HECO技术总监：构建“新四化”，优化公链结构

heco技术总监Andrew认为，可以借鉴互联网领域成熟**的工程优化经验，确保区块链的独特约束和语义不会提前被破坏。

2021年9月4日，beWater DevCon全球开发者大会在北京举行。来自世界各地的近100名区块链开发者齐聚北京，就编程语言、密码、去中心化协议、隐私技术、安全计算、开放金融等领域进行深入讨论。

在谈到公链的可扩展性时，国内外开发者就备受市场关注的技术解决方案如切片、Layer2和侧链进行了热烈讨论。heco技术总监Andrew系统分析了当前公链轨道存在的可扩展性困难，详细介绍了现有公链可扩展性解决方案的优缺点。Andrew认为layer1方案是区块链平台的延伸，而layer2技术是区块链应用的延伸。Andrew将layer1扩展架构分为三类：碎片、DAG（有向无环结构）和大块，并将layer2扩展架构分为三类：侧链子链、状态通道和Rollups。

此外，Andrew重点分享了heco在公链可扩展性概念和实践方面的经验和总结。”Heco回到了公链可伸缩性问题的根源，并基于公链本身的结构优化。只要区块链的独特约束和语义不被提前破坏，软件和互联网领域成熟而**的工程优化经验可以充分借鉴。”

基于上述观点和看法，安德鲁提出了公链架构优化的新四个现代化建设：

1. 在保证链结构先进性的前提下，将架构模块化，对组件进行完全拆分和解耦；
2. 在保证线性语义先进性的前提下，并行执行，实现多级流水线操作；
3. 在保证状态一致性的前提下，进行异步转换，并在后台处理阻塞I/O操作；
4. 在保证透明性和安全性的前提下，进行了本地化多级缓存优化。

Andrew在分享过程中提到，heco目前的性能优化结果是BSC的1.3倍以上，gETH的性能提升超过1.5倍。Heco还将在未来有计划地将这些优化经验贡献给gETH社区。

在演讲结束时，安德鲁提出了“cab法”——加密安迪法和比尔法。他认为，未来10-20年，区块链行业将充分吸收和发挥基础网络、基础硬件和基础安全的大部分技术红利，未来heco将继续探索layer1的可扩展性。

以下是安德鲁的演讲全文：

公链扩展性问题和解决方案

区块链技术的本质是扩大信任、组织和合作的边界。然而，在扩展业务边界的道路上，技术本身受到可扩展性问题的限制。

最明显的是以太坊的主网络。上图显示了截至第二季度智能合约的TVL锁定量。可以看出，以太坊的份额不断被其他公共公链侵蚀；众所周知,网络拥挤严重,手续费高,；但根本原因是以太坊主网的可扩展性不足。在这一点上，我相信每个人都会认为区块链不可能是三角形的。去中心化性、安全性和可伸缩性真的不能两者兼得吗？

事实上，区块链的不可能三角问题没有得到严格的定义和证明，也不等同于分布式领域的cap。在区块链领域，学术界和工业界存在多层次、多类的可扩展解决方案，如切片和最近流行的layer2Rollups方案。

虽然分片作为一种平台级扩展方案具有很大的潜力，但其安全性假设和模在实际实现中并不容易满足。很难支持通用**智能合约的完整语义。在许多情况下，跨芯片事务带来的开销大于吞吐量提高带来的好处；通过平台契约和二层应用的结合，Rollup方案在安全性和吞吐量方面具有一定的优势，但它只是特定应用的扩展，不能扩展到一般的平台级。

DeFi业务的兴起对公链的可扩展性提出了新的要求。Defi应用程序非常注重可组合性，合同之间的调用需要像构建乐高积木一样方便。切分和layer2技术的共同问题是引入的分布式事务的复杂性，这对DeFi应用程序不友好。因此，当回到问题的根源，基于公链自身的架构优化时，我们会发现，只要区块链的独特约束和语义不被提前破坏，软件和互联网领域成熟而**的工程优化经验可以充分借鉴。

这里我将其概括为公链结构优化的新四化建设：

1. 在保证链结构先进性的前提下，将架构模块化，对组件进行完全拆分和解耦；
2. 在保证线性语义先进性的前提下，并行执行，实现多级流水线操作；
3. 在保证状态一致性的前提下，进行异步转换，并在后台处理阻塞I/O操作；
4. 在保证透明性和安全性的前提下，进行了本地化多级缓存优化。

