精华篇 | 王嘉平：突破不可能三角「异步共识组Monoxide」（附PPT）
整理 | 传神
出品 | 区块链大本营（blockchain_camp）
近日，CSDN联合创新工场执行董事王嘉平博士于北京成功举办个人见面会之后，业内外技术人士和广大开发者对此极为关注。纷纷表示希望能有机会再深入理解本次演讲内容，能够公开分享演讲资料。在区块链大本营获得创新工场和王嘉平博士本人授权之后，终于为大家献上了本次演讲精华+公开讲义（文末）。
本次见面会是继王嘉平博士于计算机顶级学术会议NSDI 2019上发表一篇名为Monoxide: Scale Out Blockchain with Asynchronized Consensus Zones的轰动性区块链扩容论文后，在国内举办的首场公开技术分享活动。
该论文提出了 Monoxide 方案并获得了业界的高度关注与广泛认可，关键设计就是通过其创新的“异步共识组”（Asynchronized Consensus Zones），将区块链性能提升至比特币的千倍以上，并同时兼顾安全性与去中心化。活动吸引了众多高校学者、开发者以及区块链技术爱好者前来参加，许多观众还带着打印好的原版论文前来请教。
开场时，王嘉平分享了自己对区块链的理解。他认为，区块链最伟大的地方是分布式计算系统的设计，它是在去中心化的系统上设计的，任何人都没有壁垒、可以公平、透明、安全地参与。
首先，王嘉平回顾了这篇论文为何会投在一个分布式系统的会议中。他认为，目前区块链在性能上几乎没有什么提高，容量也没有太大变化，尽管很多公链在谋求某种突破，同时也在控制层面提出了很多方案。但在他看来，如果我们关注的是性能和状态容量的问题，那么它们就跟分布式系统有直接关系，而跟共识算法没什么关系，所以该论文投在一个分布式系统设计与实现的会议中。
从整个学术界的领域来说，这个会议对区块链的关心非常少，这篇论文是NSDI上唯一一篇区块链的论文。
以下是本次分享的重点，王嘉平从两部分展开讲解：
第一部分：从分布式系统的视角，剖析区块链系统的基本工作原理与技术本质，分析目前区块链系统的性能与瓶颈所在。
第二部分：详细讲解今年在USENIX的旗舰学术会议 NSDI 2019 上发布的最新研究成果，如何在保障安全性与丝毫不牺牲去中心化特性的前提下，通过异步共识组架构实现高性能可伸缩的区块链系统，并与大家分享了最新的研究进展与思考。
01
分布式系统视角下的区块链原理与瓶颈
首先，王嘉平博士从结构上剖析了什么是区块链。他认为，从最简单的结构来看，区块链就是一个状态机，它内部有一个状态，这个状态可以是一个树或一堆树，也可以是一个哈希表或一个数据库，这个系统工作是从外部收到input，因为外部系统的不断输入，它会改变自己的状态，这也是所有计算机系统的运作模式。
另外，他也从比特币和以太坊系统设计的角度，来说明什么是状态机以及区块链系统如何运作的，同时也介绍了两者在系统设计上的区别和存在的弊端。
接下来，王嘉平介绍了状态机的性能。他认为，状态机最核心的性能包含几个方面的因素。
第一个方面是状态容量，其最大的瓶颈是内存问题，不是指历时交易要保存下来的问题，而是指当下要记住这个状态。他指出，余额就是一个最典型的例子，比如系统要记住用户余额是多少，为什么余额要存储在状态内存中而不是状态硬盘里呢？因为系统要能够随时随地访问这个数据，当收到一笔交易要验证这个交易的有效性的时，系统就要去访问这个账户里有多少余额，所以这个信息必须要放在内存中，不能放在硬盘里。而目前很多公链系统对状态机没有任何改善。
第二方面是吞吐量，吞吐量就是每秒能处理多少个交易，对于状态机来说就是每秒可以处理多少个inputs。比特币当时设计的整个网络平均带宽比现在低很多，这就是比特币当时为什么用10分钟出一个块，这种非常保守的吞吐量设计。现在比特币的分叉率与当时相比低很多，就是因为现在整个互联网的传输速率比以往高很多，这是最大的不同。后来由于不同公链采用的共识算法的改进，导致吞吐量不同程度地增大。
回到区块链（blockchain）定义和原理上来，王嘉平认为，并不是每个input都是有用的、合法的，每一次input都需要验证，尤其在区块链中，每一次验证是有代价的，同时验证是分批验证，因此就会出现block，这也是为何区块链叫blockchain。
区块链作为一个有验证的状态机，而且还是一个分布式的状态机，不是放在机房里面就可以自己运行的，而是让大家随时随地都能运行，并且保持状态一致。随后，他也进一步介绍了区块链中每个块（block）之间的逻辑关系。
关于区块链的出块速度能达到什么程度呢？王嘉平也给出了解释和证明，他认为区块链的出块速度不可能很快，并用理论公式和技术原理怎么了这一结论。
在TPS的计算公式中：
TPS=BlockSize/（TxSize × BlockInterval）
