BeWater大會｜HECO 技術負責人Andrew：公鏈架構優化的新四化建設_HEC

2021年9月4日，BeWaterDEVCON全球開發者大會在北京舉辦，來自各地的近百位區塊鏈開發者齊聚北京，圍繞編程語言、密碼學、去中心化協議、隱私技術、安全計算、開放金融等領域展開深入探討。在提到公鏈的可擴展性問題時，來自海內外的開發者們對當前備受市場關注的分片、Layer2、側鏈等技術解決方案展開了激烈的討論。HECO技術負責人Andrew系統地分析了當前公鏈賽道存在的可擴展性難點，并詳細介紹了現有公鏈可擴展性解決方案的優缺點。Andrew認為Layer1方案是對區塊鏈平臺的擴展，而Layer2技術是對區塊鏈應用的擴展，Andrew將Layer1擴容架構分為3大類：分片、DAG和大區塊，將Layer2擴容架構分為側鏈子鏈、狀態通道和Rollup三大類。另外，Andrew重點分享了HECO在公鏈擴展性理念和實踐中的經驗和總結，“HECO回到公鏈擴展性問題的原點，立足于公鏈自身的架構優化，只要保證區塊鏈特有的約束和語義不被破壞的提前下，軟件和互聯網領域成熟優秀的工程優化經驗是可以充分借鑒和利用的。”基于以上觀點和認知，Andrew提出公鏈架構優化的新四化建設：1）在保證鏈式結構的提前下，對架構進行模塊化，對組件進行充分拆分和解耦；2）在保證線性語義的提前下，對執行進行并行化，實現多階段流水線作業；3）在保證狀態一致性的前提下，進行異步化改造，將阻塞式的I/O操作放在后臺處理；4）在保證透明安全的前提下，進行本地化多級緩存優化。Andrew在分享過程中提到，HECO當前性能優化成果是BSC的1.3倍以上，對Geth的性能提升更是達到了1.5倍以上，未來HECO也會有計劃地將這些優化經驗貢獻給Geth社區。演講最后，Andrew提出“CAB定律”——CryptoAndyandBill’slaw，他認為未來10-20年，大部分基礎網絡、基礎硬件、基礎安全的技術紅利都會被區塊鏈行業充分吸收并極致發揮，HECO未來將持續在Layer1擴展性之路上深入探索。以下為Andrew演講全文：公鏈擴展性問題和解決方案

波卡平行鏈Moonbeam已恢復出塊:金色財經報道，波卡平行鏈Moonbeam推特稱，最近Moonbeam區塊鏈生產問題的根本原因已經確定，團隊已經以客戶端升級的形式部署了一個解決方案。Moonbeam現在正在出塊。

隨著所有節點更新到最新版本 0.30.3，區塊生產將繼續增加。據此前消息，Moonbeam網絡于北京時間晚上10:45左右出現宕機事故。[2023/4/6 13:47:14]

區塊鏈技術的本質是擴展信任的邊界、組織的邊界和協作的邊界，但在不斷擴展業務邊界的道路上，技術自身卻受到了擴展性問題的制約。

最明顯的就是以太坊主網，上圖是截止到Q2的智能合約TVL鎖倉量，可以看到以太坊的份額正在持續被其他公鏈所蠶食；原因大家都知道，網絡嚴重擁堵，手續費高昂；但根本的原因還是以太坊主網的擴展性不夠。講到這里相信大家都會想到區塊鏈不可能三角，那去中心化、安全性和可擴展性三者真的不可兼得嗎？其實區塊鏈不可能三角問題是沒有被嚴格定義和證明的，并不能等同于分布式領域的CAP，區塊鏈領域內學術界和工業界有多層次多類型的擴展性解決方案，比如分片以及最近很火的Layer2Rollup方案。

Moonbeam Network：三箭資本僅是Moonbeam基金會資金管理服務的多個提供商之一:7月19日消息，Moonbeam Network官方表示，Moonbeam與三箭資本簽訂了貸款協議，作為流動性和資金管理服務的一部分。基金會預計這不會對其持續的業務運營產生有意義的影響。三箭資本是基金會用于此類管理服務的多個提供商之一，貸款協議僅代表基金會賬戶的一部分。

