是要決定交易的先後順序，從而避免雙花和帳本分裂的發生。可以說，區塊鏈使用低效率的單線程設計，並付給礦工高額的成本，都只為了一件事，就是對交易的全局排序產生共識。
在這樣的基礎之上，區塊鏈在一段時間內可以處理的交易數量是有限的，這之中包含許多方面的限制，包括 CPU 效能、硬碟空間、網路速度等。其中，關於 TPS(每秒交易數) 提升和對硬體的要求大致上是線性增加的，但在設計共識演算法時，通訊複雜度常是平方甚至三次方的關係。
以現在的目標 TPS 來說，處理交易和生成一個合法的區塊並不困難，只是因為區塊鏈的特性，新區塊需要透過洪水法的方式擴散到全網路，每個節點在收到更新請求的時候都要先執行/驗證過區塊內的交易，等於整個廣播的延時會是「驗證區塊時間×經過的 hop 數量」這麼多。似乎網路越分散、節點越多，我們反而會需要降低計算量，以免讓共識不穩定。
管線化的共識機制
使用權益證明取代工作量證明算是行業發展的趨勢，除了環保或安全這些比較顯然的好處之外，權益證明對產生共識的穩定性也很有幫助。首先，權益證明在同一時間參與共識的節點數是已知的，比較容易控制數量級的邊界；其次，權益證明的出塊時間相較工作量證明固定很多，可以降低計算資源不足或閒置的機率。
相較於工作量證明是單一節點出塊，其餘節點驗證，權益證明的出塊本身就需要很多節點共同參與，瓶頸很像是從驗證轉移到通訊上。
以 PBFT 為例，每次產新區塊都需要經過 pre-prepare, prepare, commit 三個階段，你要對同意驗證的區塊簽名，還要對「你有收到某人的簽名」這件事簽名，再對「你有收到 A 說他有收到 B 的簽名」這件事簽名，過程中會有很多簽名飛來飛去，最後才能把一個區塊敲定。
為了降低每兩個區塊間都需要三輪簽名造成的延遲，後來的共識演算法包括 HotStuff 和 Casper FFG 採用了管線化的區塊驗證過程。也就是對區塊 T 的 pre-prepare 同時是對 T-1 的 prepare 和對 T-2 的 commit。再加上簽名聚合技術，出塊的開銷在複雜度等級和係數等級都降低許多。
然而，要保持管線化的區塊生產順利，需要驗證者集合固定不變，且網路通訊狀況良好。如果會經常更動驗證者集合或變換出塊的領導者，前後區塊間的相依性會是個大問題，也就是 T 的驗證者集合取決於 T-1 裡有沒有會導致刪除或新增驗證者的交易，T-1 的合法性又相依於 T-2，以此類推。
當激烈的分叉出現的時候，出塊跟共識的流水線式耦合就從優雅變成災難了。為了避免這種災難，更新的共識演算法會限制驗證者變更的時機，有些叫 epoch 有些叫 checkpoint，每隔一段時間會把前面的區塊徹底敲定，才統一讓驗證者加入或退出。到這些檢查點的時候，出塊的作業流程就會退化成原本的三階段驗證，但在大部分時候還是有加速的效果。
管線化的狀態更新
另一個可以用管線化加速的是區塊鏈的狀態更新。如前所述，現在公鏈的瓶頸在於提高 TPS 會讓區塊廣播變慢，進而導致共識不穩定，這點在區塊時間短的以太坊上尤其明顯。可是如果單看執行一個區塊內的交易所花的時間的話，實際上是遠遠低於區塊間隔的。
只有在收到新區塊的時候，節點才會執行狀態轉移函數，並根據執行結果是否合法來決定要不要把區塊資訊再廣播出去。不過其實只要給定了交易集合，新的狀態 s’ = STF(s, tx) 應該是確定性的。
於是我們有了一個大膽的想法：何不乾脆將交易執行結果移出共識外呢？反正只要大家有對這個區塊要打包哪些交易有共識，計算的結果完全可以當作業留給大家自己算吧。如果真的不放心，我們也可以晚點再一起對個答案，也就是把這個區塊執行後的新狀態根包在下個區塊頭裡面。