即每个块的大小除以每个交易的大小与出块间隔的乘积。
对于市面上号称实现百万TPS的区块链，王嘉平也给出了验证和反驳，带宽是有理论上限的，在去中心化的网络中，每个节点不仅要把块收回，还要把块发送出去，所以这里的带宽往往是放大的，若从极端角度来讲，只收块而不送出块，最高的TPS可达到7k多。这也是区块链的核心性能瓶颈。
为何特别强调带宽呢？王嘉平认为，因为在所有计算资源中，唯独带宽不是充分市场化的，内存、硬盘、CPU都可以买到，唯独带宽不行，一是它只有几家运营商能提供，二是高带宽受地理位置的限制。如果提高带宽要求，那就会极大地损失去中心化的程度。
随后，他从计算模式上分析了POW和POS共识算法的区别、出块的机制、解决问题的关键。区块链状态机不仅仅是分布式的，还是去中心化的，出块具有随机性，所有的共识算法是解决由谁来出块，并要达到公平、安全。而共识不仅要解决块由谁来出，还要解决出块冲突的问题。
关于区块链吞吐量的限制问题，王嘉平详细讲解了采用不同共识算法POS和POW的不同，并用函数证明了随着时间推移，全网节点被传播抵达的比例，这条曲线可以直接分析分叉率。
对于区块链不可能三角，王嘉平认为确实存在这个问题，但有个前提假设，如果是单链系统一定会有这个问题，它有安全性、正确性的要求，这意味着全网络节点要复制所有状态；去中心化要求参与门槛低，带宽、CPU、内存要求比较低，否则会有节点参与不进来。在这两个相矛盾的约束下，导致其性能的状态容量不高。
吞吐量就是平均带宽除以交易的大小，单链系统要求每一台电脑维护整个区块链世界交易里涉及的数据，这就决定了其吞吐量不可能太高。
第一部分演讲结束之后，王嘉平针对大家的提问给出了详细的回答。经过短暂的中场休息，活动进入了更为精彩的下半场。
02
异步共识组：高性能可伸缩性区块链系统
第二部分演讲中，王嘉平针对论文提出的 Monoxide方案进行了详细解析。在他看来，这篇论文本质上解决性能这个问题是不需要一个节点去掌控、维护全网交易和数据。并实验中通过2000个分片实现了1000倍的吞吐量提升。
在这样一张曲线图中，横轴是这些节点被划分成了多少个共识组，纵轴是平均每秒处理的交易量。在测试中，最大的共识组数量为2048，此时吞吐量为11694 TPS。这个数字已经远超现今所有公开发表的运行于互联网上的公链项目，当然那些只在机房里面跑，单节点采用怪兽般服务器的项目除外。
世界计算机不是区块链的本质，区块链的核心诉求在于关注计算过程的可信，而不是为了获得计算的结果。这一点是与为了高效将计算完成，获得结果的云计算本质的区别。云计算无法实现向第三方证明其计算过程是可信的，区块链对于计算任务本身也无法向云计算那样的高效和低成本。
王嘉平还强调了区块链去中心化计算是为了让计算变得更加可信，使得实际部署的代码和运算逻辑真实可靠、不可篡改的，而不单单是为了实现计算并输出一个结果的任务。这一点是与为了高效将计算完成并获得结果的云计算本质的区别，云计算无法实现向第三方证明其计算过程是可信的，而区块链对于计算任务本身也无法像云计算那样高效和低成本。
同时，区块链带来的问题和瓶颈是低TPS，难以扩展；每个节点都要复制，所以有带宽的瓶颈；交易要验证，因此对CPU有要求；交易记录要保存下来，因此对硬盘的I/O也有要求；每个节点要存储状态，因此对内存有要求。
为何低TPS是目前区块链系统的通病呢？王嘉平也给出了解释：系统中的每个节点都需要处理网络中出现的所有交易。无论这里的共识算法是什么，PoW、PoS还是BFT，情况总是这样。可伸缩性问题的根本原因不是安全性或去中心化。这是因为它们的系统设计中，让更多节点加入到网络中并不是帮助其工作，只是增加了工作负载的重复。这就是为什么在这些系统中每秒的交易数如此之低。
为了解决区块链系统的可扩展性问题，本篇论文提出了异步共识组。其基本思想是让不同的节点组在网络的不同分区上工作，并称这些分区为组zones。
在该方案中，随着整个网络被划分为更多的组zones，交易吞吐量和状态容量被扩展。共识组由多个同质的、功能上完全一致、地位上也完全平等，并逻辑上尽量隔离的独立共识系统的实例所构成，他们并行工作，分摊全网的吞吐、计算、存储的压力，分摊全网状态的维护工作。
最后，王嘉平针对异步共识组的系统设计进行了详细讲解，并从可扩展性、安全性以及去中心化三个方面进行了深度分析。
活动结束之后，仍有不少观众与王嘉平博士围坐一起，深入交流和探讨学习心得。
更为详细的内容可参考讲义资料，或添加小助手微信（CSDN_qkldby）入群交流讨论。
资料下载地址：
https://pan.baidu.com/s/1Rc7nPiU3rwZXIOhI05NNlQ
提取码: cmui
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