区块链各模块的性能瓶颈与挑战，美丽数据背后的水分

区块链的性能优化是一个热门话题。 但由于区块链系统的复杂性，系统理解性能优化的门槛非常高，这就为“虚假的性能标准”提供了空间。 前有“百万tps”的大跃进，后有“80万tps”的宕机链。

因此，我希望就决定区块链各个模块的性能瓶颈和挑战进行展开，看看那些美丽数据背后的滋润。

1.网络模块

作为一个去中心化的系统，网络通信是整个系统的基础，也有人称之为Layer 0。

我将网络模块抽象为三层：网络设施层、节点连接层、广播协议层。 每一层都是下一层的基础，每一层的性能是下一层性能的上限。

网络模块的带宽和延迟构成了区块链系统的tps和finality延迟的基础。

1.1 网络设施层

带宽：主要取决于网络基础设施的发展和区块链节点的配置要求。 前几年公链的网络配置要求一般在20Mbps到100Mbps。 到 2022 年，Aptos 已经需要 1 Gbps 的网络带宽。 简而言之，带宽要求越高，节点门槛越高，也越中心化。

延迟：延迟有一个优化极限，即光速。 互联网中的传输延迟大于光速延迟。 Conflux 曾测得洲际节点延迟高达 200-300ms。 如果是那种所有节点都在一个数据中心的“机房链”，延迟可以忽略不计。

1.2 节点连接层

节点连接层主要通过邻居节点间的通信实现消息在网络中的广播。

带宽：一般情况下，节点链路层可以获得与网络设施层接近的带宽。 你也可以选择牺牲带宽来减少延迟：例如，当你想广播一条消息时，同时发送给所有邻居（带宽要求加倍），而不是先发送一个再发送下一个。

Latency：消息广播延迟与节点数量有关，节点越多，延迟越高。

目前，比特币和以太坊中大约有几千个节点。 根据我们的实验，如果整个网络在全世界有 10000 个节点，广播延迟的中位数是 3-6 秒，最大可以达到 15 秒。 通过一些协议优化，最大延迟可以再次减半。

但有些公链号称确认延迟为1~2秒，只能支持较少的节点

1.3 广播协议层

节点连接层只负责转发数据块，不管数据是什么。 广播协议层定义了具体的区块和交易转发规则。

带宽：主要在于如何减少冗余传输。 试想一下，如果每个邻居都向你发送相同的交易，那岂不是浪费了？ Shrec 是 Conflux 设计的一种转发协议，通过减少冗余，在相同网络带宽下将广播交易的 tps 提高 6 倍。

但是只要网络设施层的带宽足够高（比如1Gbps），即使不优化，也不会成为这里的瓶颈。

延迟：一些共识协议会将广播协议层的延迟放大数倍。 比如比特币的区块间隔需要5倍广播协议层的延迟，确认需要6个区块。 因此，在这里优化延迟至关重要。 2016 年，比特币通过紧凑的区块设计，将区块广播延迟从 120 秒降低到 10 秒以内。

紧凑块不包含完整的交易，而只包含交易哈希的前 6 个字节，因为这些交易已经在网络中广播并被大多数节点接收。 这样可以加速区块广播，使得广播协议层可以获得接近节点连接层的延迟。 2017年后，高性能公链基本都采用了这种设计。

2. 共识模块

共识协议是区块链系统中最复杂、最微妙的部分。 协调不信任节点，为上层应用提供可信的去中心化服务。 长期以来，共识模块的性能优化一直是热点。

带宽：中本聪共识本身的缺陷导致共识带宽非常低，否则会增加网络分叉，降低系统安全性。

2017年之后的新协议基本上可以充分利用带宽，这已经不是问题了。

但是有些项目混淆了共识模块的tps和区块链系统的tps，将带宽的充分利用称为“无限可扩展”，就好像网络带宽是无限的一样。

延迟：共识延迟是指区块最终确定所需的时间。 中本聪共识的确认延迟很差，大约是广播协议层延迟的30~60倍，而后续的PoW协议如Bitcoin-NG、OHIE等都没有对这个延迟进行优化。 Prism 将延迟优化了 23 倍，将 Conflux 优化了 3 倍。 本人对PoS协议了解有限，估计需要5倍左右的延迟。