此前消息，三箭資本欠Moonbeam基金會超2700萬美元。[2022/7/19 2:24:05]

分片作為平臺級擴展方案雖然潛力很大，但其安全假設和模型在實際落地中并不容易滿足、要支持通用的高級智能合約完整語義困難重重、很多場景下跨片交易帶來的開銷大于對吞吐提升帶來的收益；Rollup方案通過平臺合約和二層應用相結合的方式，在安全性和吞吐方面有一定的優勢，但當前還只是對特定應用的擴展，還不能擴展到通用平臺層面。DeFi業務的興起又給公鏈的擴展性提出了新的要求，DeFi應用非常注重可組合性，合約之間的調用需要像搭建樂高積木一樣便捷，而分片和Layer2技術的共同問題是引入的分布式事務的復雜性，對DeFi應用不夠友好。所以當重新回到問題的原點，立足于公鏈自身的架構優化時，我們會發現，只要保證區塊鏈特有的約束和語義不被破壞的提前下，軟件和互聯網領域成熟優秀的工程優化經驗是可以充分借鑒和利用的。這里我將其總結為公鏈架構優化的新四化建設：1）在保證鏈式結構的提前下，對架構進行模塊化，對組件進行充分拆分和解耦；2）在保證線性語義的提前下，對執行進行并行化，實現多階段流水線作業；3）在保證狀態一致性的前提下，進行異步化改造，將阻塞式的I/O操作放在后臺處理；4）在保證透明安全的前提下，進行本地化多級緩存優化。其實行業內已經出現了和我們想法類似的公鏈，比如Flow和Solana。下面我們分別介紹一下二者的核心設計。Flow是一條主打NFT的垂直行業公鏈，其核心理念是對交易處理過程中的共識和執行進行解耦。主要有兩個創新點：1）分角色節點架構，因設計人員發現節點間的處理能力差異拉低了整個網絡的性能和擴展性，因此Flow將網絡中的節點分為收集、共識、執行和驗證4類，讓大量的低配節點只負責共識，保證網絡的安全性，而少量的高配節點只負責執行，從而提升網絡整體的處理能力。

Swarm發布Beev1.4.0版本客戶端，節點無法訪問將與Swarm斷開連接:11月8日，去中心化存儲網絡Swarm宣布將推出Beev1.4.0版本客戶端。據悉，為提升Swarm網絡穩定性，本次更新后仍無法訪問的節點和連接不穩定的節點將自動與Swarm停止連接。[2021/11/8 6:39:19]

2）引入流水線機制，進行跨區塊BlockSeal，從而避免區塊間的相互等待。

Solana是一條發展迅猛的全行業公鏈，最大的創新是PoH，一種可驗證的對時間采樣和事件排序的方法，可以作為網絡全局時鐘，從而實現全網節點對相對時間的統一度量和消息的高效通信；而TowerBFT共識則是在PoH全局時鐘的基礎上，實現了對PBFT消息傳輸和VC優化。其他的優化點像大區塊分片EC編碼和分層傳輸、流水線化充分利用硬件資源、并行合約執行等，都是在高TPS下必須要做的工程實現，當然想到不代表做到，Solana在公鏈架構優化工程實踐層面走的是比較靠前的。

Coinbase Pro將上線IOTX、ORN、QUICK、TRIBE和UST:金色財經報道，據官方公告消息，Coinbase Pro將上線IoTeX（IOTX）、Orion Protocol（ORN）、Quickswap（QUICK）、Tribe（TRIBE）和TerraUSD（UST）。一旦滿足流動性條件，交易將在太平洋時間8月11日上午9點或之后開啟。[2021/8/11 1:47:13]

