自適應(yīng)打包：一種提高區(qū)塊鏈共識效率的方法

楊國正，臧 鋮，陳嘉俊，張少鵬，鐘禮斌，黃 蓉

(1.浙商銀行股份有限公司金融科技部，浙江 杭州 311200；2.浙商銀行股份有限公司區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用研究院)

0 引言

區(qū)塊鏈被納入“十四五”規(guī)劃中，表明了國家監(jiān)管與政策鼓勵區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展在中國的數(shù)字經(jīng)濟中發(fā)揮關(guān)鍵作用的決心。

與歐美國家側(cè)重公鏈區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展模式不同，我國區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展大多基于聯(lián)盟鏈的應(yīng)用，利用區(qū)塊鏈技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的創(chuàng)新結(jié)合，解決問題、提高效率，從而賦能政府、企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，賦能實體經(jīng)濟。因此，我國大量區(qū)塊鏈創(chuàng)新企業(yè)專注于尋找區(qū)塊鏈與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)結(jié)合的創(chuàng)新點，專注于提高聯(lián)盟鏈平臺底層的效率以支持更多的應(yīng)用場景。

以區(qū)塊鏈基礎(chǔ)技術(shù)平臺為例，創(chuàng)新利用區(qū)塊鏈自適應(yīng)交易打包方法，根據(jù)業(yè)務(wù)場景對數(shù)據(jù)存儲的需求對交易打包方法進行自適應(yīng)配置，以提高在不同業(yè)務(wù)場景下的聯(lián)盟鏈共識效率。

1 傳統(tǒng)交易打包模式

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種分布式賬本技術(shù)，同時也是一個點對點的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。協(xié)作方節(jié)點共同維護數(shù)據(jù)，每個協(xié)作方節(jié)點都有一份完整數(shù)據(jù)，且所有協(xié)作方節(jié)點數(shù)據(jù)保持一致。這一切都需要依賴于區(qū)塊鏈的共識機制。

共識機制是指所有協(xié)作方在節(jié)點的預(yù)設(shè)規(guī)則下，通過多個節(jié)點交互，對鏈上數(shù)據(jù)、行為或流程達成一致的過程。其步驟如下：協(xié)作方節(jié)點將區(qū)塊（每個打包的交易叫做一個區(qū)塊）分發(fā)到其他協(xié)作方節(jié)點進行共識驗證，當大多數(shù)節(jié)點驗證區(qū)塊無誤（即各個協(xié)作方達成了共識），其他協(xié)作方節(jié)點同步該區(qū)塊。

這種協(xié)作方節(jié)點間達成共識的模式即為目前大多數(shù)聯(lián)盟鏈平臺采用的BFT 族共識算法，即拜占庭容錯算法。拜占庭容錯算法通過三個階段的共識對交易哈希、運行結(jié)果進行三次比對，在三個階段的共識全部通過之后，交易數(shù)據(jù)才會寫入?yún)^(qū)塊鏈賬本。

圖1 RBFT算法流程

交易打包為區(qū)塊的條件有兩個，打包時間(t)與交易筆數(shù)(n)，即當交易達到打包時間閾值或者交易筆數(shù)閾值時，區(qū)塊鏈平臺將根據(jù)交易請求的先后順序進行全部或者部分打包，進行共識。在傳統(tǒng)的交易打包模式中，t 與n 參數(shù)在初始配置文件中進行配置，若想對參數(shù)進行修改則需要手動修改配置文件，并重啟節(jié)點服務(wù)。

