區塊鏈:決定區塊鏈各模塊的性能瓶頸和挑戰

注：本文來自@chenxingdotli推特，其簡述了決定區塊鏈各模塊的性能瓶頸和挑戰，看看那些漂亮數據背后的水分。區塊鏈的性能優化是一個很熱的話題。然而，由于區塊鏈系統的復雜性，系統性理解性能優化門檻很高，這就為“性能虛標”提供了空間。前有“百萬tps”大躍進，后有“80萬tps”宕機鏈。

所以，我希望展開來講一下決定區塊鏈各模塊的性能瓶頸和挑戰，看看那些漂亮數據背后的水分。

1.網絡模塊

作為一個去中心化的系統，網絡通信是整個系統的基礎，也有人將其稱為Layer0。

我將網絡模塊抽象為三層：網絡設施層、節點連結層、廣播協議層。每一層都是下一層的基礎，每一層的性能都是下一層性能的上限。

網絡模塊的帶寬和延遲構成了區塊鏈系統tps和finality延遲的基礎。

1.1網絡設施層

帶寬：主要取決于網絡基礎設施的發展，以及區塊鏈節點的配置要求。前幾年公鏈的網絡配置要求一般在20Mbps到100Mbps.到2022年，Aptos已經要求1Gbps網絡帶寬了。總之，帶寬要求越高，節點門檻越高，越中心化。

分析師：比特幣減半可能導致礦商凈利潤陷入負值:金色財經報道，下一次比特幣(BTC)減半將于2024年4月發生，可能會使礦商利潤陷入虧損。HashrateIndex加密貨幣挖礦分析師Jaran Mellerud表示，近一半的比特幣礦商的挖礦作業效率未達到最佳水平。因此，這些礦工在下一次減半后很可能會陷入困境。減半后最常見礦機的盈虧平衡電價預計將從0.12美元/千瓦時降至0.06美元/千瓦時。不過，大約40%的BTC礦機每千瓦時的運營成本高于0.06美元/千瓦時。因此，運營成本高于0.08美元/kWh的礦商和那些沒有礦機的礦商可能會受到減半的嚴重影響。

礦業咨詢公司Blocks Bridge的研究部門The Miner Mag的研究主管Wolfie Zhu表示，如果把一切都算進去，某些礦工的總成本遠高于比特幣當前的價格。對于許多運營效率較低的礦商來說，凈利潤將變成負數。

Luxor Technologies首席運營官Ethan Vera估計，全球采礦業的債務已從2022年的80億美元減少到目前的45億至60億美元左右。[2023/7/10 10:12:21]

延遲：延遲有一個優化的極限，就是光速。互聯網中的傳輸延遲比光速延遲要更大一些。Conflux曾經測得的洲際節點延遲可達200-300ms。如果是那種所有節點都在一個數據中心的“機房鏈”，延遲可以忽略不計。

交易所持有的ETH達到6個月最低點:金色財經報道，據Nansen數據顯示，交易所持有的ETH已經達到6個月低點，為2650萬ETH（約494億美元）。[2023/5/9 14:51:57]

1.2節點連結層

節點連結層主要通過鄰居節點間的通信實現網絡中的消息廣播。

帶寬：一般情況下，節點連結層可以獲得接近于網絡設施層的帶寬。也可以選擇犧牲帶寬來降低延遲：例如，當要廣播一條消息時，同時發給所有鄰居，而不是發完一個再發下一個。

延遲：消息廣播延遲和節點數量有關，節點越多，延遲越高。

目前比特幣和以太坊大概有幾千個節點。根據我們的實驗，如果全網有一萬個世界各地的節點，廣播延遲中位數3~6秒，最大可至15秒。通過一些協議優化，最大延遲可以再降低一半。