Flow和Solana都是在公鏈架構優化層面不錯的案例，這也讓持有相同理念的HECO在行進的道路上不覺孤單，當然HECO相比于Flow和Solana還有一個更大的特點就是完全兼容以太坊和EVM。下面就一起來了解一下HECO在擴展性方面的實踐和成果。HECO公鏈擴展性理念和實踐

首先來看一下HECO的戰略定位，HECO作為整個DeFi平臺的技術底座和生態基礎設施，承載著上層資產、應用和流量入口的所有核心業務，而HECO自身的技術矩陣又可以按資產安全、容量性能、網絡規模、應用生態4大維度細分為12個核心模塊，接下來給大家分享的主要是我們在容量性能相關的交易執行、狀態存儲等方面的優化工作。

Bella Flex Saving上線WBTC存取與質押功能:Bella Flex Saving于2月22日20:00新增WBTC存取與質押功能，用戶可以存入WBTC實現自動復利，質押bWBTC獲取質押激勵。同時將按計劃進行第3周的質押激勵方案，本周共獎勵9.5萬枚BEL代幣，價值超26萬美元。[2021/2/22 17:40:44]

容量性能優化首先要明確其理論模型，HECO當前還是基于最長鏈的POA+POS共識，在出塊時間方面一定要保證可以cover住區塊打包+區塊傳播+交易二次執行和驗證的時間。那反過來想就是如果可以進一步降低交易執行和區塊傳播時間，就可以在一個區塊內納入更多的交易，從而有效提升網絡整體的吞吐。左圖是我們整理的擴展性瓶頸以及優化的層次，右圖是當前整體優化后的效果，可以看藍色的線，HECO已經可以安全地將BlockGasLimit設置到100MGwei以上，TPS可以到1500+。下面來展開幾個代表性優化。

首先來看并行執行優化，大家都知道以太坊節點的一大瓶頸就是其MPT狀態樹，HECO針對狀態樹更新做了很多并行優化，比如多賬戶之間可以無關聯地并行RLP編碼，更新StorageTrie，并行計算StorageRoot等，還有并行計算區塊bloom和receiptRoot等。并行執行整體優化效果是可以將區塊內交易執行時間降低30%以上。

再來看存儲流水線優化，當區塊執行完成之后，需要進行寫塊、更新snapshot和狀態提交3步存儲更新，分析發現狀態提交是耗時最長的，而且可以和下一個區塊執行進行流水線優化，即上一個區塊完成更新snapshot就可以開始下一個區塊的執行，但同時也要保證上一個區塊狀態提交完成之后才開始下一個區塊的狀態提交，從而保證狀態提交的順序性和一致性。通過存儲流水線優化，HECO基本上將存儲更新在整個成塊時間中串行的占比降低了90%以上，效果還是非常明顯的。

同時HECO對合約Bitmap、短數據Hash計算結果等緩存優化也取得了不錯的成果，將區塊內交易執行時間降低了31.46%。

HECO技術團隊將我們性能優化的代碼分別patch到BSC和Geth的主干上，并放在BSC和以太坊主網去同步區塊和執行交易進行實測對比，結果是HECO優化的性能是BSC的1.3倍以上，對Geth的性能提升更是達到了1.5倍以上。當然HECO也會有計劃地將我們的優化貢獻給Geth社區。

回顧HECO擴展性路線，我們始終秉承著DeFi友好和完全兼容以太坊兩大原則。相信區塊鏈技術同行一路走來或多或少都會有這樣的疑問，比如區塊鏈平臺的發展還要走互聯網工程化的老路嗎？密碼朋克的寶盒里還有多少魔法沒有放出來？HECO認為路線和主義之爭不會影響區塊鏈的高速發展，組合創新才是區塊鏈技術最大的魅力。而且我們認為軟件行業曾經的安迪比爾定律在區塊鏈行業同樣適用，我們稱其為“CAB定律”——CryptoAndyandBill’slaw：未來10-20年，大部分基礎網絡、基礎硬件、基礎安全的技術紅利都會被區塊鏈行業充分吸收并極致發揮。所以HECO會持續在Layer1擴展性之路上砥礪前行。

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