簡版 區塊鏈本質論(3): 性能本質之吞吐量

區塊鏈本質論

區塊鏈被大家關注件好事情，但非常不希望看到各種區塊鏈項目盲目上馬，造成各種社會資源的浪費。區塊鏈技術本身尚在發展階段，還有很多核心技術問題有待突破，對區塊鏈技術本質還充斥著各種不同的理解。后面幾天我們將就區塊鏈的計算本質，技術難點，業務調整，社會影響等方面和大家分享。

(3) 性能: 吞吐量、確認延遲和狀態容量

咱買個電腦，大家都知道要看處理器(CPU)的速度，每秒能處理多少指令；也會要看內存容量，這基本上決定了我們能同時開多少個應用，打開多大的文件并且不卡。區塊鏈系統，也是類似，吞吐量類似于一臺電腦的CPU處理速度，決定了每秒可以處理多少個交易；而狀態容量類似于一臺電腦的內存容量，決定了整個系統可以承載多少個用戶(地址)在各個應用里面的狀態。

過去一周USDC流通量減少65億美元:金色財經報道，據Circle官方數據，3月10日至3月17日期間，Circle共發行22億美元USDC，贖回87億美元USDC，流通量減少約65億美元。截至3月17日，USDC總流通量為369億美元，儲備量為371億美元，其中現金81億美元，短期美國國債290億美元。[2023/3/19 13:12:55]

有個額外的指標是確認延遲，這個源自一個很奇特的現象。區塊鏈系統可以接受一個交易，但是沒處理或者沒處理完，就開始接受下一個交易了。這個時候你就會發現，例如每秒100個交易的處理吞吐量，并不是你發一個交易，1/100秒之后這個交易就處理完，并且被確認了。通常每個交易會需要歷經更多的時間，才最終得以確認。

Fusionist Alpha Prestige NFT系列地板價7日漲幅達85%:1月6日消息，OpenSea數據顯示，Alpha Prestige - Fusionist系列地板價達2.89 ETH，過去七天漲幅達85%。

據此前報道，Binance NFT市場將推出新一輪首次游戲資產發售（IGO）“Fusionist-Bi·Mech”NFT系列，該系列的發布將遵循BNB先決條件功能作為申購機制的一部分，準備階段將于2023年01月09日08:00啟動。[2023/1/6 10:58:55]

比特幣性能很弱雞，大家都知道，大約平均每秒處理7個交易。每個交易僅包含幾個大整數的加減法，如果單純是計算這些交易，隨便拿個筆記本每秒都能算上百萬的交易。那為啥比特幣這么慢呢？先說個結論，這個事情不能賴在共識算法頭上，這不是PoW的問題。

LooksRare NFT市場總用戶量突破10萬:金色財經報道，據Dune Analytics數據顯示，LooksRare NFT市場總用戶量已突破10萬，本文撰寫時為109,792，交易總量超27萬筆（當前為270,752筆），交易總額達到26,415,383,830美元。[2022/8/8 12:08:52]

比特幣慢，有人說是PoW的難度很高，要十分鐘才算一個塊，也有人說比特幣需要大量的算力才行。這些其實都是誤解，把因果搞反了。十分鐘才出一個塊，是因為協議就是這么定的，不讓出太快。如果大家算力多了，出塊出得快了。比特幣網絡的算力調整算法會自動加大PoW難度，使得出塊速度始終保持在十分鐘一塊的樣子。需要大量的算力，是因為大家都要搶著去參與比特幣的這個共識過程，因為每搶到一次機會，獎勵25個比特幣呀，看了一下，今天9000多美元一個。

巴西經紀商XP Inc擬于8月開放其數字資產交易平臺:7月25日消息，巴西經紀商XP Inc預計將于8月份向客戶開放其數字資產交易平臺，最初會支持比特幣和以太坊，今年年底之前會持續進行擴展。（路透社）[2022/7/25 2:36:16]

所以，就這樣參與比特幣共識的算力越來越多，PoW的難度也越來越高，就是我們今天看到的狀況。但是這個的PoW算力，只是在爭搶出塊機會，這個算力再大，也不會使得比特幣處理交易的速度有絲毫的提升。比特幣系統，吞吐量低的原因是因為，其最初上線的時候，順應當時的底層互聯網的通訊能力，設定了每十分鐘出一個塊，每個塊大小為1M字節。然后每個交易差不到需要200到300個字節，然后綜合起來就是這個大概7幾個交易每秒的吞吐量了。

為什么比特幣系統要這樣設計呢？不能出塊間隔小一點，或者每個塊大一點嗎？到底是什么被什么東西限制住了呢？答案是，

網絡帶寬從根本上限制了區塊鏈的吞吐量

這就是為什么，我去年還看項目的時候，對于那些吹幾十萬幾百萬TPS的項目。我一般就問一個問題，你的系統跑起來需要多少帶寬？要那么高的帶寬，你就只能把所有節點放在一個機房里面，用局域網連起來，這不是區塊鏈，這叫做云服務 .....

咱開頭第一篇就講到，區塊鏈是在一個松散分布的節點之間，接力執行計算的過程。那么，計算的過程要能被接力，那就意味著每個節點都需要獲得這個計算的最新的上下文，最新的數據和狀態。在區塊鏈里面，具體的做法是，有節點出了一個塊之后，必須要有足夠的時間，讓大部分其他參與者都同步到這個新的塊，然后再出下一個塊。就是因為這個原因，吞吐量會受到網絡帶寬的限制，不能太高，否則區塊鏈網絡就會無法達成共識的一致性。

然后，畢竟我們現在的互聯網已經比起10年前要快不少了。所以，現在把比特幣網絡加快幾十倍其實根本不需要什么算法的改進，改大塊大小，改小出塊間隔就可以輕松實現至少幾十倍的吞吐量提升。但是如果要進一步提高，并且還要保證其去中心的程度，這就有很大的理論挑戰了。

這里需要強調一下，去中心的程度和性能是有矛盾的。去中心的程度要求，盡量多的人可以參與到網絡里面來，可以自己運行一個節點。那么，帶寬要求就不能太高，要匹配互聯網接入的平均帶寬水平。為什么DPOS(例如 EOS)這么高吞吐量？因為它去中心的程度基本沒有，無異于云服務，那么他就可以利用非常高的帶寬，是普通互聯網接入帶寬的幾千倍，那么吞吐量當然就輕松提升了。

隨著吞吐量的提升，除了帶寬，對每個節點的CPU處理能力，磁盤的讀寫能力也都會有更高要求。這里強調帶寬，不僅僅是因為帶寬是首要瓶頸，更是因為高帶寬對去中心的程度有極大的傷害，因為高帶寬的接入受到地理位置的限制，基本上只能在數據中心。而CPU, 磁盤的升級，完全不受地理位置的約束。

后面幾篇，我們繼續聊性能的其他兩個方面。這一篇的擴展閱讀:

國際計算機網絡系統頂會NSDI 2019，發表了王嘉平博士團隊關于高性能并行分片區塊鏈系統的論文，這是中國人自主研發成果在區塊鏈核心算法領域首次得到國際專家和同行的認可。王嘉平博士原為微軟研究院主管研究員，專注分布式系統，計算機圖形學和視覺以及用于機器學習的GPU集群等領域的研究，有數十項研究成果發表于ACM SIGGRAPH/ToG頂級國際期刊，已授權的美國專利十余項。他師從沈向洋博士(現微軟全球執行副總裁)，在中科院計算所獲得博士學位。他的博士論文獲得2009年度全國百篇優秀博士論文獎，是該年唯一一名計算機科學專業的獲獎者。

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