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extension-blocks

扩展区块

层:共识层(软分叉)

标题:扩展区块

作者:Christopher Jeffrey <chjj@purse.io>

Joseph Poon<joseph@lightning.network>

Fedor Indutny <fedor@indutny.com>

Stephen Pair <stephen@bitpay.com>

状态:草稿

创立时间:2017-03-17

许可:公共域

 

摘要

本规范定义了一种增加比特币的交易吞吐量同时又不改变现行共识规则的方法

 

目的

比特币的交易吞吐量与他的共识规则相关,这一规则涉及到重定向(retargetting),和限制拒绝服务(denial-of-service)比特币的重定向(retargetting),确保了被挖到的区块之间的时间间隔大约十分钟。改变这规则是不可能的。已经有多种,显著提高交易吞吐量的方法,但是去不能共识层解决方案能够证明自己是非常安全的。

 

历史

在2013年首次由Johnson Lau提出附加区块的方案,该方案提出了通过特殊操作码让资金进入和退出附加产区快的方法。

扩展区块是另一个改进提案,是在2017年同样由Johnson Lau提出的,新方案改变了原来方案的很多想法

 

规范

扩展区块,是在权威区块之上构建了一个亚层,矿工将这个附加区块的交易合并到梅克尔树根。

扩展区块方法使用了若干来自BIP141、BIP143和BIP144的特征来实现交易的opt-in、系列化(serialization)、验证(verification),和网络服务(network services)。这份规范应该考虑对这个改进协议(BIPs)的扩展和修改。扩展区块目前的版本是和BIP141不兼容的,需要附加少量额外的规则。

为了避免和未升级的节点的UTXO集相冲突,扩展区块使用自己独立的UTXO集。这是非常巧妙的努力,需要一个每一个权威区块的最末端要有一个解析交易(resolution transaction)。

这份规范提供了一种方法,来欺骗未升级的节点相信这些存在的UTXO集依然遵行它们期望的规则。不幸的是,这需要在升级的节点这一侧,增加额外的记账(book-keeping)。

 

承诺

一个升级过后的矿工将会打包的扩展区块包含一个额外的余额为0的coinbase输出。这个输出脚本如下:

OP_RETURN 0x240xaa21a9ef[32-byte-merkle-root]

特征值(译者注:这里的特征值原文是commitment,经过阅读BIP141 这个词是个加密学术语,就是通过一个值来保证和另一串数据的一一对应关系,是通过计算哈希得出。BIP141的里定义:The commitment is recorded ina scriptPubKey of the coinbase transaction.即,这个特征值是用于公钥脚本记录coinbase交易 的系列化和搜索规则遵从BIP 141的规则。

被用于计算梅克尔根的梅克尔树会将所有的扩展区块和权威区块的txids和wtxids作为叶子计算进去。

任何包含一个扩展区块的区块必须包含扩展特征值(commitment)输出。

 

扩展区块的opt-in译者注:opt-in的意思是自愿接受,对应的反意词是opt-out,自愿拒绝

输出可以使用见证程序脚本(witnessprogramscripts)(见证程序脚本由BIP141定义)发出信号来进入扩展区块。如果包含在脚本里的是最小编码的P2PKH或P2SH脚本,则表示输出发出信号退出扩张区块。

输出脚本代码除了见证程序、P2PKH或者P2SH之外,在扩展区块中都会被认为是无效的。

 

解析

解析交易是一种记账机制,它维持了扩展区块上面UTXO集的所有价值。它们是以连续的OP_TRUE输出的形式存在。它们处理进入和离开扩展区块的UTXO集。

第一个区块包含进入或离开的输出必须包含一个最终的解析交易。每一个包含扩展区块承诺的区块,必须包含最终解析交易。这个解析交易会花费掉所有打算进入扩展区块的输出。这一解析交易用尽所有意图进入扩展区块的输出值。解析交易必须作为一个区块的最一笔交易出现。(这样才能正确地抹去所有新创建的输出值)。资金将会被发送到一个单一的——任何人都可花费的——输出。根据共识的规定,除非有另一个解析交易,否则这一输出值是禁止花费的。

