5月13日，巴比特學院2期導師、HPB芯鏈聯(lián)合創(chuàng)始人&CTO許理講授了《區(qū)塊鏈技術瓶頸分析與解決方案探討》。許理從底層技術出發(fā)，分析了目前區(qū)塊鏈存在的性能瓶頸問題并提出相應解決方案。

許理首先展示了一組數(shù)據(jù)，描述當前區(qū)塊鏈行業(yè)TPS現(xiàn)狀。信用卡每秒鐘可處理的交易數(shù)量是4.4萬筆，天貓在2017年雙十一的交易量峰值32.5萬次/秒。對比之下，比特幣和以太坊的處理速度顯得極低，這也是為什么基于區(qū)塊鏈的某些應用目前很難跑起來的重要原因。

接下來許理以以太坊為研究對象，通過大量數(shù)據(jù)，為我們揭示了當前區(qū)塊鏈存在的瓶頸的主要原因。

第一部分：區(qū)塊鏈網絡交易流程

以太坊的交易分為交易發(fā)生、交易確認與出塊兩部分。流程大致如圖所示：

交易發(fā)生

交易確認與出塊

第二部分：性能瓶頸分析

網絡性能、計算與處理性能分析 網絡性能分析包括交易廣播、區(qū)塊同步廣播、總數(shù)據(jù)同步、存儲容量4部分。

第一，從交易廣播看，以太坊中任意一個節(jié)點任意一筆交易需廣播給臨近的25個節(jié)點。以TPS10萬次計算，任意一個節(jié)點需要廣播的數(shù)據(jù)量為：144Byte*25個節(jié)點*100000筆/秒=360，000，000Bps=2.88Gbps。以上行速率4Mbps計算，10萬次突發(fā)交易數(shù)據(jù)，需要12分鐘才能全部廣播完成。

第二，從區(qū)塊同步廣播看，以TPS10萬次/秒計算（峰值），每筆交易入塊數(shù)據(jù)144Byte，同步到臨近25個設備，每秒同步區(qū)塊數(shù)據(jù)量約為：360，000，000Byte，這要求每個節(jié)點理論上行帶寬必須達到2.88Gbps，才能完成全部區(qū)塊廣播。

第三，從總數(shù)據(jù)同步看，許理以某叫車平臺平均交易次數(shù)115筆/秒（均值）計算，每筆交易入塊數(shù)據(jù)144Byte，以10分鐘一個區(qū)塊計算，每個區(qū)塊數(shù)據(jù)量約為：115筆/秒*144Byte*600秒/筆=9，936，000Byte。任意一個節(jié)點，需要廣播的數(shù)據(jù)量約為：9，936，000&TImes;25&TImes;8&TImes;2=3，974，400，000bits=3.9744Gbits。要求每個節(jié)點理論上行帶寬必須達到6.624Mbps，才能完成全部區(qū)塊廣播。

第四，從存儲容量看，以太坊中任意一個節(jié)點，任意一筆交易，以TPS10萬次計算，每秒賬本新增數(shù)據(jù)量：144Byte*10萬筆/秒=14.4MBps，每天新增賬本的容量是：14.4MB*3600*24=1，244，160MB=1.2TB。

計算與處理性能分析

首先是驗簽處理，任意節(jié)點收到一筆新的交易都需要做交易驗證，這部分工作是通過CPU完成。以ETH采用的ECC算法為例，測試系統(tǒng)使用x86，i5雙核2.0G處理器，一次驗簽耗費時間大于20ms。意味著雙核全部做ECC驗簽，每秒鐘處理50次。果遇到突發(fā)上萬TPS時，就會出現(xiàn)交易溢出，系統(tǒng)內存耗盡，崩潰宕機現(xiàn)象。

其次是轉發(fā)處理，任意一筆新的交易同樣由CPU來進行轉發(fā)，ETH的處理方法是每發(fā)一筆交易，在廣播交易事件時，都會導致開啟一個線程。當交易量上升時，線程會逐漸累積，累積過大，可能導致golang虛擬機宕機。而且當交易量較大時，因事件機制不完善，導致交易廣播線程不能順序處理，使得某個賬戶發(fā)送的交易不能按照nonce的順序廣播，其他節(jié)點會拋棄相應交易。

第三部分：解決方案——縱向加速、橫向加速

為突破當前瓶頸，許理提出了兩個解決方案：縱向加速以及橫向加速。

所謂縱向加速解決方案是基于傳統(tǒng)概念鏈技術基礎之上，優(yōu)化減少同步數(shù)據(jù)量，提升網絡帶寬及處理性能的一系列解決方案。具體特點是：

1.采用數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)集群；

2.減少同步數(shù)據(jù)量；

3.提高各節(jié)點網絡帶寬是關鍵；

4.提高各節(jié)點并發(fā)處理性能；

橫向解決方案包括兩種，一種是建立分層結構（Layer2），把不必要的交易從最底層的主鏈分離到附屬結構上，比如比特幣的閃電網跟隨的就是這個思路。另一種是分片技術（Sharding），用于改進主鏈本身的協(xié)議來提高它的性能。