目前市面上大部分區(qū)塊鏈節(jié)點均采用的是固定的配置文件。例如“基于區(qū)塊鏈的交易處理方法”專利，節(jié)點在交易處理過程中，設(shè)定特定的時間間隔執(zhí)行交易打包。該模式適合比較單一的應(yīng)用場景。當需在同一個節(jié)點鏈上實現(xiàn)多種應(yīng)用場景，數(shù)據(jù)上鏈穩(wěn)定性和效率會受到影響。例如，在實時交易場景下，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)要求區(qū)塊鏈平臺的響應(yīng)時間盡可能的短，即打包時間盡可能的短；但是在批量數(shù)據(jù)登記場景下，交易請求數(shù)量激增，如果打包時間設(shè)置較短或者交易筆數(shù)n 設(shè)置較小，會導(dǎo)致區(qū)塊鏈打包區(qū)塊數(shù)量快速增多。當區(qū)塊產(chǎn)生的速度超過區(qū)塊鏈平臺區(qū)塊緩存池上限時，區(qū)塊數(shù)據(jù)會丟失，同時也會導(dǎo)致服務(wù)器資源使用急劇上升，使得數(shù)據(jù)上鏈效率降低。

2 自適應(yīng)交易打包模式設(shè)計

目前，基于區(qū)塊鏈基礎(chǔ)技術(shù)平臺（下稱“區(qū)塊鏈平臺”）已實現(xiàn)多種應(yīng)用場景，例如供應(yīng)鏈金融、文件存證、日終批量數(shù)據(jù)存證等。在不同的應(yīng)用場景下，其業(yè)務(wù)要求響應(yīng)時效性和上鏈數(shù)據(jù)量具有較大差異，例如在供應(yīng)鏈金融場景，會涉及到客戶資產(chǎn)轉(zhuǎn)讓，資產(chǎn)質(zhì)押等操作，對區(qū)塊鏈平臺響應(yīng)的時效性要求較高。在日終批量數(shù)據(jù)存證上鏈場景，由于其數(shù)據(jù)上鏈并發(fā)量大且無時效性要求，可以犧牲一部分數(shù)據(jù)上鏈時效性，來保證節(jié)點服務(wù)的穩(wěn)定性和上鏈數(shù)據(jù)不被丟失。為此，采用固定的區(qū)塊鏈打包參數(shù)僅適合某一個特定的場景，并不適合多種場景的情況。

在此基礎(chǔ)上，區(qū)塊鏈平臺創(chuàng)新開發(fā)了一種自適應(yīng)配置交易打包方法，在控制交易打包的配置文件中設(shè)置了打包時間(t)、交易筆數(shù)(n)、打包時間初始值(P)與交易筆數(shù)初始值(q)等四個參數(shù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)的實際需求制定實時登記和批量登記的參數(shù)調(diào)整策略。在數(shù)據(jù)上鏈過程中，區(qū)塊鏈平臺會自動記錄前一時間段i的每秒交易請求數(shù)，并根據(jù)每秒交易請求數(shù)匹配配置文件中的參數(shù)策略，并實時刷新參數(shù)值。當區(qū)塊鏈平臺觸發(fā)刷新后的打包參數(shù)閾值，平臺便會對交易按照時間順序進行打包。通過區(qū)塊鏈基礎(chǔ)平臺自我調(diào)整區(qū)塊打包參數(shù)閾值，可同時滿足供應(yīng)鏈金融、批量數(shù)據(jù)存證等不同場景下的應(yīng)用需求。

3 自適應(yīng)交易打包模式實驗結(jié)果分析

為了直觀看出不同場景下，打包參數(shù)值對數(shù)據(jù)上鏈效率以及節(jié)點服務(wù)器性能的影響，分別在低壓力和高壓力情況下對節(jié)點進行了實驗，實驗節(jié)點分別部署在四臺4C8G的虛擬服務(wù)器上。

⑴低壓力實驗

在低壓力，要求響應(yīng)實時性高的情況下，將打包時間t 設(shè)置為較小值，使其能快速達到打包時間閾值。分別將打包時間設(shè)置為100ms，200ms，300ms，400ms，500ms，600ms，每一秒發(fā)送20 筆交易，持續(xù)5s，再計算節(jié)點服務(wù)平均響應(yīng)時間（如表1、圖2）。