解析交易必须包含附加的输出,以作为离开扩展区块的输出。

Coinbase输出必须不包含见证程序,这是因为之前存在的共识规则,它们无法被解析交易抹去。

解析交易的第一个输入必须引用上一个解析交易的输出。

手续费是从扩展区块向上传出进入解析交易。换句话说,解析交易的手续费,必须等于扩展区块的所有交易手续费之和。

 

引导程序

为了引导扩展区块的激活,一个创世解析交易必须首先被挖出,从第一个包含扩展区块特征值的区块挖出,连同任何进入扩展区块的输出(激活块)。这是唯一一个,不需要引用上一个解析交易输出的解析交易。

创世解析交易也可以包含一个1到100字节的推送数据(pushdata)在第一个输入脚本中,从而允许矿工在再创世解析交易中添加一个特殊信息。推送数据必须能够转换成一个真值布尔数。

 

解析规则

解析交易的第一个输出金额必须等于:

 

(previous-resolution-value+ entering-value – exiting-value) – ext-block-fees

(前一个解析值金额+进入金额-离开金额)-扩展区块手续费

接下来的输出脚本和金额必须精确复制扩展区块的现有输出(包括在扩展区块出现的顺序也要相同。)

解析交易的版本必须设置到uint32最大(2^32-1)。在激活之后,这一版本号会被共识规则在权威区块链(1M链)或其他扩展链上的交易禁止使用。这一要求是为了解析交易在非上下文状态(non-contextual)下被识别。

 

进入扩展区块

 

任何见证程序输出,被发现包含了一个包含了扩展区块的UTXO集的keyhash或scripthash的输出,都会被认为是一个opt-in(自愿接受)

样板区块

 

Transaction #1(coinbase):

 

Output #0:

- Script: P2PKH

- Value: 12.5

 

Output #1:

- Script: OP_RETURN 0xaa21a9ef[merkle-root]

- Value: 0

 

Transaction #2(extension block funding transaction):

 

Output #0:

- Script: P2WPKH (will enter the extensionutxo set将进入扩展区块的UTXO集)

- Value: 5.0

 

Output #1:

- Script: P2PKH (stays in the canonical utxoset留在权威区块的UTXO集)

- Value: 2.5

解析交易将会赎回任何见证程序输出:

 

Transaction #3(resolution transaction):

 

Input #0:

- Outpoint:

- Hash: previous-resolution-txid

- Index: 0

 

Input #1:

- Outpoint:

- Hash: Transaction #2 TXID

- Index: 0

 

Output #0:

- Script: OP_TRUE

- Value: 5.0

假设花费的人想要赎回tx2/outpu0,相就的扩展区块可能按如下存在:

 

Transaction #4(redeemer of transaction #2):

 

Input #0:

-Outpoint:

- Hash: Transaction #2 TXID

- Index: 0

 

Output #0:

- Script: P2WPKH (this output remains in theext. block)

- Value: 5.0

 

离开扩展区块

为了确保现存的区块链和扩容区块里的币汇率1:1,一笔从扩展区块里离开的金额必须提供在扩展区块里存在的输出。

在稍后的交易中,花费交易#2的输出可能要一个存在于他们资金里的输出。

 

Transaction #5(coinbase):

 

Output #0:

- Script: P2PKH

- Value: 12.5

 

Output #1:

- Script: OP_RETURN 0xaa21a9ef[merkle-root]

- Value: 0

Transaction #6(resolution transaction):

 

Input #0:

- Outpoint:

- Hash: previous-resolution-txid

- Index: 0

 

Output #0:

- Script: OP_TRUE

- Value: 2.5

 

Output #1:

- Script: P2PKH (duplicated from the exitedoutput below)

- Value: 2.5

 

扩展区块:

 

Transaction #7:

 

Input #0:

- Outpoint:

- Hash: Transaction #4 TXID

- Index: 0

 

Output #0:

- Script: P2WPKH (this output will remain inthe ext. block)

- Value: 2.5

 

Output #1:

- Script: P2PKH (note that this causes anexit!)

