Polkadot 官方發(fā)文：如何幫助平行鏈提升 10 倍吞吐量？

Parity 工程師 Dmitry Sinyavin 解釋了 Polkadot 平行鏈可以將吞吐量提高 10 倍的計(jì)算過(guò)程。

交易吞吐量不僅在不同區(qū)塊鏈之間難以比較，即使在同一條鏈內(nèi)也很難比較。在 Web3 世界中比較各個(gè)鏈的 TPS 是一件喜聞樂(lè)見的事，但其實(shí)它不代表任何價(jià)值，而且容易被濫用。然而，在開發(fā)過(guò)程中，我們需要以某種方式評(píng)估我們的進(jìn)展，這就是我們的方法。

本文提供了一個(gè)概覽的介紹和解釋，說(shuō)明異步支持如何在 Polkadot 平行鏈上實(shí)現(xiàn) 10 倍交易吞吐量增加。

我們使用的是“標(biāo)準(zhǔn) TPS”（sTPS）概念，這一點(diǎn) Shawn Tabrizi 在他的 sub0 2024 演講中很清楚的解釋了這一點(diǎn)。https://www.youtube.com/watch?v=MTzeE0fNSZ0

簡(jiǎn)而言之，我們測(cè)量的是 transfer_keep_alive 交易，這類交易指的是從一個(gè)已經(jīng)有資金的賬戶向另一個(gè)已存在的賬戶進(jìn)行的余額轉(zhuǎn)移，而這種轉(zhuǎn)賬不會(huì)導(dǎo)致發(fā)送賬戶被終止使用。測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)是每個(gè)發(fā)送者進(jìn)行這樣一筆交易的吞吐量，即這種類型的交易能在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到多少筆。

這個(gè)指標(biāo)作為絕對(duì)數(shù)字仍然沒(méi)有意義，但它允許我們?cè)诟逆溸壿嫊r(shí)評(píng)估吞吐量的變化。

在這次測(cè)試中，我們運(yùn)行了一個(gè)接入到 rococo-local 中繼鏈的 rococo 平行鏈，并測(cè)量了平行鏈交易的吞吐量。

每筆交易都有一個(gè)權(quán)重。在 Polkadot SDK 中使用的權(quán)重是二維的，第一維是計(jì)算量，表現(xiàn)為執(zhí)行時(shí)間；第二維是 PoV（證明有效性）的大小。

計(jì)算權(quán)重取決于硬件。每個(gè)硬件執(zhí)行相同代碼所需的時(shí)間不同，因此這些權(quán)重需要使用參考硬件提前進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

但重要的是要理解，這些權(quán)重是最壞情況下的場(chǎng)景。交易可能會(huì)采取不同的執(zhí)行路徑。例如，如果接收賬戶不存在，則必須創(chuàng)建新賬戶，這比轉(zhuǎn)賬到已存在的賬戶需要更多的時(shí)間和更大的證明大小。然而，在提前進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，我們不知道具體交易將采取什么樣的執(zhí)行路徑，因此我們總是使用“最重”的一個(gè)。

現(xiàn)在，我們來(lái)談?wù)剠^(qū)塊的構(gòu)建。每個(gè)區(qū)塊能夠容納一定量的權(quán)重。因此，在編寫區(qū)塊時(shí)，如果交易池中充滿了準(zhǔn)備包含的交易，我們可能會(huì)碰到三個(gè)限制之一：

• 計(jì)算權(quán)重限制。達(dá)到此限制意味著區(qū)塊中的交易消耗了允許的最大計(jì)算資源。

• 區(qū)塊大小限制。達(dá)到此限制意味著我們已達(dá)到 PoV 大小限制，即使還有一些計(jì)算資源剩余，也不能再向區(qū)塊中添加更多交易。

• 編寫/創(chuàng)建區(qū)塊的時(shí)間限制。達(dá)到此限制意味著，雖然從權(quán)重上看還有可用的計(jì)算資源，但實(shí)際上我們的計(jì)算時(shí)間消耗比預(yù)期的要多。實(shí)際上，這意味著我們的硬件性能不如用于基準(zhǔn)測(cè)試的參考硬件。

很難給出一些確切的數(shù)字，因?yàn)闄?quán)重的設(shè)定非常復(fù)雜（在區(qū)塊構(gòu)建的不同階段，部分權(quán)重被保留用于各種目的），所以我們只能進(jìn)行測(cè)量。

使用傳統(tǒng)的同步支持，我們每個(gè)區(qū)塊能處理 1094 筆交易。我們達(dá)到了區(qū)塊大小限制，即使創(chuàng)建區(qū)塊的時(shí)間為 0.5 秒，也還有大量的計(jì)算權(quán)重未被使用。

那么，如果我們引入異步支持會(huì)發(fā)生什么變化呢？遺憾的是，變化不大。我們的計(jì)算資源增加了四倍，但區(qū)塊大小限制沒(méi)有變化，當(dāng)推送 1094 筆交易后我們?nèi)匀贿_(dá)到了這一限制。然而，使用異步支持我們能夠更快地生產(chǎn)區(qū)塊，因此我們的吞吐量將翻倍。

