📜 [專欄新文章] 區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸
✍️ Ping Chen
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使用管線化(Pipeline)技術可以提升區塊鏈的處理效能,但也可能會產生相應的代價。
Photo by tian kuan on Unsplash
區塊鏈的擴容方案
說到區塊鏈的效能問題,目前討論度最高的應該是分片(sharding)技術,藉由將驗證者分成多組的方式,可以同時分別處理鏈上的交易需求,即使單分片效能不變,總交易量可以隨著分片/驗證者集的數量線性增加。
除了分片,另一個常用來提升程式效能的方案是將計算步驟拆解,以流水線的方式將複雜的運算攤平,降低系統的閒置時間,並大幅提升工作效率。為了達到管線化預期的目的,會需要先知道系統的瓶頸在哪。
區塊鏈的效能瓶頸
熟悉工作量證明設計哲學的人應該會知道,區塊鏈之所以需要挖礦,並不是為了驗證交易的正確性,而是要決定交易的先後順序,從而避免雙花和帳本分裂的發生。可以說,區塊鏈使用低效率的單線程設計,並付給礦工高額的成本,都只為了一件事,就是對交易的全局排序產生共識。
在這樣的基礎之上,區塊鏈在一段時間內可以處理的交易數量是有限的,這之中包含許多方面的限制,包括 CPU 效能、硬碟空間、網路速度等。其中,關於 TPS(每秒交易數) 提升和對硬體的要求大致上是線性增加的,但在設計共識演算法時,通訊複雜度常是平方甚至三次方的關係。
以現在的目標 TPS 來說,處理交易和生成一個合法的區塊並不困難,只是因為區塊鏈的特性,新區塊需要透過洪水法的方式擴散到全網路,每個節點在收到更新請求的時候都要先執行/驗證過區塊內的交易,等於整個廣播的延時會是「驗證區塊時間×經過的 hop 數量」這麼多。似乎網路越分散、節點越多,我們反而會需要降低計算量,以免讓共識不穩定。
管線化的共識機制
使用權益證明取代工作量證明算是行業發展的趨勢,除了環保或安全這些比較顯然的好處之外,權益證明對產生共識的穩定性也很有幫助。首先,權益證明在同一時間參與共識的節點數是已知的,比較容易控制數量級的邊界;其次,權益證明的出塊時間相較工作量證明固定很多,可以降低計算資源不足或閒置的機率。
相較於工作量證明是單一節點出塊,其餘節點驗證,權益證明的出塊本身就需要很多節點共同參與,瓶頸很像是從驗證轉移到通訊上。
以 PBFT 為例,每次產新區塊都需要經過 pre-prepare, prepare, commit 三個階段,你要對同意驗證的區塊簽名,還要對「你有收到某人的簽名」這件事簽名,再對「你有收到 A 說他有收到 B 的簽名」這件事簽名,過程中會有很多簽名飛來飛去,最後才能把一個區塊敲定。
為了降低每兩個區塊間都需要三輪簽名造成的延遲,後來的共識演算法包括 HotStuff 和 Casper FFG 採用了管線化的區塊驗證過程。也就是對區塊 T 的 pre-prepare 同時是對 T-1 的 prepare 和對 T-2 的 commit。再加上簽名聚合技術,出塊的開銷在複雜度等級和係數等級都降低許多。
然而,要保持管線化的區塊生產順利,需要驗證者集合固定不變,且網路通訊狀況良好。如果會經常更動驗證者集合或變換出塊的領導者,前後區塊間的相依性會是個大問題,也就是 T 的驗證者集合取決於 T-1 裡有沒有會導致刪除或新增驗證者的交易,T-1 的合法性又相依於 T-2,以此類推。
當激烈的分叉出現的時候,出塊跟共識的流水線式耦合就從優雅變成災難了。為了避免這種災難,更新的共識演算法會限制驗證者變更的時機,有些叫 epoch 有些叫 checkpoint,每隔一段時間會把前面的區塊徹底敲定,才統一讓驗證者加入或退出。到這些檢查點的時候,出塊的作業流程就會退化成原本的三階段驗證,但在大部分時候還是有加速的效果。
管線化的狀態更新