- Value: 2.5

离开(扩展区块)交易赎回(ExitRedemption)

根据以上的描述,存在于扩展区块的输出是通过解析交易来离开扩展区块到主链上。在扩展区块上创造的outpoint必须没有被任何一边花费。取而代之,离开扩展区块的交易的输出必须从在解析交易里创造的outpoints上花费。

 

离开(扩展区块)交易的成熟期要求

类似于coinbase交易,在重组(reorganization)的前提下,解析交易就有可能永远都不会被挖到。这会使得所有离开(扩展区块交易)输出都无效,并且所有与之关联的花费交易都不可靠,并且使得挖矿无法进行最佳链挖矿。An exit maturity requirement is requiredfor this reason.基于以上原因,我们需要一个离开(扩展区块交易)的成熟期。

请阅读:https://github.com/tothemoon-org/extension-blocks/issues/9

 

手续费

从扩展区块内部所收集到的手续费向上传递到对应的解析交易。解析交易的手续费必须等于扩展区块内所有交易费用累计之和

在费用政策制定层面,交易费的计算方法可能考虑交易成本,同时考虑进入和离开的输出导致权威区块额外增长的交易尺寸/政策-签名数量(size/legacy-sigops)。

在之前的计算例子中,交易#2的输出可能也会增加额外的手续费。

 

Transaction #5(coinbase):

 

Output #0:

- Script: P2PKH

- Value: 12.501 (reward + fee)

 

Output #1:

- Script: OP_RETURN 0xaa21a9ef[merkle-root]

- Value: 0

Transaction #6(resolution transaction解析交易):

 

Input #0:

- Outpoint:

- Hash: previous-resolution-txid

- Index: 0

 

Output #0:

- Script: OP_TRUE

- Value: 2.499 (fee is subtracted费用被减去)

 

Output #1:

- Script: P2PKH (from the exited outputbelow)

- Value: 2.5

Extensionblock(扩展区块):

 

Transaction #7:

 

Input #0:

- Outpoint:

- Hash: Transaction #4 TXID

- Index: 0

 

Output #0:

- Script: P2WPKH (this output will remain inthe ext. block)

- Value: 2.499 (fee is subtracted, thispropagates up)

 

Output #1:

- Script: P2PKH (note that this causes anexit!)

- Value: 2.5

验证

扩展区块内部交易验证规则应该被目的的软分叉强化,例如要比BIP-141的规则要额外强化。

在扩展交易里的交易矢量(transaction vector)可能包含一个使用BIP141交易系列化的见证矢量(witness vector)。(译者注:暂不理解这句话是什么意思,原文是:Transactions within the extended transactionvector MAY include a witness vector using BIP141 transaction serialization.)

扩展交易的验证工作将会使用VERIFY_WITNESS规则。

扩展交易不可以使用任何来自权威区块的UTXO集。

如果扩展区块,不能通过共识检查,已经升级的节点必须考虑将整个区块关定为无效(包括权威区块和扩展区块)。

 

BIP141规则改变

 

除了解析交易外,见证程序的输出必须只可以在扩展区块内被赎回。

见证交易可能只包含见证程序输入。

BIP141的P2SH嵌套特征将不在可用,并且它将不再是一个共识规则。

区块尺寸和交易尺寸(block weight and transaction weight)的概念被被删除。

sigop成本(sigops cost)的概念保留,以备将来可使用软分叉升级和和可升级限制DoS(DoS limits)。

 

DoS限制(DoSLimits译者注:这一部分描述的是扩展区块设计了一个算法,预判交易占多少计算量,分别包括对InputsOutputs的计算量计算方式,并且给出了垃圾交易的定义

因为扩展区块定义的新的输入和输出计算量开销指标,所以DoS限制应该被加强。请留意在离开(扩展区块)交易输出对权威区块的DoS限制的影响,因为它们增长了交易尺寸和签名次数(sigops)。

MAX_BLOCK_SIZE:1000000 (unchanged)

MAX_BLOCK_SIGOPS:20000 (unchanged)