這就是對狀態更新的管線化，在區塊 T 中敲定交易順序但暫不執行，區塊 T+1 的時候才更新狀態（以及下一批交易）。這麼做的好處十分顯而易見，就是將原本最緊繃的狀態計算時間攤平了，從原本毫秒必爭的廣播期移出來，變成只要在下個塊出來之前算完就好，有好幾秒的時間可以慢慢來。新區塊在廣播的每個 hop 之間只要驗證交易格式合法（簽名正確，有足夠的錢付手續費）就可以放行了，甚至有些更激進的方案連驗簽名都省略了，如果真的有不合法交易混進去就在下個區塊處罰礦工/提案者便是。
把負擔最重的交易執行移出共識，光用想的就覺得效能要飛天，那代價呢？代價是區塊的使用程度會變得不穩定。因為我們省略了執行，所以對於一筆交易實際用掉多少 gas 是未知的。本來礦工會完整的執行所有交易，並盡可能的塞滿區塊空間，然而在沒有執行的情況下，只能以使用者設定的 gas limit 當作它的用量，能打包的交易會比實際的上限少。
緊接著，下一個問題是退費困難。如果我們仍然將沒用完的手續費退還給使用者，惡意的攻擊者可以透過發送 gas limit 超大，實際用量很小的交易，以接近零的成本「霸佔」區塊空間。所以像已故區塊鏈 DEXON 就直接取消 gas refund，杜絕濫用的可能。但顯然這在使用者體驗和區塊空間效率上都是次優的。
而最近推出的 smartBCH 嘗試擬了一套複雜的退款規則：交易執行後剩餘的 gas 如果小於 gas limit 的一半（代表不是故意的）就退款；如果剩餘量介於 50%-75% 可以退一半；超過 75% 推斷為惡意，不退款。乍看是個合理的方案，仔細一想會發現製造的問題似乎比解決的還多。無論如何，沒用掉的空間終究是浪費了，而根據殘氣比例決定是否退款也不會是個好政策，對於有條件判斷的程式，可能要實際執行才知道走哪條路，gas limit 一定是以高的情況去設定，萬一進到 gas 用量少的分支，反而會噴更多錢，怎麼想都不太合理。
安全考量，退費大概是沒希望了。不過呢，最近以太坊剛上線的 EIP1559 似乎給了一點方向，如果區塊的使用程度能以某種回授控制的方式調節，即使偶爾挖出比較空的區塊似乎也無傷大雅，也許能研究看怎麼把兩者融合吧。
管線化方案的發展性
考慮到以太坊已經堅定地選擇了分片的路線，比較激進的單鏈高 TPS 管線化改造方案應該不太有機會出線，不過管線化畢竟是種歷史悠久的軟體最佳化技巧，還是很有機會被使用在其他地方的，也許是 VDF 之於信標鏈，也許是 rollup 的狀態轉換證明，可以坐等開發者們表演。
倒是那些比較中心化的 EVM fork/sidechain，尤其是專門只 for DeFi 的鏈，管線化加速可以在不破壞交易原子性的前提下擴容，確實是有一些比分片優秀的地方可以說嘴，值得研究研究，但這就要看那些機房鏈們有沒有上進心，願不願意在分叉之餘也投資發展自己的新技術了。
給我錢
ping.eth
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環保技術工作心得 在 [心得] 106環保技術高普雙榜心得- 精華區Examination 的美食出口停車場
一、戰鬥力評估
國立學店碩畢，求學階段均國立學店，高中、大學時期每學期都面臨留級保衛戰，碩士
時期研究主題跟考科沒什麼相關，因此報考前戰鬥力幾乎等於零。
畢業後到業界當輪班星人，由於薪水蠻高的、工作也輕鬆，壓根沒想過要考公職，工作
兩、三年後隔壁桌來了一位有環工技師的小哥，起薪比我高很多。１０５年下旬想說嘗
試看看有沒有很難。
計畫１０５年地特四等、１０６年高普考練筆，預計１０６年專技考試考取。
後來１０５年地特四等的成績跟上榜差沒幾分(當年度大部分考區均不足額)，但這樣的
成績專技考絕對無望，於是１０６年３月去ＴＫＢ補習。
《時間表》