這沒(méi)關(guān)系，但我們希望從如此復(fù)雜的技術(shù)如異步支持中獲得更多，這種技術(shù)本身就能帶來(lái) 8 倍的吞吐量增加！此外，一些技術(shù)限制不允許我們?cè)黾訁^(qū)塊大小以容納更多交易。那么，我們?nèi)绾瓮黄七@一限制呢？

在這里，我們回到了“最壞情況執(zhí)行路徑”的部分。在進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，我們并不確切知道一筆交易將消耗多少證明大小，并且我們總是必須按最大可能值減少區(qū)塊容量。但在執(zhí)行一個(gè)區(qū)塊時(shí)，我們已經(jīng)知道了實(shí)際情況。我們能否將未使用的證明大小報(bào)告回運(yùn)行時(shí)，以便將更多交易納入?yún)^(qū)塊呢？

答案是可以的 —— 事實(shí)上，這正是 PoV 回收機(jī)制的作用。每筆交易都需要向存儲(chǔ)寫入數(shù)據(jù)，因此需要存儲(chǔ)證明，我們?cè)诨鶞?zhǔn)測(cè)試中使用的最壞情況場(chǎng)景迫使我們使用完整的證明大小，包括從賬戶的葉節(jié)點(diǎn)一直到根的每個(gè) Merkle 樹節(jié)點(diǎn)。

實(shí)際上，大多數(shù)交易共享了 Merkle 樹的很大一部分，使得個(gè)別證明的大小要小得多。例如，基準(zhǔn)測(cè)試的證明大小是 3,593 字節(jié)，這與推入?yún)^(qū)塊的第一筆交易的實(shí)際證明大小非常接近。但隨后的交易可能只有 250 字節(jié)，而如果沒(méi)有 PoV 回收，我們?nèi)詴?huì)為每筆交易計(jì)算滿 3.5 千字節(jié)的證明。因此，使用 PoV 回收后，我們?cè)?sTPS 測(cè)試中將在更晚時(shí)候觸及證明大小限制。

因此，有了 PoV 回收，我們可以將更多交易納入?yún)^(qū)塊，但計(jì)算資源限制阻止了我們。處理這么多交易需要超過(guò)半秒的時(shí)間。在這里，異步支持再次發(fā)揮作用，其創(chuàng)建區(qū)塊的時(shí)間為兩秒。將這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合使用，我們可以將 3,764 筆交易納入?yún)^(qū)塊，這大約是每個(gè)區(qū)塊的 3.5 倍增加，而將區(qū)塊時(shí)間減半，我們將得到 7 倍吞吐量的增加！但這還沒(méi)有結(jié)束。

為了進(jìn)一步突破極限，我們需要做一些調(diào)整。我曾建議說(shuō)，通過(guò)異步支持我們可以“自動(dòng)”獲得兩秒的區(qū)塊創(chuàng)建時(shí)間。我承認(rèn)，我撒了謊。由于所有網(wǎng)絡(luò)上驗(yàn)證者的備份超時(shí)時(shí)間（backing timeout）為兩秒，我們需要將區(qū)塊創(chuàng)建時(shí)間設(shè)置得低于此值，以在這兩個(gè)超時(shí)之間創(chuàng)建一個(gè)“保護(hù)區(qū)”，因此最初將區(qū)塊創(chuàng)建時(shí)間設(shè)置為 1.5 秒。但沒(méi)有什么能阻止我們將備份超時(shí)時(shí)間增加到 2.5 秒，然后我們就可以使用整整兩秒來(lái)進(jìn)行區(qū)塊編寫和創(chuàng)建。

其次，我概述了區(qū)塊權(quán)重的兩個(gè)維度中一些神秘的“預(yù)留”。這些是保守的估計(jì)，考慮到我們不知道確切的證明大小。但現(xiàn)在，多虧了 PoV 回收，我們可以肯定，一些這樣的預(yù)留可以被取消，為 PoV 釋放出更多的區(qū)塊大小。

在這些調(diào)整之后，我們每個(gè)區(qū)塊可以容納 5,573 筆交易，這是每個(gè)區(qū)塊的 5.09 倍增加，最終觸及計(jì)算限制而不是區(qū)塊大小限制。在計(jì)算區(qū)塊時(shí)間減半后，我們獲得了 10.18 倍的吞吐量增加。

兩種幾乎獨(dú)立開發(fā)的技術(shù)使得這一結(jié)果成為可能。不過(guò)，很明顯 sTPS 測(cè)試并沒(méi)有涵蓋所有使用場(chǎng)景。那些大部分交易在計(jì)算上很重但產(chǎn)生小證明的網(wǎng)絡(luò)可能單獨(dú)從異步支持中受益。其他交易輕但證明大的網(wǎng)絡(luò)可能即使沒(méi)有異步支持，也能從 PoV 回收中受益。但正是這兩種技術(shù)的綜合，使得平行鏈的吞吐量增高 10 倍成為現(xiàn)實(shí)！

直播預(yù)告：

5 月 22 日（本周三）晚 7 點(diǎn)，PolkaWorld 生態(tài)研究負(fù)責(zé)人 Kristen 將在 PolkaWorld 推特（X）上直播，帶來(lái)波卡生態(tài)項(xiàng)目的最新福利。

直播地址：Twitter 視頻直播 @polkaworld_pro（提前關(guān)注，以便在直播開始時(shí)收到提醒）