MAX_EXTENSION_SIZE:TBD

MAX_EXTENSION_COST:TBD

最大的扩展区块尺寸必须被故意设置得较高。平均真实区块的大小,事实上是被输入(签名数sigops)和输出的计算量开销所限制。

未来的(区块)尺寸和计算的可扩展性可以通过软分叉附加新的见证程序来实现。在未升级的节点,未知的见证程序的计算量开销被当成是1inputs/outputs来计算。更新过的节点,为了实现将来的DoS限制软分叉的变化可以使用低的计算量开销。

 

扩展交易计算量开销

 

扩展区块使用BIP141的升级脚本,也允许使用升级的DoS限制。

 

计算输入的计算量开销

见证关键哈希v0将按1分算,乘以一个系数8

见证脚本哈希v0的计算量预计数值将精确等于在可赎回脚本的签名次数(sigops)乘与一个系数8。

未知见证程序应该按1分计算,并且乘于系数1。

由于可赎回脚本允许在见证矢量中产生垃圾数据,因此为了减少使用可赎回脚本被使用的几率,每73bytes的序列见证矢量就计一分。

这样给未来的空间留下7分,用于软分叉升级DoS限制。

 

计算输出的计算量开销

当前定义的见证程序(v0)按8分计。未知的见证程序按1分计。任何现有的输出总是计为8分。

这样给未来的空间留下7分,用于软分叉升级DoS限制。

 

垃圾交易阈值

在扩展区块内,现在应该加强对垃圾交易的定义,使用一个共识阈值来定义。

在扩展区块中,任何包含500聪以下的交易真接判为垃圾交易。这种判断法的适应于进入扩展区块的交易,但不适应于离开扩展区块的交易。

 

为闪电网络安全而设定的规则(译者注:这一部分大体意思是关于外挂在扩展区块的闪电网络关闭通道,将通道状态广播到扩展区块时的成本预估,主要是通过收紧对广播交易的区块空间来惩罚非法广播,让攻击的手续费变的非常高)

在闪电网络白皮书中,已经定义了闪电网络所面临的系统性攻击。(旧状态的大规模关闭)

如果扩展区块的第二高位版本位(第30位)设定为1,另外700字节就被保留(注意:区块空间和签名操作的计算量开销未定义)

每笔交易的交易空间是预定了的,在同一区块内,会被两笔交易所消耗(每笔上限为350比特),这一设定满足以下的约束要求。

初次分配只能被一笔交易花费,这笔交易要求其版本号里的第30位设为1的交易的输出中花费。

第二次分配只能从在过去2016个区块中任意拥有第30位设置的交易里的第一笔输出中花费。

如分配没有使用到任何交易,这些交易将使用这些额外的区块空间,700字节的可利用的区块空间将降低。

这一共识规则只在于扩展区块中,而并不是适用于主链区块。

以上规则是为了确保:在没有矿工互相协同的情况下,当系统受到攻击时,交易费用会异常的高。因为闪电网络交易是预订了区块空间的,并且双方在闪电网络的交易Commitment Transaction(译者注:Commitment Transaction是指闪电网络通道内的交易,没有在扩展区块里结算的交易)同意交易版本位来实施这一规则。这是一个在闪电网络里的opt-in(自愿接受)特性,使用高额手续费来做为可用性处罚。这是假定大多数使用场景是非法的广播,处罚将在同一个区块中包含在第二分配来完成,并且在第一次分配中给其他交易更多的区块空间。

 

迁移与采纳的影响

大头数比特币生态系统现在已经做好了升级到BIP141的准备

对于现在支持BIP的钱包,所需的迁移成本是很微小的。

对全节点来说,API可以修改为透明的为延展区块交易服务,就好像这些都是传统交易一样。当然这不会包含矿工用的API (就是说矿工必须能够区分延展和非延展区块,而外接的程序则不一定需要区分)

 