但是PoW和PoS协议有很大的区别：PoW指的是最大延迟，PoS指的是中值延迟，最大延迟和中值延迟之间可能有3倍的差异，所以一般的延迟性能PoS共识的更好。 如果节点少，进10秒也不是不可以。 至于拥有PoS共识但速度较慢的以太坊，只能说是奇葩。

共识模块是“参数假标”最严重的地方。 比如你需要等6个区块才能满足安全要求，项目方告诉你1个区块就够了。 反正没人攻击就不会暴露，没有资产也不会有人攻击。

还有一种技术叫sharding：把节点分组，把交易分配给每个组，每个组只处理自己的交易以太坊区块链保存的内容，信任其他组。 通过增加组数，该技术可以轻松获得高tps来吹牛，但相信其他组会带来安全隐患。 因此，分片适用于对安全性要求不高的场景，比如国内的联盟链。

3.执行模块

以太坊之所以能够在比特币之外开辟一片天地，是因为它创造了可编程的数字资产。 因此，交易执行模块也是区块链系统的重要组成部分。 也是早期性能优化中忽略的一个环节。

执行不再区分带宽和延迟，只关心单位时间内处理的事务或计算任务的数量。

执行模块的效率受到计算机系统的各种资源的限制。

3.1 CPU资源

在串行执行中，CPU的性能瓶颈非常明显。 过去 5 年，CPU 单核性能提升不到 1 倍。在 EVM 中，如果不考虑存储访问以太坊区块链保存的内容，最快的 CPU 每秒可执行 1 亿 gas，是当前性能的 80 倍以太坊（仅粗略估计幅度）。

并行执行是利用 CPU 资源的关键步骤。 一些项目正在尝试提出更多的并行语言模型，例如 Move。

根据 Conflux 对 EVM 并行化的研究，目前以太坊链上交易的并行化潜力为 9 倍 tps。

然而，并行化 VM 会带来许多挑战。 例如，在理想情况下，事务是高度并行的； 在最坏的情况下，事务相互依赖，只能序列化。 那么如何设计gas pricing和gas limit，让理想情况下可以充分利用并行优化，最坏情况下执行跟不上呢？

3.2 存储访问资源

和网络设施层一样，这里的性能主要取决于硬件的发展和区块链节点的最低配置。 除非数据缓存在内存中，否则执行事务时的读写性能不能超过硬盘的读写性能。

以Aptos为例，他们节点的存储要求是40K IOPS，一笔交易可能涉及发送方和接收方两个账户的状态修改，即网络最坏情况下只能支持20,000 tps。

但他们宣称的tps是16万，可想而知这背后隐藏着多少先决条件。

3.3 可验证存储结构

可验证存储结构是区块链存储的重要数据结构。 它允许轻节点从它不信任的全节点查询链的状态，这是区块链去信任化中最重要的环节。 在以太坊中，访问可验证存储结构 MPT 比直接访问数据库慢 10 倍。 因此，一些区块链干脆去掉可验证的存储结构，以换取更好的性能。

# 总结

最后总结一下，区块链的性能优化不是一个追求极限的过程，而是在各种约束条件下，在安全性、效率和去中心化之间进行权衡。

可以优化一些权衡。 比如中本聪共识，后来解决了共识带宽和安全性的矛盾。

一些权衡是不可避免的，如果你要求每个节点 256 GB 的内存，你就注定了独立参与者的数量很少。

一味追求纸面上的高性能只会导致中心化的崩溃链。 只有真正面对和解决性能优化中的问题，才是提升性能的正途。

限于篇幅，还有很多安全相关的注意事项没有提到。 但是上面的内容，已经足够打破很多蛋糕了。

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