另一個可以用管線化加速的是區塊鏈的狀態更新。如前所述,現在公鏈的瓶頸在於提高 TPS 會讓區塊廣播變慢,進而導致共識不穩定,這點在區塊時間短的以太坊上尤其明顯。可是如果單看執行一個區塊內的交易所花的時間的話,實際上是遠遠低於區塊間隔的。
只有在收到新區塊的時候,節點才會執行狀態轉移函數,並根據執行結果是否合法來決定要不要把區塊資訊再廣播出去。不過其實只要給定了交易集合,新的狀態 s’ = STF(s, tx) 應該是確定性的。
於是我們有了一個大膽的想法:何不乾脆將交易執行結果移出共識外呢?反正只要大家有對這個區塊要打包哪些交易有共識,計算的結果完全可以當作業留給大家自己算吧。如果真的不放心,我們也可以晚點再一起對個答案,也就是把這個區塊執行後的新狀態根包在下個區塊頭裡面。
這就是對狀態更新的管線化,在區塊 T 中敲定交易順序但暫不執行,區塊 T+1 的時候才更新狀態(以及下一批交易)。這麼做的好處十分顯而易見,就是將原本最緊繃的狀態計算時間攤平了,從原本毫秒必爭的廣播期移出來,變成只要在下個塊出來之前算完就好,有好幾秒的時間可以慢慢來。新區塊在廣播的每個 hop 之間只要驗證交易格式合法(簽名正確,有足夠的錢付手續費)就可以放行了,甚至有些更激進的方案連驗簽名都省略了,如果真的有不合法交易混進去就在下個區塊處罰礦工/提案者便是。
把負擔最重的交易執行移出共識,光用想的就覺得效能要飛天,那代價呢?代價是區塊的使用程度會變得不穩定。因為我們省略了執行,所以對於一筆交易實際用掉多少 gas 是未知的。本來礦工會完整的執行所有交易,並盡可能的塞滿區塊空間,然而在沒有執行的情況下,只能以使用者設定的 gas limit 當作它的用量,能打包的交易會比實際的上限少。
緊接著,下一個問題是退費困難。如果我們仍然將沒用完的手續費退還給使用者,惡意的攻擊者可以透過發送 gas limit 超大,實際用量很小的交易,以接近零的成本「霸佔」區塊空間。所以像已故區塊鏈 DEXON 就直接取消 gas refund,杜絕濫用的可能。但顯然這在使用者體驗和區塊空間效率上都是次優的。
而最近推出的 smartBCH 嘗試擬了一套複雜的退款規則:交易執行後剩餘的 gas 如果小於 gas limit 的一半(代表不是故意的)就退款;如果剩餘量介於 50%-75% 可以退一半;超過 75% 推斷為惡意,不退款。乍看是個合理的方案,仔細一想會發現製造的問題似乎比解決的還多。無論如何,沒用掉的空間終究是浪費了,而根據殘氣比例決定是否退款也不會是個好政策,對於有條件判斷的程式,可能要實際執行才知道走哪條路,gas limit 一定是以高的情況去設定,萬一進到 gas 用量少的分支,反而會噴更多錢,怎麼想都不太合理。
安全考量,退費大概是沒希望了。不過呢,最近以太坊剛上線的 EIP1559 似乎給了一點方向,如果區塊的使用程度能以某種回授控制的方式調節,即使偶爾挖出比較空的區塊似乎也無傷大雅,也許能研究看怎麼把兩者融合吧。
管線化方案的發展性
考慮到以太坊已經堅定地選擇了分片的路線,比較激進的單鏈高 TPS 管線化改造方案應該不太有機會出線,不過管線化畢竟是種歷史悠久的軟體最佳化技巧,還是很有機會被使用在其他地方的,也許是 VDF 之於信標鏈,也許是 rollup 的狀態轉換證明,可以坐等開發者們表演。
倒是那些比較中心化的 EVM fork/sidechain,尤其是專門只 for DeFi 的鏈,管線化加速可以在不破壞交易原子性的前提下擴容,確實是有一些比分片優秀的地方可以說嘴,值得研究研究,但這就要看那些機房鏈們有沒有上進心,願不願意在分叉之餘也投資發展自己的新技術了。
給我錢
ping.eth
區塊鏈管線化的效能增進與瓶頸 was originally published in Taipei Ethereum Meetup on Medium, where people are continuing the conversation by highlighting and responding to this story.