钱包的影响与迁移

现在支持b1p141的钱包,必须做如下关键调整保证和扩展区块兼容。

  1. 当创建一笔交易时,钱包必须选择一条链来开始花费。(要么选择权威区块,要么选择扩展区块,但不能同时选两者)换句话说,交易必须要么包含所有现有的见证程序的输入,要么就两边都没有见证程序输入。对于支持两条链的钱包来说,如果用户没有定义使用哪条链的话,币选择器会自动选择一条链。
  2. 钱包支持扩展区块,当看到解析交易的输入时,必须忽略掉。这可以非常简单的通过交易版本号来检查,就和钱包已经实现的忽略Coinbase交易的输入那样。这对阻止钱包,支持扩展区块的钱包,当看到解析交易但输入时,时必须加以忽略。这一点对防止钱包错误地判断双花很重要。
  3. 同时支持权威区块和扩展区块资金的钱包必须忽略掉从扩展区块里离开的交易的输出。这是为了防止钱包错误地将同样的输入索引两次。

后两点只适合以下的钱包,这些钱包通过直接区块链监控来操作的。监控类全包通常关注区块链,并且索引他们自己的交易输出值。

 

内存池的影响

这个改动对于内存池实现来说是非常小的,尽管实现细节上可能略有不同,但是一个合规的内存池必须在追踪确认某输出的释出点的时候拒绝跨链花费(将输入在两条链上都合并),这些处于内存池的释出点可能不可被花费(因为它们必须在下一个实际生成的交易ID的同时被释放赎回)。

 

挖矿的影响

因(扩展区块数据)带来的附加体积大小和签名次数(sigops)计算:

节点在自行创建区块模板时,其在为权威区块留出保留空间的时候必须同时考虑到进入和离开(扩展区块)交易的输出尺寸,一个附带了进入输出或闻名于世输出的交易输出会增加标准区块的大小。

进入(扩展区块)交易输出将会以输入的形式增加解析交易的尺寸。

离开(扩展区块)交易的输出,会在解析交易中同时以签名次数(sigops)和输出的形式增加交易尺寸。

交易分类和选择算法,必须仔细考虑这些点。

 

getblocktemplate(BIP22)的扩展(译者注:这一部分是指在扩展区块里的广播区块用的模板,getblocktemplate是矿池挖出一个可用的值,要广播块时候用的模板。extblk下,这个模板要改)

除transactions数组外,兼容本协议的实现还必需包含一个extension数组。该extension数组包括了按照BIP22定义的交易,以及按BIP145定义的getblocktemplate的扩展区块。

兼容的实现必须包括解析交易作为其交易数组的一部分。这个解析交易必须有一个额外的属性被称为解析,是一个布尔值,设置为true。在交易数组里包含解析TX使得现有的扩容客户端可以向后兼容。

default_witness_commitment在扩展区块中被重命名为default_extension_commitment,并包含在扩展区块的commitment脚本里。

一个额外的可变字段被定义为“resolution”。如果交易现在是可变数组,resolution允许扩展区块可变,这让客户端可以正确更新解析交易。

沿着可变的解析字段,也定义了一个resolutioncapabilities字段,这是为了让客户端可以更新解析交易。

对于与老旧挖矿客户端交互的节点来说,可能需要在本地使用commitment-hash->ext. block的map容器,来存储扩展区块(并且还要在调用submitblock期间,完成一些重新序列化的工作)。

 

数据迁移的影响

每一个软件实现(implenmentations)都需要一个额外的位(bit)来存储是哪一条链的UTXO的标记。根据实现的的UTXO系列化/压缩格式,这可能需要一个数据库迁移。

 

激活

版本位(Version bit): 2

分配名称: extblk (在GBT中以!extblk出现)

开始时间: 待定

超时时间: 待定

 

激活后失效(Deactivation(译者注:这一部分是讲在扩展区块激活后,如果社区在往后达成共识可以将扩展区块废除掉,比如如果主链达成了扩容共识后,扩展区块变的没必要了就可以通过一个软分叉的形式将扩展区块里的交易只出不进,经过一定时间就可以清除掉里面的交易。这一功能也让扩展区块可以用于比特币的测试链。)

扩展区块激活后,矿工可以通过第28个BIP9软分叉位来实现将扩展区块失效。这个“失效”部署的开始时间应该在扩展区块激活后3年才可以,激活“失效”的算力阈值为95%。最小的锁定周期必须至少为26重定向周期(1年)。

