使用 Utreexo 改进比特币网络

世界日益数字化，我们生活的越来越多方面变得越来越无形。货币并没有被排除在外，从实物现金到无现金系统，再到现在的加密货币。自 2009 年第一个比特币区块诞生以来，它的采用率增长得如此之快，随着采用率的提高，网络的稳定性和信任度也随之提高，这只会增加它的采用率。

首先，什么是比特币，比特币是如何运作的？

比特币是一种去中心化的点对点网络数字货币，由一个名为中本聪的伪匿名实体于 2008 年创建。比特币网络是由计算机组成的网络，也称为相互互连的节点，有助于在整个网络中传播交易并验证交易。该网络使用数字货币比特币（BTC）。这些交易存储在使用区块链技术的去中心化公共分类账上。
比特币区块链由链接到每个前面的块的块组成，除了第一个块也称为创世块，它不连接到任何前面的块。区块由多笔交易组成，这些交易在执行挖掘过程之前已由矿工验证并仔细添加到区块中。交易基本上是比特币钱包之间的价值转移。矿工负责在网络上执行主要工作，确认或“挖掘”新区块并将其添加到区块链中。
有多种在线资源可以帮助您了解比特币。这些资源提供了有关比特币功能的更多详细信息。
尽管比特币有很多优点，但可扩展性始终是一个主要问题。比特币区块的大小限制为 1MB，大约每 10 分钟开采一个区块。截至撰写本文时，比特币区块链的当前大小约为 580 GB，比去年增长了约 18%。为了让全节点加入区块链并验证网络，他们需要下载整个区块链并开始对所有旧块和新添加的块执行验证。这个大小肯定会每天持续增长，在某个时候，可能会变得太大，以至于由于资源限制而阻止一些普通用户加入网络。
除了区块链的大小之外，节点还验证并存储网络的当前状态。这种状态是当前未花费的交易输出集（UTXO），其大小相对整个区块链要小得多，但是，随着越来越多的用户在网络上执行更多交易，这种状态也保证会保持快速增长。该集合是网络中所有未花费交易输出的集合。

那么 Utreexo 是什么？

Utreexo 引入了基于哈希的动态累加器，它可以显着减小当前状态的大小。它允许节点在不知道系统的整个状态的情况下完全验证交易的输入。它通过让资金所有者保留资金确实存在的证据来实现这一点，然后当他们要花费资金时提供这些资金。
Utreexo 引入了一种称为紧凑状态节点的新型节点。这些节点仅存储状态的累加器表示。为了让这些节点验证交易，它们需要包含证明。当他们即将花费一些输入时，支出交易会提供此证明。

Utreexo 如何改进比特币网络？

如上所示，Utreexo 允许将比特币网络的状态表示为动态累加器，这些累加器的大小只有几千字节，而比特币当前的状态则超过 5GB。
要了解 Utreexo 的工作原理，我们必须首先了解什么是加密累加器以及它是如何工作的。加密累加器允许我们查询一个集合，而无需存储或泄露该集合的所有成员。这种累加器构造方法非常适合比特币 UXTO 集，因为对于每笔交易，我们都想查询所花费的 TXO 是否确实是 UTXO 集的成员，如果不是，则拒绝该交易。
普通节点在加入网络时必须下载超过 580GB 的整个区块链历史记录并验证交易并构建自己的 UTXO 集副本。然后，他们必须验证影响节点的所有状态更改。所有这些过程都是资源密集型操作，从而限制了网络参与者的数量，从而限制了可扩展性。
此初始同步过程（也称为初始块下载 (IBD)）可能需要很长时间，具体取决于互联网连接和硬件资源。影响该IBD操作速度的主要因素之一是所使用的存储磁盘的类型和I/O操作的速度，特别是快速执行随机存取读取的能力。这就是为什么使用固态驱动器的计算机（通常具有更优越的随机访问读取时间）与使用硬盘驱动器的计算机相比，验证交易的时间要少 30 倍以上。
使用 Utreexo，所使用的磁盘类型不会产生如此大的差异，因为我们只会看到 SSD 计算机和 HDD 计算机之间的轻微性能差异
Utreexo 引入了基于哈希的动态累加器，没有可信设置或管理器要求。如上所述，累加器是集合的紧凑表示，可以向其中添加和证明元素。 Utreexo 累加器使用完美的 Merkle 树森林，可以有效地从累加器中删除元素，从而减少发生删除时森林中叶子的总数。
添加可以在没有累加器和要添加的元素之外的任何数据的情况下计算，并且删除可以通过要删除的数据的包含证明来计算。
累加器的设计是完美二叉哈希树的森林。必须存储的累加器的表示形式包括：存储的元素数量，以及森林中每棵树的根。
完美二叉树的逻辑结构超出了本文的范围，因为这只是一篇介绍性文章。不过，完整的 Utreexo 论文可以在这里找到。

结论

基于 Utreexo 哈希的累加器旨在将比特币状态的大小减少到仅仅几千字节，允许几乎任何设备加入比特币网络并开始验证交易，而无需昂贵的顶级硬件。这将大大提高比特币网络的可扩展性，因为累加器的大小增长非常缓慢（Onlogn）空间复杂度。

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