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同時也有281部Youtube影片,追蹤數超過14萬的網紅れぷちん,也在其Youtube影片中提到,今日はデッドバイデイライトのPTBで まさかの新サバイバーが実装されましたので 新サバ「ミカエラ・リード」の固有パーク解説と 新システム「恵みのトーテム」を解説しました! ※PTBの内容なので実装時に変更される可能性があります。 ▶今回のPTBの調整内容のまとめ動画 前編 https://www...
tps速度 在 Inside 硬塞的網路趨勢觀察 Facebook 的最讚貼文
#以太坊的倫敦前夕|雖說以太已經是現在全世界第二大的公鏈,但以太坊 1.0 本身每秒交易處理速度目前只有 15-19 次,要達到「世界電腦」的理想還是差得遠。
那要怎麼解決以太提升處理速度的大哉問呢? 而這就要來談談 Layer 2 擴充方案:
#以太坊 #倫敦硬分叉 #虛擬貨幣
tps速度 在 每日幣研 Facebook 的精選貼文
【✨#Solana-#DeFi 生態介紹】
公鏈是塊槍林彈雨、競爭激烈的戰場,其中有赫赫有名的以太主網及幣安智能鏈, 還有更多對手如 layer 2 (matic、fantom)側鏈以及 EVM 兼容的鏈(Avalanche)加入戰局。
在這競爭者環伺的賽道上,『快速的網絡』是 Solana 的最大特色, TPS (系統在每秒的交易量)是用來判斷處理交易速度的指標。Solana 的 TPS 為 50000~65000 次,比特幣的 TPS 為 7 次,以太坊為 10 ~20 次,由此可見, Solana 的交易就有如在高速公路上快速奔馳。
❓Solana 為什麼可以那麼『快』?
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主要是因為它獨特的共識演算法,把時間帶入了區塊鏈,就好比創造了一個去中心化的區塊鏈時鐘,為每筆交易排出順序,以方便不同節點達成共識,而創造出快速的交易。
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【Solana DeFi 農夫入門!輕鬆進入 Solana 生態- 以 Raydium 平台為例】
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tps速度 在 れぷちん Youtube 的最讚貼文
今日はデッドバイデイライトのPTBで
まさかの新サバイバーが実装されましたので
新サバ「ミカエラ・リード」の固有パーク解説と
新システム「恵みのトーテム」を解説しました!
※PTBの内容なので実装時に変更される可能性があります。
▶今回のPTBの調整内容のまとめ動画
前編
https://www.youtube.com/watch?v=hzcUJpmqjHQ
後編
https://www.youtube.com/watch?v=W2zbVf2Hs2w
▶ミカエラ・リードの固有パーク
・千里眼
トーテムを浄化すると効果発動。
何も持っていない状態でアビリティ発動ボタンを押すと
10秒間、64m以内にある脱出ゲートのスイッチ、発電機
フック、チェストのオーラが視えるようになる。
・恵み:癒しの輪
無力なトーテム、または呪いのトーテムを清めて
恵みのトーテムにすることで効果発動。
28mの範囲内にいる間、生存者の治療速度が100%上昇し
更に医療キットなしでも自己回復できるようになる。
・恵み:シャドウステップ
無力なトーテム、または呪いのトーテムを清めて
恵みのトーテムにすることで効果発動。
28mの範囲内にいる間、生存者の赤い傷マークと
オーラが殺人鬼から視えなくなる。
この効果は範囲外にでも4秒間持続する。
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tps速度 在 れぷちん Youtube 的最佳解答
今日はデッドバイデイライトの次の新キラー
「セノバイト」(ピンヘッド)の解説動画となります!
