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Qtum 提速计划:区块时间缩短至32秒,网络TPS将大幅提升

2021-01-04 18:27:09



背景介绍


在公有链设计中,高 TPS 和 安全性 往往相互矛盾。在一个完全去中心化的网络中,每一个节点都是完全对等的,为了维护网络的安全性,每个区块之间需要有足够长的时间间隔,从而确保区块内容在网络中完全传播,并达成全网共识。这必然会影响交易的确认时间,影响 TPS。减小平均区块间隔时间,有助于提高 TPS,但有可能导致全网无法及时完成共识,从而导致分叉,影响安全性。


在公有链的参数设计中,往往要在这两者之间做权衡。比特币注重货币属性,因此设定了长达 10 分钟的平均区块间隔,以确保全网共识,但因此也注定无法承载更多实时性要求更高的应用。以太坊平均区块时间约15 秒,极大提升了用户体验,但也因此使网络中不断产生短暂的分叉,不得不以“叔块”机制奖励矿工,平均区块确认数要求也较高。


Qtum 量子链采用了和比特币一致的 UTXO 模型,同时支持 EVM(以太坊虚拟机)和智能合约。Qtum 量子链目前的平均区块间隔为 128 秒,理论 TPS 是比特币的十倍,在用户体验上有所提升的同时,保证了全网共识,发生短暂分叉的概率较低。


然而,随着 DeFi 等去中心化应用的兴起与流行,Qtum 计划缩小平均区块间隔,进一步提升 DeFi 等应用的用户体验。经过对 Qtum Staking 软件的不断优化,目前 Qtum 节点完成共识 Staking 的效率已经有了大幅提升。试验结果表明,我们可以在不明显影响网络共识时间的前提下,将区块间隔缩短为 32 秒,相应的全网 TPS 也将提升 400%。


目前该“提速计划”正在密集测试阶段,相信很快会和社区见面。本文将进行小小的“剧透”,简要介绍本次升级的最新进展。




升级内容


本次“Qtum 提速计划”主要进行了以下几个升级:


  1. 区块平均间隔从 128 秒缩短为 32 秒;


  2. 升级相应的难度调整算法;


  3. 修改区块奖励;


  4. 提升 Staker 挖矿效率。


第 1 项升级是本计划的主要目的,而 2,3,4 是升级成功的关键。其中,第二项的难度调整算法升级保证了提速后网络不会大幅波动;第三项区块奖励修改保证了升级前后网络每年产出 QTUM 数量的一致性;第四项 Staker 挖矿效率提升则极大地降低了由于提速而引发的大规模“孤块”的产生(即分叉)。




试验条件


为了验证上述更新的效果,我们在全球各个大洲(包括美洲、欧洲、亚洲以及大洋洲)部署了超过 100 个节点,真实模拟去中心化网络的节点分布。验证节点上运行了提速后的软件,搭建了一个专用测试网络,本文将展示该测试网络实际运行的结果。




试验详情


提速升级前


升级前,测试网络采用和当前 Qtum 主网一致的参数运行了一天,网络各项参数如下图所示。网络中平均每分钟发生 10 笔交易。从结果可以看出,平均区块间隔约为 129 秒,和当前主网预期的 128秒 基本一致。孤块率(即网络中出现“孤块”的概率)约为 3%。



引入32 秒区块升级后


保持网络中交易笔数(10 tx/分钟),在引入上文提到的 32 秒升级后,3 小时内运行结果如下图。可以看出区块平均间隔降低至预期的 32 秒,孤块率上升到约 20%。虽然孤块率有所提高,但未出现明显的分叉,最长分叉长度为 2 个区块。这个孤块率和 Qtum 当前主网的孤块率接近,在可接受范围内。理论 TPS 增加 400%。



普通交易压力测试


网络负载越高(即实际单位时间内发生的交易越多),则区块越大(Qtum 区块大小为 2MB),处理区块的时间变长,也有可能导致孤块的产生。在引入 32 秒区块升级后,我们尝试继续增加测试 TPS,填满了网络中新产生的 50% 的区块,且大部分区块接近满负荷。试验结果如下图所示,孤块率稳定在 27% 左右,仍处在与当前主网相同水平,在可接受范围内。最长的分叉长度为 4,之后不再增长,概率为 0.61%,在实际使用中处于安全范围(实际中 Qtum 网络的推荐确认数为 10)。试验结果符合预期。



智能合约调用压力测试


与普通交易相比,验证智能合约调用的交易需要节点做额外的验证。当区块间隔变短,且区块中智能合约调用较多时,也有可能导致节点处理时间过长而产生孤块。


我们尝试继续增大网络负载,并增加智能合约调用,结果如下图前半段所示。在平均区块间隔缩短为 32 秒的同时,网络中孤块率仍保持在 27%,且仍然没有明显的分叉产生,符合安全预期。



与旧版 Staker 对比测试


上述区块提速和新版优化 Staker 的测试符合预期。为验证 Staker 优化的必要性,现只保留 32 秒 区块间隔,Staker 不做任何升级,验证网络运行状态。结果如上图后半段所示,孤块率飙升为 200%,网络安全性受到极大影响。因此,32 秒区块提速 和  Staker 效率优化缺一不可,两者共同保证了在不影响安全性的情况下增加 Qtum 网络的 TPS。




试验总结


本次 Qtum 量子链 32 秒区块提速计划测试网络由分布在全球的 100+ 节点组成,模拟了实际分布式网络的复杂网络环境。结果表明,在引入挖矿程序优化(Staker 优化)和 32 秒 区块间隔后,网络 TPS 提升约 400%,且网络中孤块率不超过 27%,无明显分叉产生,符合 Qtum 网络安全要求。




后续计划


目前 Qtum 32秒区块提速计划的试验结果符合预期,团队正在进行最后的测试 ,确保升级安全上线。后续工作主要集中在:


  1. 进一步优化 Staker 挖矿程序,把叔块率进一步降低,提高安全性;


  2. 进行更大规模的压力测试;


  3. 制定完善的升级和上线计划,确保网络平稳升级。






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