而一些宣稱確認延遲1~2秒的公鏈，顯然只能支撐更少的節點

1.3廣播協議層

數據：FTX債權估值最高只有面額的28%:5月4日消息，據債權交易平臺Claims Market數據，目前FTX債權估值（債權面額的百分比）如下：1）金額超過500萬美元，25%～28%；2）金額在100萬美元～500萬美元，20%～25%；3）100萬美元以下，18%～21%。

Claims Market是不良資產投資公司Cherokee Acquisition旗下子公司，致力于簡化債權交易市場的平臺。[2023/5/4 14:40:42]

節點連結層只負責轉發數據塊，而不管數據是什么。而廣播協議層則定義具體的區塊、交易轉發規則。

帶寬：主要在于如何減少冗余傳輸。試想，如果每個鄰居都給你發了同一筆交易，是不是很浪費？Conflux設計的轉發協議Shrec，就通過減少冗余，在同等網絡帶寬下將廣播交易的tps提升了6倍。

不過，只要網絡設施層帶寬足夠高，即使不優化，這里也不會成為瓶頸。

1inch社區拒絕由Solidity.io為其創建NFT聚合市場，但通過另一項類似提案:3月27日消息，Snapshot投票頁面顯示，1inch社區以68.78%的投票反對率拒絕了由Solidity.io為該社區創建NFT市場的提案，有社區成員表示，該提案的格式、計劃安排、執行均有問題，比如該提案沒有在提案題目開頭前添加“1IP-#”，且該計劃的實施需與1inch基金會達成合作，但該提案的表述誤導了社區等，雙方并未達成合作。

此外，社區的另一項提案1IP-21以71.44%的支持率獲得通過，該提案同樣提議為社區創建一個NFT聚合市場，開發服務將外包給Blockchain App Factory ()， BAF將與1inch架構和BE團隊保持一致，領導擬議NFT市場的開發執行。該提案的申請的預算約為38.7萬美元。

此前3月22日消息，1inch發起創立NFT交易聚合器的提案投票，該提案提議Solidity.io將為此聚合器提供技術支持。[2023/3/27 13:28:21]

延遲：一些共識協議會將廣播協議層的延遲放大若干倍，例如，比特幣的出塊間隔需要5倍于廣播協議層的延遲，而確認需要6個塊。因此，優化這里的延遲至關重要。2016年，比特幣通過緊湊區塊的設計，將區塊廣播延遲從120秒降低到了不到10秒。

音樂NFT初創公司Serenade完成420萬美元融資，“金剛狼”休·杰克曼參投:5月19日消息，音樂NFT初創公司Serenade宣布完成600萬澳元（約合 420 萬美元）的新一輪融資，投資方包括音樂行業內多家公司高管以及金剛狼休·杰克曼。Serenade表示，他們計劃利用這筆最新融資進行全球化擴張，包括在美國設立一個辦事處并重新啟動Serenade 2.0 NFT 市場。（musically）[2022/5/20 3:29:06]

緊湊區塊不包含完整交易，只包含交易哈希前6字節，因為這些交易已經在網絡中被廣播過并被多數節點收到。這可以加速區塊廣播，使廣播協議層獲得接近節點連結層的延遲。2017年后，高性能公鏈基本都采取了這一設計。

2.共識模塊

共識協議是區塊鏈系統中最復雜、最精巧的部分，它協調各個互不信任的節點，并為上層應用提供提供可信的去中心化服務。很長一段時間內，對共識模塊的性能優化都是熱點。

帶寬：中本聰共識自身的缺陷導致它的共識帶寬必須處于一個非常低的水平，否則會增加網絡分叉，降低系統安全性。

2017年后的新協議基本都可以充分利用帶寬了，這不再是一個難題。

不過，有些項目混淆了共識模塊的tps和區塊鏈系統的tps，把充分利用帶寬稱為“無限可擴展”，仿佛網絡帶寬是無限的。

延遲：共識的延遲指區塊從產生到finalize需要多久。中本聰共識的確認延遲很差，大概需要30~60倍廣播協議層延遲，后續PoW協議例如Bitcoin-NG,OHIE等也沒有優化這一延遲。Prism將延遲優化到了23倍，Conflux優化到了3倍。PoS協議我了解得有限，估算大概需要5倍延遲。