１０５．１０=>蒐集情報(選擇類科、參考書目、版上心得(除報考類科外，也參考其他
類科，一些讀書方法、筆記抄寫的技巧))
１０５．１１=>開始準備地特四等考試
１０６．０３=>成績欠佳，加補TKB全科雲端
１０６．０７=>高普雙榜
二、成績
１０５地特四等 １０６普考 １０６高考
國文 申：36+6 5x 申：20+12 5x 國文 申：42+10 6x
法英 4x 6x 法英 4x
環境規劃與管理概要 6x 5x 環境規劃與管理 5x
環境科學概要 8x 5x 環境科學 7x
環境化學概要 1x 3x 環境化學、微生物 5x
環境污染防治技術概要 2x 7x 環境污染防治技術 6x
環境衛生學 4x
環境影響評估技術 8x
總成績平均 4x 5x 6x
名次 (x) (前二十) (前十五)
三、考前(類科選擇、讀書時間)
在選擇類科時，可以藉由考古題、網路、心得文來了解環境類科之間有什麼不同。環境類
科分環保行政(計算較少，且無報考科系限制，錄取率較低)、環境檢驗(較冷門、必須熟
悉不同儀器原理、應用及檢測方法)、環保技術(計算、申論題型參半，但多了環評法規)
、環境工程(錄取率較高，應該是因為多了流體力學)。環保類科單看錄取率不太準，每年
開缺名額有多有少，且偶有不足額錄取的情況發生，建議是針對考古題先做全盤了解，找
自己較有把握的類科報考比較穩當。
(一)國文(105地特四等5x (申：36+6)、106普5x (申：20+12)、106高6x (申：42+10))
TKB老師在作文、國學常識都教得很有趣、不會枯燥乏味，但由於占分實在太低，各聽一
堂課之後，就沒繼續看。
《作文》沒準備。
考試都沒寫超過５頁，除基本的起承轉合的架構外，想到什麼都寫什麼，沒特別引用佳句
，多半舉生活周遭為例，分數不錯應該是平時常看文學類小說。
至於１０６普的分數低，應該是寫到一半睡著，起來發現口水弄濕考卷，覺得很噁心，隨
便將文章結尾，接公文交卷。
《國學常識》沒準備。
《公文》
考前看青草茶、用空白紙張默寫3.4遍確認格式無誤。內容則臨場反應。
△參考書目、網站
青草茶部落格
(二)法英(105地特四等,4x、106普,6x、106高,4x)
《憲法、法緒》
可能我腦子不好使，看完ＴＫＢ憲法覺得很吃力就沒繼續看法緒，法緒部分放水流。
《英文》沒準備。
(三) 環境規劃與管理(105地特四等,6x、106普,5x、106高,5x)
TKB老師上課很少講課本，都在建立一套規劃與管理SOP，並利用這套架構答題，但我實在
沒什麼慧根，上完課幾乎都忘了。
主要是看林建三那本，建立基本的名詞定義，各種行政程序、指標意義後，用心智圖做筆
記。
△參考書目、網站
環境規劃與管理/文笙/林建三
(四) 環境科學、環境衛生學(105地特四等,8x、106普,5x、106高,7x)
這兩科部分題目近似其他科目，所以準備其他科目時，這科也會順便準備到，多看一些環
境相關的網站幫助很大。
△參考書目、網站
十年考古題
環境科學(Miller & Spoolman：Environmental Science 13/E)/高立/林偉仁譯
環境資訊中心網站
我們的島/公視
(五) 環境化學、微生物(105地特四等,1x、106普,3x、106高,5x)
TKB老師上的很好，不過講解速度很快，如果有補習建議是先預習。
《環境化學》
本身化學不太好，這科準備得很吃力，即使補習還是有很多聽不懂，準備策略為基本計算
不能丟，太難的放棄，有機、土壤、大氣光反應以容易理解的圖像筆記代替死背。
《環境微生物》
這科我是將相關環工處理流程、分析方法及檢驗過程畫流程圖，再將常見的微生物寫上去
，熟稔之後看其他科目時可以很直覺的想到對應的微生物為何。
△參考書目、網站