セノバイトはホラー映画「ヘルレイザー」とのコラボキラーで
鎖を扱い、生存者を拘束して戦う殺人鬼となってます。
基本性能や特殊能力、固有パークを解説後
メメントモリと実戦になります。
▶目次
0:00~ 挨拶
0:43~ 基本性能
1:30~ 特殊能力
9:25~ 固有パーク
16:28~ メメントモリ
18:08~ 実戦
▶セノバイト 固有パーク
・「デッドロック」
発電機の修理が完了すると、最も修理の進んでる発電機を30秒間ブロックする。
ブロックされている発電機は白いオーラで表示される。
・「呪術:玩具」
生存者を初めてフックに吊るしたとき、その生存者が呪縛状態に陥り
無力なトーテムが呪術:玩具の呪いのトーテムに変わる。
呪縛状態の生存者はそのトーテムを浄化するまで忘却状態になる。
呪縛状態の生存者は呪術:玩具のトーテムから16m以内にいると
オーラを視ることができる。
呪縛効果を与えているトーテムは自分自身でしか浄化できない。
・「悶絶のフック:苦痛という名の賜り物」
儀式開始時最大4つのフックがランダムに悶絶のフックに変更される。
悶絶のフックに吊るし、救助された生存者は
完全に回復するまで出血と重傷のステータス効果がかかり
その生存者が初回回復時、再び負傷するまで
治療と修理の速度が9%ずつ減少する。
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tps速度 在 Fields Food Youtube 的最佳解答
現在、PS4/PS5で無料ダウンロードできる新作バトロワ。
一度ダウンロードすればずっと遊べます!
本日(8月6日)早速バランス調整のパッチが当たりました。
https://store.steampowered.com/news/app/1061100/view/2993190917109076378
それに伴って本日18:00~20:00までメンテナンスとのこと。
最強キャラと言われたモモさんに凄く調整が入ってる…。
「モモ」
ー攻撃力と体力を下方修正しました。
ー通常攻撃の飛び道具の速度を下方修正しました。
ー4番目の通常攻撃の後ディレイを伸びました。
ー2番スキル、「粉砕する氷」の後ディレイを伸びました。
ーモモの攻撃をガードするとき消費される気力の量が減少しました。
ちなみにPCとのクロスプレイ対応ですがランカーは殆どPS勢です。
どうやら同時接続数が3万人超えたっぽい。この手のゲームでそれは凄い!
[一緒に遊んだPIKASONICさん]
https://www.youtube.com/channel/UC2ne9XqtBWKJKLfIAKtmjAg
[超絶に必死さを感じられる公式ツイッター]
https://twitter.com/HuntersArena_JP
運営は日本語話せる海外ニキがやっております。
[ゲームのURL]
(PC版)パソコン版は有料です
https://store.steampowered.com/app/1061100
PS4/PS5と同じサーバーで遊びます。
(PS4/5版)8月PS Plusフリープレイタイトル
提供期間:8月3日(火)~9月6日(月)
https://blog.ja.playstation.com/2021/07/09/20210709-sop-hunters/
フリープレイ終了後は恐らく2000円くらいで販売する予感。
[使った音楽]
Track: TrungHieu - Childhood [UXN Release]
Music provided by UXN
Watch: https://youtu.be/biEXWTNskKo
Track: DG812 - Flying Whale [UXN & King Step Release]
Music provided by UXN
Watch: https://youtu.be/7S8HenjwEZY
Free Download / Stream: https://fanlink.to/DG812birthday
Track: TrungHieu - Homesick [UXN Release]
Music provided by UXN
Watch: https://youtu.be/Dg9R62EV4Dg
Free Download / Stream: https://fanlink.to/uxaug2518
HYP3RLAPS3 x sTayU - Heartiest
https://youtu.be/L_ea7hU6prw
● Music Released and Provided by Tasty
● Song Title: MYKOOL - Recall EP [Tasty Release]
● Music Video: https://youtu.be/erj8y8QP810
● Download: https://tasty.network/MykoolRecallEP
PIKASONIC - Field
https://youtu.be/H-0ndUsJXJE
BUY:https://pikasonicofc.bandcamp.com/track/field