圖2 在不同t值情況下，節(jié)點服務(wù)平均響應(yīng)時間

表1 在不同t值情況下，節(jié)點服務(wù)平均響應(yīng)時間

表1 中t 值越小，節(jié)點服務(wù)平均響應(yīng)時間越短，上層業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)可以獲得更高效的區(qū)塊鏈服務(wù)。

⑵高壓力實驗

在高壓力的情況下，將打包時間t 值設(shè)置得足夠大，使其只會觸發(fā)交易筆數(shù)的閾值。將交易筆數(shù)分別設(shè)置為200，400，600，觀察節(jié)點服務(wù)器CPU 及節(jié)點磁盤使用情況（圖3、圖4）。表2、表3 中顯示，在壓力恒定的情況下，交易筆數(shù)n越大，服務(wù)器CPU使用率和磁盤使用率越低，節(jié)點服務(wù)更穩(wěn)定，上鏈效率也會越高。

表2 在不同n值情況下，節(jié)點CPU平均使用率

圖3 在不同n值情況下，節(jié)點CPU平均使用率

表3 在不同n值情況下，節(jié)點磁盤平均讀寫情況

圖4 在不同n值情況下，節(jié)點磁盤平均讀寫情況

從實驗結(jié)果可以得出，在低壓力情況下，隨著打包時間的增加，區(qū)塊鏈平臺平均響應(yīng)時間也會隨之增加。在高壓力情況，打包筆數(shù)設(shè)置較小時，服務(wù)器CPU 平均使用率過高，會導(dǎo)致服務(wù)器不穩(wěn)定，出現(xiàn)未知錯誤。若隨著并發(fā)量的增加，調(diào)整打包筆數(shù)參數(shù)的大小，使服務(wù)器CPU平均使用率可以保持在一個正常的水平。

為此，區(qū)塊鏈平臺需要根據(jù)當前交易請求數(shù)來選擇最優(yōu)的區(qū)塊打包參數(shù)，以保證區(qū)塊鏈平臺服務(wù)的高效性和穩(wěn)定性。當某時間段內(nèi)交易請求數(shù)較少，且要求實時登記交易信息時，區(qū)塊鏈平臺可以將打包時間t設(shè)置為較小值，提高區(qū)塊鏈響應(yīng)時間；隨著交易請求數(shù)增加，區(qū)塊鏈平臺可以將打包時間t 相應(yīng)比例調(diào)大，增加每個區(qū)塊中的交易筆數(shù)以提高數(shù)據(jù)上鏈效率；當某段時間，數(shù)據(jù)上鏈請求量突然放大時，區(qū)塊鏈平臺可以增大交易筆數(shù)n值，對數(shù)據(jù)進行批量打包，減少區(qū)塊鏈平臺生成區(qū)塊速度和數(shù)量，防止區(qū)塊鏈數(shù)量超出區(qū)塊緩存池導(dǎo)致區(qū)塊數(shù)據(jù)丟失，同時提高批量交易登記效率。此外，在區(qū)塊鏈平臺中區(qū)高度越高，上鏈數(shù)據(jù)查詢效率會降低。為保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)查詢效率，需適當控制區(qū)塊高度。

顯然，在多樣化的應(yīng)用場景下，區(qū)塊鏈平臺需要能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)區(qū)塊打包參數(shù)，故區(qū)塊鏈平臺采用如圖5中所示的自適應(yīng)交易打包流程。首先在區(qū)塊鏈平臺配置實時登記策略和批量登記策略的打包參數(shù)，在區(qū)塊鏈平臺接收交易的過程中，平臺自動根據(jù)前一時間段i 的每秒交易請求數(shù)，實時刷新配置中對應(yīng)的打包時間或者交易筆數(shù)閾值，當平臺觸發(fā)打包參數(shù)閾值，便會對交易按時間順序進行打包，使區(qū)塊鏈平臺對打包參數(shù)的選擇更加合理。