通过这一点,将来扩展区块规则集可能会得到发展,它在功能集和可扩展性方面是非常优越的(另请阅读:根链和/或Mimblewimble)。这使得长期扩展解决方案可以以非常小的代价和包袱通过支持的将要丢弃的链上升级。

在失效后,社区肯定希望离开扩展区块的交易将以可选择的和安全的被设计好的软分叉进行,但进入(扩展区块)的交易和转移资金到扩展区块需要被禁止。

我们提出两个失效解决方案,本文档将选择其中之一作为最终方案。

 

失效方案#1

当在第28个位被激活后,解析交易输出将退回到一个被现在共识规则定义好的“任何人都可以花费”的输出。这个第28个BIP9位(或其他BIP9位连接)可以被过载以使得这个将来阻止这个“任何人都可以花费”将来被软分叉激活。这可以使得将来扩展区块特性不需要硬分叉。

社会共识是在扩展区块失效后里面的资金是可以被使用和赎回的。如果激活(失效)期间没有适当的和安全的取款条款,用户和交易所可以通过一个软分叉位来拒绝执行。

可以通过一个新的位来升级一个扩展区块,使用基于BIP9相同的联合(conjunction)第28个位,并使用新的规则(例如,在第27个位激活新的链,并有条件地激活第28位,创造一个直接迁移到新的在主链上没有交易的扩展区块)。

这个软分叉将强制执行取款/赎回资金,并将被过载,所以这要求脚本从语法上描述取款。

 

失效方案#2

当在第28个位被激活后,不再允许有交易打包进入扩展区块。只允许通过梅克尔树证明来提现到主链。

这要求今天详细说明并发布梅克尔树证明提现的代码和规范。

 

通过梅克尔树证明使其失效

从旧扩展区块到主链的交易赎回和新扩展区块可以通过以后设计梅克尔树证明的方式来转移。资金可以通过将UTXO梅克尔树根作为一种共识规则实现硬编码转入新扩展区块,并根据梅克尔树路径验证转入资金。

为了使资金转入,节点只需要一份失效扩展区块当前32字节梅克尔树根的副本。

全节点就没必要在磁盘上存储完整UTXO集合,在将来赎回时使用一个大的链上交易进行平衡,(译者注:暂时没明白这是什么意思his removes the necessity for full nodes to store acopy of the full UTXO set on disk, with a tradeoff of larger on-chaintransactions when redeeming in the future.)替代方案是为了为客户端保存UTXO集合的记录并在内存中保持完整的位字段。

基于新输出是无效的,TXO集是静态的(集只有花费或未花费的变化),这比目前提出的动态变化UTXOs的设计简单得多:https://lists.linuxfoundation.org/pipermail/bitcoin-dev/2015-October/011638.html

 

Motivation动机

虽然失效被看作是一个不利条件,但是本规范的主要优点不是一个使用BIP141规则集的扩展区块。相反,这个生态系统将奠定以操作扩展区块为基础。未来的比特币协议也许会包含几种不同的扩展区块和很多不同的规则集。

 

参考实现(正在开发)

https://github.com/bcoin-org/bcoin-extension-blocks

 

版权所有

本文件发布于公共域。

 

 

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原文链接:https://github.com/tothemoon-org/extension-blocks/blob/master/spec.md
译者注:译者并不是程序员出身,本文包含了大量的程序细节,译文存在不精确的可能性,请各位见谅,也请能英文阅读能力的人尽可能阅读原文。
译者:tan90d(微博@闪电HSL 微信tan90d 微信公众号 闪电HSL) 如果本文对您有用,欢迎打赏我一点比特币,谢谢。
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评论:4

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    虽然失效被看作是一个不利条件,但是本规范的主要优点不是一个使用BIP141规则集的扩展区块。相反,这个生态系统将奠定以操作扩展区块为基础。未来的比特币协议也许会包含几种不同的扩展区块和很多不同的规则集。

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    xzfkiller 207 天前

    支持闪电翻译这类技术文章.
    闪电网络安全的那段理解的点问题,不是提高手续费,而是预留下空间可以放”惩罚”交易,只要矿工不是和闪电网络提供商合谋。

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    lyf20617 208 天前

    辛苦了,希望扩展区块早日完成内测

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