区块链TPS的扩展性探索:为什么说BBP技术带来卓越的性能改变?

2022-07-13 12:27 栏目:行业动态 来源:网络整理 查看()

区块链是元宇宙和web3世界中与操作系统一样的基础设施,其性能决定了未来数字经济的发展历程。目前,区块链普遍存在交易数据处理能力弱的问题。这使得比特币和以太坊的性能无法与中央集权的系统相抗衡,从根本上制约了区块链许多应用的发展。因此,迫切需要增强区块链的可扩展性,即实现更高的事务数据处理速度(TPS)。

着眼0层的隐形区块传播BBP技术

为了实现更高效的区块链交易数据处理,人们一直在提出区块链扩容的解决方案。目前扩张计划中百花齐放。

一般业内将区块链体系的六个层次,即数据层、网络层、共识层、激励层、契约层、应用层分为三层,自下而上分别为0层(L0)、1层(L1)、2层(L2)。第0层,也称为网络传输层,主要涉及区块链和传统网络的结合。目前主流的扩容方案大多集中在L1层和L2层,通过改进L0层(网络层)扩容成功的案例很少。

第一层扩展方案,也称为链上扩展,是指在区块链基本协议上实现的扩展解决方案。2层扩展方案又称链扩展,是指在不改变区块链底层协议和基本规则的情况下,通过状态通道、侧链等方案提高交易处理速度。然而,所有这些扩展方案都是以牺牲安全性为代价的,这就是区块链上限理论的局限性。

今年4月,来自深圳大学和香港中文大学的区块链研究团队提出了一种全新的L0层块传播和验证技术,即隐形块传播(BBP)技术,该技术无需传输块且不失安全性,突破了CAP理论。

区块链TPS的扩展性探索:为什么说BBP技术带来卓越的性能改变?

(发表在康奈尔大学在线学术网站arXiv上的论文资料)

本文作者注意到,在当前的公共链中,交易中存在重复传输和串行验证的问题。交易的重复发送是指交易本身会在全网单独广播发送一次;事务被打包成块后,在全网范围内随块再次广播传输。事务的串行验证是指将事务打包成块在全网广播后,各验证节点收到块后进行验证。由于这些问题,一个块包含的事务越多,它在网络中传播和验证的速度就越慢,这极大地限制了区块链的TPS。BBP想要实现的是通过消除块中事务数量对传播时间的限制和减少块验证时间来改进TPS。

具体来说,BBP技术只在节点之间传输块头,每个节点预先对新块的事务进行预测、打包和验证。这样,在传输过程中对新块的验证只是预先计算的全局状态和嵌入在块头中的全局状态之间的简单比较。因此,无论每个块中的事务量有多大,其传播时间和验证时间都只是一个块头(固定)的时间,不再受事务数量的限制,每个块可以容纳任意数量的事务。同时,BBP技术利用除了块节点之外,其他节点都在做块计算的原理,将块传播和块验证由串行关系改为并行关系。因此,BBP从基础协议设计上消除了块内事务数量对传播时间的限制,减少了块验证时间,从而彻底改善TPS,释放区块链的性能。

区块链TPS的扩展性探索:为什么说BBP技术带来卓越的性能改变?

(传统区块链和BBP的交易传播和验证方案的比较)

BBP性能扩展突进但挑战犹存

然而,要实现上述技术目标并不容易。有必要考虑许多因素,同时解决几个技术难题:

1.如何在预装一个块之前保证所有节点的预测大致相同?由于分散的区块链节点之间没有假定的信任,原则上,节点可以根据自己的偏好选择事务,并将其分块密封。在以太坊中,节点通常会选择交易,进行排序并打包成块,以最大化气体收益。为了使分散的去信任节点做出的决策一致,新方案必须起到刺激节点的作用,按照共同的规则预封装几乎相同的块。

2.如果节点预测的事务略有不同,应该如何协调?因为区块链运行在分散的P2P网络上,不同节点上的事务很可能是不同的。因此,即使所有节点遵循相同的规则来选择事务并将其预打包成块,这些块也可能不同。值得注意的是,在以太坊中,块内单笔交易的不同或打包顺序的不同,都可能导致块头中验证汇总信息的不同。当节点选择的事务在顺序上稍有不同时,一旦块到达时所有事务都需要重新排序和重新验证,BBP就会失效。因此,新方案应该能够使不同节点做出的事务预测在新块到达之前保持一致。

3.如何处理一些在前期核查过程中没有得到的信息?因为在新块到达之前,用于验证该块的一些信息可能是未知的,所以该块不能执行完整的预验证。比如有些交易可能涉及到矿工相关的比特币基地地址,但是在每个节点的预验证过程中,无法提前知道最终哪些矿工会成功。因此,为了确保整个过程的一致性并使贸易点最有效率,BBP的预先核查过程也必须能够解决这种交易产生的问题。

关于如何解决上述技术问题,BBP技术的提出者给出了目前的方案(详见论文:https://arxiv.org/abs/2204.08769),并在大规模的区块链网络上对BBP进行了实验。结果表明,BBP块的全网传播时间比以太坊短4倍(在能支持最大交易数时)。

结语:目前,区块链网络中的块传播和验证时间制约着TPS的性能。另外,由于很多改善TPS的方案都是以降低安全性为代价的,如何在TPS和安全性之间取得平衡也是一个亟待解决的问题。与以太坊上的协议相比,具有预验证机制的不可见块传播(BBP)可以在不影响安全性的情况下加快块传播速度。更重要的是,BBP的块传播时间几乎与块中的事务数量无关。因此,TPS将不再受块传播的限制。实际上,在实现BBP时,相当于只插入了一个预封装的块模块和一个预验证模块作为事务池的扩展,所以BBP完全兼容其他上下区块链技术。最后,实验结果也证实了BBP在TPS的可扩展性方面具有优异的表现。因此,我们对BBP在皇家区块链体系中的表现寄予厚望。

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