一篇文章看透百度XuperChain系统架构

2019-08-21
背景

百度XuperChain在2019年5月底正式宣布开源。在开源后很快获得了开发者、区块链媒体的广泛关注。XuperChain是百度自主研发的区块链系统,在开源到Github后仍然在活跃地升级代码,先后发布了V3.1、V3.2两个版本。其中有10%的代码是由外部开发者贡献的。

当前,国内外的区块链系统多如过江之卿。对于区块链开发者而言,如何选择一个区块链系统持续地深耕是一个难题。在项目选型过程中有很多问题要考虑,例如,功能是否完备,性能是否满足业务压力,开发过程中遇到问题能否获得有效的支持?百度超级链目前已经通过工信部电子一所的标准测试,在功能、安全、性能三方面都远超过同类产品。超级链也建立了活跃的开发者微信群,越来越多的开发者正在学习超级链,用超级链落地自己的项目。

本文将阐述百度超级链的架构体系,对其独特的关键技术进行简要的分析,读者将大体了解到超级链为什么能实现高性能,架构上如何做到的可插拔等等。后续我们还会推出系列文章,对各个知识点进行抽丝剥茧的讲解。

系统架构

一般而言,区块链系统都是有三大件:分布式账本、合约引擎、共识处理器。

分布式账本解决的是数据的存储问题,例如数据怎么持久化到存储介质,数据怎么组织,数据的校验、更新、查询等。

合约引擎解决的是计算问题,能够将数据和合约字节码从账本加载到虚拟机,进行运算之后,将产生的数据变更再写入到账本。

共识处理器解决的是一致性问题,因为区块链是个P2P的网络集群,传输有延迟、不稳定、节点作恶等因素。最终需要通过共识处理器保障:集群中的所有节点的存储的数据是一致的,计算结果也是一致的。

在超级链的架构设计中,这三大件都具备可插拔能力。

在合约引擎中,通过抽象的虚拟机接口设计,使得可以集成各种丰富的虚拟机,例如:XVM、Wavm、SolidityVM(未开源)等等。

在分布式账本中,我们设计了高并发的事务管理模型XuperModel, 并且通过抽象的Key-Value接口设计,使得可以能集成各种底层存储引擎,例如:Leveldb、Baddger、Rocksdb, 只要实现了Put、Get、Iterator等接口,就可以将第三方的存储引擎集成进来。

在共识处理器中,通过抽象的Consensus接口设计,使得可以集成各种丰富的共识算法。超级链已经开源的主要是TDPos和Pow两种共识算法。开发者完全可以根据自己的需要开发自己的共识算法集成进来。

高性能关键技术

超级链的性能优化主要是从两个方面着手,一个是立体网络、一个是链内并行。

立体网络,简单来说是通过一条Root链派生出N个平行链,这N个平行链是按照业务来划分,使得交易充分地并行。某些必要情况下要通过Root链的哈希锚定实现跨链。另外,还有可回归侧链技术,动态地fork生成侧链,完成一段时间的计算运行后,释放侧链。立体网络技术暂时没有开源。

链内并行,指的是单链情况下的性能优化技术。提高单链的性能主要从两个方面:加快出块速度和稳定性、交易验证充分并行。

一方面,超级链采用了TDPOS共识,优化了出块时间片调度机制,能够稳定快速出块。另一方面,超级链采用独有的XuperModel模型,使得交易的验证充分地并行化。这种模型是从经典的UTXO模型发展而来的,将智能合约的执行分为两个不同的阶段:预执行阶段和提交阶段,并通过类似于MVCC的机制避免整体加锁,不同于一般的读写集机制,超级链中交易的读集引用不需要绑定区块高度,未确认交易的输出也可被引用,进一步提升了性能测试的整体吞吐。

此外,在工程实现方面也做了大量的优化。比如底层KV存储支持多盘存储避免IO瓶颈,通过内存Cache降低访盘开销,通过线程避让机制保障准时出块等等。

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