不過PoW和PoS協議有一個很大的不同：PoW參考最大延遲，PoS參考中位數延遲，而最大延遲和中位數延遲可能有3倍差異，所以PoS共識普遍延遲表現更好一些。節點少的話，進入10秒也不是不可能。至于以太坊這種上了PoS共識反而更慢的，只能說是一個奇葩吧。

共識模塊是“參數虛標”最嚴重的地方。比如，明明需要等6個區塊才能達到安全性要求，項目方告訴你1個區塊就行，反正沒人攻擊就不會露餡，沒資產就沒人攻擊。

還有一種叫分片的技術：給節點分組，把交易分給各組，每組只處理自己的交易、相信其他小組。這種技術通過增加小組數量，容易獲得一個很高的tps用于吹噓，但相信其他小組會帶來安全風險。所以分片適用于對安全性要求不高的場景，如國產聯盟鏈。

3.執行模塊

以太坊之所以能在比特幣外開辟一片天地，在于它創造了可編程的數字資產。因此交易執行模塊也是區塊鏈系統的重要的一環。也是在早期的性能優化中被忽視的一環。

執行不再區分帶寬和延遲，只關心單位時間內處理的交易或計算任務數量。

執行模塊的效率受到計算機系統各個資源的限制。

3.1CPU資源

在串行執行中，CPU的性能瓶頸是非常明顯的。在過去5年內，CPU單核性能提升了不到1倍。在EVM中，如果不考慮存儲訪問，最快的CPU大概1秒能執行1億gas,是現在以太坊性能的80倍。

并行執行是利用CPU資源的關鍵一步。一些項目在嘗試提出更利于并行的語言模型，例如Move。

在Conflux一項關于EVM并行化的研究表示，目前以太坊鏈上交易的并行化潛力是9倍tps。

但是，并行化VM有很多的挑戰。比如，理想情形下，交易高度并行；最差情形下，交易相互依賴，只能串行。那如何設計gas定價與gaslimit，使得理想情況可以充分利用并行優化，而最差情況又不至于跟不上執行？

3.2存儲訪問資源

和網絡設施層一樣，這里的性能主要取決于硬件的發展和區塊鏈節點的最低配置。除非數據被緩存在內存里，執行交易時的讀寫性能不可能超越硬盤的讀寫性能。

還拿Aptos舉例，他們節點的存儲要求是40KIOPS，而一筆交易可能涉及到發送者和接受者兩個賬戶的狀態修改，也就是最差情況下網絡只能支持2萬tps。

但他們的宣稱tps是16萬，可想而知這后面有多少不公開的前提條件了。

3.3可驗證存儲結構

可驗證存儲結構是區塊鏈存儲的一個重要數據結構。它允許一個輕節點向一個它不信任的全節點查詢鏈上狀態，是區塊鏈trustless里的最重要一環。在以太坊中，訪問可驗證存儲結構MPT比直接訪問數據庫慢10倍。所以，有些區塊鏈干脆去除了可驗證存儲結構，以換取更好的性能。

最后做個總結，區塊鏈的性能優化不是一個追求極限的過程，而是在各種限制下對安全、效率、去中心化程度的取舍。

有些取舍是可以被優化的，比如中本聰共識中，共識帶寬與安全性的矛盾后來被解決了。

有些取舍是不可避免的，如果你要求每個節點配備256GB的內存，就注定了獨立參與者的數量不會太多。

一味地去追求紙面上的高性能，只會得到一個中心化的宕機鏈。只有真正去面對和解決性能優化中的問題，才是性能提升的正途。

受篇幅所限，還有很多安全性相關的考量并沒有提到。不過以上內容足以點破很多大餅了。

責任編輯：Kate

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