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| | | | 简述当前区块链各模块的功能瓶颈和挑战 |
| | 区块链的功能优化是一个很热的话题。然而，由于区块链体系的杂乱性，体系性了解功能优化门槛很高，这就为“功能虚标”供给了空间。前有“百万tps”大跃进，后有“80万tps”宕机链。
所以，我希望打开来讲一下决定区块链各模块的功能瓶颈和应战，看看那些美丽数据背后的水分。
1.网络模块
作为一个去中心化的体系，网络通信是整个体系的根底，也有人将其称为Layer0。
我将网络模块抽象为三层：网络设施层、节点连接层、播送协议层。每一层都是下一层的根底，每一层的功能都是下一层功能的上限。
网络模块的带宽和推迟构成了区块链体系tps和finality推迟的根底。
1.1网络设施层
带宽：首要取决于网络根底设施的开展，以及区块链节点的装备要求。前几年公链的网络装备要求一般在20Mbps到100Mbps.到2022年，Aptos现已要求1Gbps网络带宽了。总归，带宽要求越高，节点门槛越高，越中心化。
推迟：推迟有一个优化的极限，便是光速。互联网中的传输推迟比光速推迟要更大一些。Conflux从前测得的洲际节点推迟可达200-300ms。假如是那种一切节点都在一个数据中心的“机房链”，推迟能够忽略不计。
1.2节点连接层
节点连接层首要经过街坊节点间的通信完成网络中的音讯播送。
带宽：一般状况下，节点连接层能够取得接近于网络设施层的带宽。也能够挑选献身带宽来下降推迟：例如，当要播送一条音讯时，一起发给一切街坊（带宽要求翻几倍），而不是发完一个再发下一个。
推迟：音讯播送推迟和节点数量有关，节点越多，推迟越高。
目前比特币和以太坊大概有几千个节点。根据我们的实验，假如全网有一万个世界各地的节点，播送推迟中位数3~6秒，最大可至15秒。经过一些协议优化，最大推迟能够再下降一半。
而一些声称承认推迟1~2秒的公链，显然只能支撑更少的节点
1.3播送协议层
节点连接层只担任转发数据块，而不论数据是什么。而播送协议层则界说具体的区块、买卖转发规则。
带宽：首要在于怎么削减冗余传输。试想，假如每个街坊都给你发了同一笔买卖，是不是很浪费？Conflux规划的转发协议Shrec，就经过削减冗余，在同等网络带宽下将播送买卖的tps提升了6倍。
不过，只要网络设施层带宽足够高（比方1Gbps），即便不优化，这儿也不会成为瓶颈。
推迟：一些一致协议会将播送协议层的推迟扩大若干倍，例如，比特币的出块距离需求5倍于播送协议层的推迟，而承认需求6个块。因而，优化这儿的推迟至关重要。2016年，比特币经过紧凑区块的规划，将区块播送推迟从120秒下降到了不到10秒。
紧凑区块不包含完整买卖，只包含买卖哈希前6字节，由于这些买卖现已在网络中被播送过并被多数节点收到。这能够加快区块播送，使播送协议层取得接近节点连接层的推迟。2017年后，高功能公链基本都采取了这一规划。
2.一致模块
一致协议是区块链体系中最杂乱、最精巧的部分，它协调各个互不信赖的节点，并为上层应用供给供给可信的去中心化服务。很长一段时间内，对一致模块的功能优化都是热门。
带宽：中本聪一致自身的缺点导致它的一致带宽必须处于一个非常低的水平，否则会添加网络分叉，下降体系安全性。
2017年后的新协议基本都能够充分使用带宽了，这不再是一个难题。
不过，有些项目混淆了一致模块的tps和区块链体系的tps，把充分使用带宽称为“无限可扩展”，仿佛网络带宽是无限的。
推迟：一致的推迟指区块从发生到finalize需求多久。中本聪一致的承认推迟很差，大概需求30~60倍播送协议层推迟，后续PoW协议例如Bitcoin-NG,OHIE等也没有优化这一推迟。Prism将推迟优化到了23倍，Conflux优化到了3倍。PoS协议我了解得有限，预算大概需求5倍推迟。
不过PoW和PoS协议有一个很大的不同：PoW参阅最大推迟，PoS参阅中位数推迟，而最大推迟和中位数推迟可能有3倍差异，所以PoS一致遍及推迟表现更好一些。节点少的话，进入10秒也不是不可能。至于以太坊这种上了PoS一致反而更慢的，只能说是一个奇葩吧。
一致模块是“参数虚标”最严重的地方。比方，明明需求等6个区块才能达到安全性要求，项目方告诉你1个区块就行，反正没人进犯就不会泄露，没财物就没人进犯。
还有一种叫分片的技能：给节点分组，把买卖分给各组，每组只处理自己的买卖、信任其他小组。这种技能经过添加小组数量，容易取得一个很高的tps用于吹嘘，但信任其他小组会带来安全风险。所以分片适用于对安全性要求不高的场景，如国产联盟链。
3.履行模块
以太坊之所以能在比特币外拓荒一片六合，在于它发明了可编程的数字财物。因而买卖履行模块也是区块链体系的重要的一环。也是在前期的功能优化中被忽视的一环。
履行不再区分带宽和推迟，只关怀单位时间内处理的买卖或核算使命数量。
履行模块的功率受到核算机体系各个资源的约束。
3.1CPU资源
在串行履行中，CPU的功能瓶颈是非常明显的。在过去5年内，CPU单核功能提升了不到1倍。在EVM中，假如不考虑存储拜访，最快的CPU大概1秒能履行1亿gas,是现在以太坊功能的80倍（仅是量级的大略估计）。
并行履行是使用CPU资源的要害一步。一些项目在测验提出更利于并行的语言模型，例如Move。
在Conflux一项关于EVM并行化的研究表明，目前以太坊链上买卖的并行化潜力是9倍tps。
但是，并行化VM有许多的应战。比方，抱负情形下，买卖高度并行；最差情形下，买卖相互依赖，只能串行。那怎么规划gas定价与gaslimit，使得抱负状况能够充分使用并行优化，而最差状况又不至于跟不上履行？
3.2存储拜访资源
和网络设施层一样，这儿的功能首要取决于硬件的开展和区块链节点的最低装备。除非数据被缓存在内存里，履行买卖时的读写功能不可能逾越硬盘的读写功能。
还拿Aptos举例，他们节点的存储要求是40KIOPS，而一笔买卖可能涉及到发送者和接受者两个账户的状况修改，也便是最差状况下网络只能支持2万tps。
但他们的声称tps是16万，可想而知这后面有多少不公开的前提条件了。
3.3可验证存储结构
可验证存储结构是区块链存储的一个重要数据结构。它答应一个轻节点向一个它不信赖的全节点查询链上状况，是区块链trustless里的最重要一环。在以太坊中，拜访可验证存储结构MPT比直接拜访数据库慢10倍。所以，有些区块链干脆去除了可验证存储结构，以交换更好的功能。
最后做个总结，区块链的功能优化不是一个寻求极限的进程，而是在各种约束下对安全、功率、去中心化程度的取舍。
有些取舍是能够被优化的，比方中本聪一致中，一致带宽与安全性的对立后来被处理了。
有些取舍是不可避免的，假如你要求每个节点配备256GB的内存，就注定了独立参与者的数量不会太多。
一味地去寻求纸面上的高功能，只会得到一个中心化的宕机链。只要真正去面对和处理功能优化中的问题，才是功能提升的正途。
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