環境化學/鼎茂/石濤
環境微生物/鼎茂/石濤
環境化學與環境微生物分類題庫/鼎茂/石濤
(六)環境污染防治技術(105地特四等,2x、106普,7x、106高,6x)
ＴＫＢ的老師上的不錯，不過還是建議先對課本有個概念，再上課的話會比較好。
最近這幾年的考題雖然比較少出計算，但考前根本無法預測是否有計算題，因此基本計算
題不能丟，還有土壤、地下水整治方法以及汙泥最近蠻常考的，林建三出的環境工程概論
如果讀通了，普考高分不是問題，但高考的題目比較刁鑽，建議是林建三那本書的名詞、
原理及處理流程另外用網路搜尋了解，因為這本書寫的很簡略，一開始看會比較吃力。另
外可加看水處理工程，這本寫得蠻詳細。
△參考書目、網站
環境工程概論/鼎茂/林建三
水處理工程(上、下)/鼎茂/張晉、劉力
(七) 環境影響評估技術 (106高,8x)
準備這一科可以先看林建三的環境規劃與管理有一個概念之後，把環評流程圖背熟，什麼
階段該提出哪一種書，需紀載項目為何，寫筆記時不必將條文全抄，用關鍵字寫成口訣會
比較好記一下。及不同開發基地需哪些項目評估可以用聯想的方式畫成圖像筆記，在圖像
旁邊再加註該條文的關鍵字。
△參考書目、網站
環境影響評估法相關法規
四、讀書時間、筆記、考古題
《時間》
從小就無法靜下心長時間看書，常常會分心、走動、書本跳行看，所以下班之後準備4-6
小時，假日6-8小時，上班有空閒時間、午休都在瀏覽環保相關網站、新聞。
《筆記》
求學階段從沒做過筆記，但環境考科太多，且近幾年考題不單侷限於教科書內容，時常出
現最新的環保議題，因此利用筆記的歸納整理，可以做心智圖、圖像，抄寫筆記的同時，
可順便練字、加強印象之後複習時供快速瀏覽。
《考古題》
除了環境科學、衛生學有將考古題的答案找出來之外，其他科目的考古題因為時間不太夠
，所以只有看過並沒有擬答。
五、心得
因為後年考科就會變動，因此還沒考取技師前，先分享準備高普考試的一些心得，由於板
上已經有很多人分享過重點，因此這篇就不贅述了，另外寫考卷是否要寫滿8頁，我個人
是都沒寫滿4頁，把自己當作閱卷官，在短時間能明白、清楚的表達才是最重要的，寫考
卷最難不是寫滿，而是寫到重點、淺顯易懂，可以用圖表、流程，重點分析的方式表達最
重要，如果要寫個人、環保團體的意見的話，最好正、反兩方論述清楚，尤其是上面有些
參考網站常常帶有主觀意識，瀏覽的同時最好思考一下是否為分析技術受限、法規的缺陷
等等。因為部分專業科目補習班課程都沒上或沒上完，就不分享了。
國考不是唯一的選擇，技術類科在業界工作薪水不會比高普考低，以前我也有同學應屆考
上之後，隔沒幾年因為神秘力量太強大，承受不了壓力就到業界，希望報考公職前先了解
、高普考薪資、工時、工作環境是否能接受，以免進去後進退不得。
[心得] 考試、上榜、落榜、讀書...等心得文。
發表心得文為分享之用，除作者主動贈書、提供筆記外，
不得要求上榜者贈送書籍、提供筆記等不正邀約，
違者依照版規處置。
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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 182.235.100.137
※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/Examination/M.1507258260.A.5CD.html
※ 編輯: teasir (182.235.100.137), 10/06/2017 10:59:47
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