创新背景

加密货币，如流行的比特币，是建立在区块链上的网络，区块链是一种金融分类账，按单个块的序列格式化，每个块包含交易数据。这些网络是去中心化的，这意味着没有银行或组织来管理资金和余额，所以用户联合起来存储和验证交易。

但是去中心化会导致可伸缩性问题。要加入一种加密货币，新用户必须下载并存储来自数十万个独立区块的所有交易数据。他们还必须存储这些数据以使用服务并帮助验证事务。这使得这个过程变慢，或者对某些人来说在计算上不切实际。

创新过程

麻省理工学院的研究人员开发了一种名为Vault的新型加密货币，大大减少了用户加入网络和验证交易所需的数据，与以往的加密货币相比，降幅高达99%。这意味着一个更可扩展的网络。这项研究发表在了网络与分布式系统安全研讨会(Network and Distributed System Security Symposium)上。

这种新型加密货币，用户只需下载总交易数据的一小部分就可以加入网络。它还整合了删除占用空间的空帐户的技术，并仅使用划分并在网络上共享的最新交易数据进行验证，从而最大限度地减少单个用户的数据存储和处理需求。

在实验中，与比特币相比，Vault将加入其网络的带宽降低了99%，与以太坊相比降低了90%，后者被认为是当今最高效的加密货币之一。重要的是，Vault仍然确保所有节点验证所有事务，提供与现有节点相同的严格安全性。

在“块”上跳跃

加密货币网络中的每个块都包含一个时间戳，它在区块链中的位置，以及固定长度的数字和字母字符串，称为“散列”，这基本上是块的标识。每个新块都包含区块链中前一个块的散列。Vault中的块还包含多达10,000个事务（或10兆字节的数据），这些事务必须全部由用户验证。区块链的结构，特别是哈希链，确保对手无法在没有检测到的情况下攻击这些块。

新用户通过下载所有过去的交易数据来加入加密货币网络(或“bootstrap”)，以确保它们是安全和最新的。例如，要在去年加入比特币，用户需要下载50万个区块，总计约150g。用户还必须存储所有帐户余额，以帮助验证新用户，并确保用户有足够的资金完成交易。随着比特币账户数量超过2200万个，存储要求变得越来越高。

研究人员在一种名为Algorand的新型加密货币网络上构建了他们的系统，该网络由麻省理工学院福特工程学教授西尔维奥·米卡利(Silvio Micali)发明，比其他加密货币安全、去中心化、可扩展性更强。

在传统加密货币中，用户竞相解验证区块的方程，第一个解得到资金的方程。随着网络的扩展，这会降低事务处理时间。Algorand使用“权益证明”的概念来更有效地验证区块，并更好地支持新用户加入。对于每一个区块，都要选出一个具有代表性的核查“委员会”。在网络中拥有更多资金或股份的用户被选中的概率更高。要加入网络，用户需要验证每个证书，而不是每个交易。

但是每个区块都持有一些关键信息，以便在它前面立即验证证书，这意味着新用户必须从链中的第一个区块及其证书开始，并依次验证每个区块，这可能很耗时。为了加快速度，研究人员根据其后面几百或1000个区块(称为“面包屑”)给出每个新的证书验证信息。当新用户加入时，他们将早期块的面包屑与前面1000块的面包屑进行匹配。该面包屑可以与前面1000块的另一个面包屑匹配，以此类推。

划分和丢弃

为了减少数据存储需求，研究人员设计了一种新颖的“分片”方案。该技术将事务数据分成更小的部分（或碎片），在网络上共享，因此个人用户只需处理少量数据来验证事务。

为了以安全的方式实现共享，Vault使用一种称为二进制Merkle树的数据结构。

在Merkle树中，顶部节点包含一个散列，称为根散列。但这棵树是自下而上构建的。树将底部的每一对子散列组合在一起，形成它们的父散列。它在树中重复这个过程，从每对子节点分配一个父节点，直到将所有内容组合到根散列中。在加密货币中，顶部节点包含单个块的散列。每个底部节点都包含一个散列，表示块中一个事务中涉及的一个帐户的余额信息。balance散列和块散列绑定在一起。

为了验证任何一个事务，网络将两个子节点合并起来以获得父节点散列。它在树中重复这个过程。如果最终的组合散列与块的根散列匹配，则可以验证事务。但是对于传统的加密货币，用户必须存储整个树结构。

通过Vault，研究人员将Merkle树划分为分配给不同用户组的独立碎片。每个用户帐户只在其分配的分片中存储帐户余额，以及根散列。诀窍是让所有用户存储横切整个Merkle树的一层节点。当用户需要从他们的分片外部验证交易时，他们会跟踪到该公共层的路径。从该公共层，他们可以确定其碎片外的帐户余额，并正常地继续验证。

此外，研究人员设计了一种新的方案，可以识别和丢弃用户分配的在一定时间内余额为零的碎片帐户。其他加密货币保持所有的空帐户，这增加了数据存储需求，但没有实际用途，因为它们不需要验证。当用户在Vault中存储帐户数据时，他们会忽略那些旧的、空的帐户。

创新关键点

研究团队基于Algorand网络架构，并利用二进制Merkle树数据结构，开发了一项名为Vault的新型加密货币。与当今流行的加密货币相比，该加密货币可将用户加入网络和验证交易所需的数据减少多达99%。

这项创新研究的成果能够让加密货币更好地为越来越多的用户扩展。