圖5 自適應(yīng)交易打包流程

以下為區(qū)塊鏈平臺的一次實際應(yīng)用，配置打包的參數(shù)策略如下：

區(qū)塊鏈平臺在控制交易打包的配置文件中設(shè)置了四個參數(shù)，分別為打包時間(t)、交易筆數(shù)(n)，以及打包時間初始值(P)和交易筆數(shù)初始值(q)。

將打包時間初始值P 設(shè)置為0.05，將交易筆數(shù)初始值q設(shè)置為100。

當區(qū)塊鏈平臺前一時間段i 內(nèi)每秒收到的交易請求數(shù)a≤b（b為自定義的閾值，b＜q，例如取b=10），區(qū)塊鏈平臺采取實時登記策略，將打包時間t 設(shè)置為打包時間初始值P（例如0.05s）。此時，區(qū)塊鏈平臺在收到交易請求后便會立刻進行數(shù)據(jù)打包和節(jié)點共識。

隨著區(qū)塊鏈平臺i 秒內(nèi)收到的每秒交易請求數(shù)量的增大，例如每秒交易請求數(shù)a≥b且a≤c（c為自定義的閾值，c 小于q，例如取20）時，區(qū)塊鏈平臺可根據(jù)增大的數(shù)量的量級讀取相應(yīng)的配置參數(shù)值。實時登記的策略上可以依次設(shè)置10個等級區(qū)間（例如i秒內(nèi)，當a≤10 時,t=0.05；當10＜a≤20 時,t=0.1；當20＜a≤30,t=0.15；當30＜a≤40 時,t=0.2；……；當90＜a≤100 時,t=0.5；最高等級打包時間內(nèi)的交易請求數(shù)a小于100）。

當每秒交易請求數(shù)量過大時，會觸發(fā)交易筆數(shù)的閾值。在這種情況下，區(qū)塊鏈平臺采取批量登記策略，將交易筆數(shù)值n變大。當i秒內(nèi)每秒交易請求數(shù)a≥q 且a≤w 時，設(shè)置打包時間t 為一較大值（例如5 秒）。當i 秒內(nèi)每秒交易請求數(shù)a≥w 且a＜f 時，將交易筆數(shù)n更新為w。同上也可以依次設(shè)置10 個等級區(qū)間（例如i 秒 內(nèi)，當100≤a＜200 時，n=100；當200≤a＜300 時，n=200；當300≤a＜400 時，n=300；……依此類推，最高等級交易筆數(shù)不超過區(qū)塊鏈平臺處理交易的上限）。

區(qū)塊鏈平臺對交易打包模式的創(chuàng)新，旨在提高不同場景下的數(shù)據(jù)上鏈效率。區(qū)塊鏈平臺可以根據(jù)不同的交易請求數(shù)量，自適應(yīng)選擇其交易打包參數(shù)的最優(yōu)配置，從整體上提高區(qū)塊鏈平臺的處理效率。

4 結(jié)束語

眾所周知，區(qū)塊鏈共記一本賬、不可篡改、可追溯的特性使其天然適用于交易清算以及交易登記的場景，而區(qū)塊鏈的共識效率問題使其一直無法應(yīng)用于證券等金融衍生品交易、清算、登記等場景。本文闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)的特點，研究了在交易打包方面提升了數(shù)據(jù)高頻上鏈場景下的系統(tǒng)吞吐量方法，并在區(qū)塊鏈平臺實現(xiàn)本文提出的靈活調(diào)整交易打包參數(shù)策略。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用該方法，區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器以及磁盤使用率更低，節(jié)點服務(wù)更穩(wěn)定，大幅提升了數(shù)據(jù)上鏈效率。下一步將繼續(xù)優(yōu)化該方法的參數(shù)配置策略，使其能夠適應(yīng)更多的數(shù)據(jù)上鏈場景，不斷提升數(shù)據(jù)上鏈效率，全面拓展區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景，從而推動區(qū)塊鏈技術(shù)賦能實體經(jīng)濟，推動我國數(shù)字產(chǎn)業(yè)化。