路云区链开创超轻节点技术的“份量”

轻节点技术最开始被用于低性能终端的支付验证，可以大大缩减节点部署的成本。超轻节点技术则更进一步，让手机、浏览器插件都可轻松运行节点，并且它还是实现分片、侧链和跨链技术的基础。路云区链的超轻节点技术能极大地方便普通用户使用，并且已经在实验链Dipperin上得到检验。

轻节点技术的由来

在比特币整个生态圈里，大部分都是普通用户，即只有基本的比特币投资及消费支付需要的用户，他们可能没有矿机，没有高端配置的电脑，那么他们是否也要运行一个全节点程序呢？因为随着时间的推移，目前比特币主链的区块数据高达200G，想想如果是一个手机钱包，或者个人PC的钱包，下载主网完整区块的话，存储压力未免过大。这时候就出现了轻节点技术，比特币网络里的节点在打包一个区块的时候，会对区块里所有的交易进行验证，并且每一个交易还会得到6至7次区块的确认来确保交易最后的完成。正是如此，在使用简单支付验证时，只要判断出一个交易在主链上的某个区块里出现过，则可以证明该交易之前已被验证过，故目前市面上约90%的钱包都为轻节点钱包。另外，绝大多数分片、侧链和跨链技术都需要传递不同分片或者区块链的状态，同时运行几个分片（链）的成本非常高，所以超轻节点技术是一个必不可少的解决方案。

轻节点技术的原理

中本聪最早提出的SPV轻节点技术可用于交易的有效验证。轻节点只需下载全节点主链中所有区块头，并根据全节点提供的交易的Merkle?Proof，即可自行验证交易的有效性。要想验证一笔交易是否上链可分为以下三个步骤：1.?选择最“可信”的区块链2.?验证交易在某个区块当中3.?验证该区块在这条可信链上由于比特币网络秉持着长链优先原则，所以在SPV中步骤一非常的简单，即轻节点相信最长链。接下来第二步，轻节点根据全节点提供的Merkle?Path计算出Merkle?Root，并把它与区块头中的Transaction Root进行比较，验证出区块的有效性。Merkle?Path包括从交易Hash到Merkle?Root之间所需要的所有兄弟叶子节点，比如对于为了证明下面这个Merkle Tree的叶子H(K)，需要提供的Merkle?Path包含: H(L), H(IJ), H(MNOP), H(ABCDEFGH)。

Merkle Path示意图

最后第三步，轻节点在本地下载的区块链上验证步骤二中的区块是否存在。

超轻节点技术的原理

虽然SPV技术显著降低了轻节点的验证开销，但对于诸如手机、平板电脑等资源有限的客户端来说，这种程度的开销仍然是不能接受的。NIPoPoW超轻节点技术无需下载所有的区块头，只需根据抽样算法向网络中保持联系的全节点索取一个NIPoPoW证明，选择其中最可信的一个，并且其自身就能验证该证明的有效性。另外，由于算法是非交互式的，所以NiPoPoW证明是可转发的，全节点只需生成一份证明就可以给所有的超轻节点使用。FlyClient是目前最高效的超轻节点算法，它具有NIPoPoW的所有优点，但是在抽样算法、证明的生成与验证方式上进行了优化，它不仅支持难度值可调，还支持PoS、PoET、PoSpace等单一的、基于最长链优先原则的共识机制。FlyClient算法的最大特点是把整条链的n个区块头作为叶子，构建Merkle Mountain Ranges（MMR），并将其MMR Root写入下一个区块的区块头。MMR和Merkle Tree非常相似，其不同的是对非对称二叉树结构的处理方式。

MMR示意图

路云区链超轻节点技术的“份量”

目前主流的超轻节点方案基于单一共识机制比如PoW，他们可以不需要关心用户状态，原因在于超轻节点仅通过区块头就可以获取到足够的信息，从而证明当前区块有效(工作量足够)。只要验证一条链上所抽样的区块都有效，且这条链是最长的，就可以信任这条链(最长链原则)。所以说PoW的安全性是基于主链的总算力，在优化的抽样算法下可以认为作恶的难度近似与在主链作恶的难度。但是路云区链在实验链Dipperin采用了DPoW的共识机制，其安全性由算力和权益共同组成。如果没有把PBFT的过程也在超轻节点方案中作出证明，那么超轻节点的安全性会远远低于主网，不足以在侧链或客户端中使用。然而权益的证明是基于状态的，除了状态的验证并没有其他途径可以验证用户的权益。

在FlyClient的方案中，超轻节点无法通过区块头获得用户的状态，因此恶意用户实际上是可以对超轻节点谎称自己的权益。另外，DPoW也打破了FlyClient最长链原则这个验证前提。所以，Dipperin在设计超轻节点方案的时候把PBFT的过程也考虑了进来。Dipperin的超轻节点方案抛弃了FlyClient复杂的抽样算法，吸收了MMR的树状结构的区块头设计。由于MMR形成的树状结构和其不可篡改的特性，超轻节点一旦确认最新区块就相当于确定了整条链，那么轻节点原理中的步骤一其实可转换为确认最新区块。为了解决这个问题Dipperin引入了一组可信任的信标节点，他们每一轮发送包含区块高度、区块Hash、当前验证者列表的信标交易。全节点需要收集这些信标交易，并在提供给超轻节点最新区块时包含最新轮信标交易。超轻节点先通过信标交易确认最新轮的验证者，再通过验证验证者对区块的签名确认最新区块。此方案不但大大提高了超轻节点的安全性，而且算法简单、代码易实现。

路云区链作为一家致力于区块链底层技术领域研发的公司，通过把真实世界的交互搬到区块链上。毫无疑问，便捷的超轻节点技术能极大地提升业务效率，也是让客户能快速、安全、低成本地上链的技术保障之一。

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编译者/作者：Dipperin

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