事实上，类似于我们想法的公共公链已经出现在行业中，如flow和Solana。让我们介绍一下这两个模块的核心设计。

Flow是一个以NFT为核心的垂直行业公链，其核心概念是在交易处理过程中解耦共识和执行。有两项主要创新：

1） 在基于角色的节点架构中，由于设计者发现节点之间的处理能力差异降低了整个网络的性能和可伸缩性，flow将网络中的节点分为四类：收集、共识、执行和验证，使大量低配置节点只负责共识，确保网络安全，而少量高配置节点只负责执行，从而提高网络的整体处理能力。

2） 引入管道机制，实现区块间的区块密封，避免区块间的相互等待。

Solana是整个行业中快速发展的公共公链。**的创新是poh（historical proof），一种可验证的时间采样和事件排序方法，可作为网络的全局时钟，从而实现相对时间的统一测量和整个网络中节点的高效消息通信；塔台BFT（基站拜占庭容错）的共识是在poh全局时钟的基础上实现pbft（拜占庭容错）消息传输和VC（视图更改）的优化。

其他优化点，如大数据块切片EC编码和分层传输、流水线、充分利用硬件资源、并行合同执行等，都是必须在高TPS下完成的工程实现。当然，思考并不意味着这样做。Solana在公链建筑优化工程实践方面相对先进。

flow和Solana都是公链架构优化的好例子，这也使得具有相同概念的heco在路上感到孤独。当然，与flow和Solana相比，heco有一个更大的特点，即它与以太坊和EVM完全兼容。让我们看看HECO在可扩展性方面的实践和成就。

HECO 公链扩展性理念和实践

首先，让我们看看HECO的战略定位。作为整个DeFi平台的技术基础和生态基础设施，heco承载着上层资产、应用和交通入口的所有核心业务。Heco自身的技术矩阵可根据资产安全、容量性能、网络规模和应用生态四个维度细分为12个核心模块，接下来，我们将与您分享我们在与容量和性能相关的事务执行和状态存储方面的优化工作。

对于容量性能优化，首先要明确其理论模。Heco仍然基于最长链的POA+POS共识。就封锁时间而言，它必须确保能够覆盖区块打包+区块传播+事务二次执行和验证的时间。相反，如果可以进一步减少事务执行和块传播时间，则可以在块中包括更多事务，从而有效地提高网络的总体吞吐量。

左图显示了我们解决的可伸缩性瓶颈和优化级别。右图显示了当前总体优化的效果。你可以看到蓝线。Heco可以安全地将区块气限值设置为100m Gwei以上，TPS设置为1500+。下面是一些有代表性的优化。

首先，让我们看一下并行执行优化。众所周知，以太坊节点的一个主要瓶颈是其MPT状态树。Heco对状态树更新进行了大量的并行优化，如并行RLP编码、更新storagetrie、并行计算storageroot、并行计算bloom和receiptroot。并行执行的总体优化效果是，块中事务的执行时间可以减少30%以上。

让我们再看一看存储管道优化。块执行完成后，需要执行三个存储更新：写入块、更新快照和状态提交。分析表明，状态提交时间最长，可以通过下一个块的执行来进行管道优化，也就是说，在上一个块的更新快照完成后，可以开始下一个块的执行，但是，还必须确保下一个区块的状态提交在上一个区块的状态提交完成后才开始，以确保状态提交的顺序和一致性。通过优化存储管道，heco基本上将串行存储更新占整个阻塞时间的比例降低了90%以上，效果非常明显。

同时，heco在合约位图缓存优化和短数据哈希计算结果方面也取得了较好的效果，将块内事务的执行时间减少了31.46%。

heco技术团队将我们的性能优化代码分别补丁到BSC和gETH的主干上，并将其放在BSC和以太坊主网上，以同步数据块并执行事务以进行实际测量和比较（通过比较相同条件下的数据块阻塞时间）。结果表明，heco优化的性能是BSC的1.3倍以上，是gETH的1.5倍以上。当然，heco也将有计划地为gETH社区的优化做出贡献。

回顾heco的扩展路线，我们始终坚持DFI友好性和与以太坊完全兼容这两个原则。我相信区块链技术同行在这一过程中或多或少会遇到这样的问题。例如，区块链平台的发展是否仍将遵循互联网工程的老路？密码朋克的宝箱里还有多少魔法没有释放出来？Heco认为，路线与条令之争不会影响区块链的快速发展，组合创新是区块链技术的**魅力。

此外，我们认为软件行业的法律也适用于区块链行业。我们称之为“cab法”——加密安迪和比尔定律：在未来10-20年内，基本网络、基本硬件和基本安全的大部分技术红利将被区块链行业充分吸收和发挥。因此，heco将在第1层可扩展性的道路上继续前进。