汪曉明：如何通過軟硬體結合打破區塊鏈性能瓶頸？

雖然數字貨幣已經非常火爆，但區塊鏈產業的落地應用仍然還沒有真正實現商業化。究其原因，是由於區塊鏈技術還處於早期階段，性能、易用性等還亟待提高。區塊鏈行業需要全新的底層產品革新來實現更多、更快的交易確認和信息互通，HPB芯鏈通過分散式應用的性能拓展，以軟硬體合力來打破性能瓶頸，打造易用的高性能區塊鏈平台，跟產業實現深度融合，滿足真實的商業需求。

關於汪曉明：

HPB芯鏈創始人。區塊鏈技術早期探索者，在中國區塊鏈社區以ID「藍蓮花」活躍多年。曾任跨境電商公司Beltal CTO，十餘年金融大數據、互聯網技術研發經驗。主創區塊鏈教學視頻節目《明說》，翻譯和編撰了《以太坊官網文檔中文版》，並作為主要作者編寫了《區塊鏈開發指南》。

HPB芯鏈創始人汪曉明

以下是汪曉明的演講整理：

首先做一個自我介紹，我大概在6年前開始接觸比特幣以及數字貨幣相關領域，當時做跨境電商平台涉及到跨境支付，在找解決方案的時候發現比特幣技術。那個年代基本上無人關注區塊鏈以及比特幣相關的東西，沒有相關資料，當時我翻譯了一些區塊鏈的文章，寫了50篇區塊鏈的文章，並做了一些視頻來介紹區塊鏈。以太坊的英文版文檔是我翻譯的，並與專家合著了一本《區塊鏈開發指南》，此外還有一個博客以及技術視頻網站。

今天我主要想從以下六個方面來介紹HPB芯鏈：行業現狀、整體思路、TPS瓶頸分析、HPB技術總覽、業界方案對比、介紹團隊。

行業現狀--區塊鏈產業的挑戰

我們正在做一個非常有挑戰性的事情。由於進入這個行業比較早，我們發現了很多問題，區塊鏈近四年里呈現出爆髮式發展態勢，我接觸比特幣的時候，當時價格是500塊，到現在最高點15萬，以太坊從兩美金漲到最高一萬，價格的暴漲吸引了很多人的進入。

數字貨幣的發展非常繁榮，區塊鏈產業包括應用落地方面其實並沒有真正商業化。區塊鏈技術處於早期，它的易用性比較差，而且性能非常低，所以這是我們發起HPB芯鏈的初衷。

對一些商業化應用，支付系統TPS（TransactionsPer Second，每秒傳輸的事物處理個數） 需要達到15萬每秒，支付寶雙十一TPS達到35萬筆每秒。當前比特幣TPS每秒27筆，以太坊TPS25筆，可以看到這是不同的數量級，性能問題已經制約了整個行業的發展。

HPB整體思路

HPB芯鏈是全新的區塊鏈軟硬體體系架構，其中包含晶元級加速引擎和區塊鏈頂層平台，旨在實現分散式應用的性能拓展，定位為易用的高性能區塊鏈平台，跟產業深度融合，滿足世界真實的商業需求。

HPB芯鏈是一個基於硬體加速的高性能公鏈，可以對接以太坊、比特幣等平台，普通用戶可以直接接入，不需要搭整個底層系統。我們基於HPB搭建軟硬體體系，全部開源，這套方案可以讓其他公鏈可以自我選擇以及為這個鏈加速，這個市場潛力是非常大的。

芯鏈是一個公有鏈，上面可以搭很多的對系，開發商可以通過我們API以及SDK很容易搭建進來，所以搭建這樣一個生態系統是晶元加速引擎整個架構第一代產品的整體思路。

最上面DDR memory是一個內存，是一個基本的保障。中間綠色部分包括TOE等等，TOE主要解決網路性能問題，包括並發、網路鏈接的處理等等。區塊鏈所有軟體邏輯都可以放在這個上面實現。底層是一個基於ARM的CPU和FPGA，保證整個產品的性能。

從更加直觀的角度來看系統的架構，上面分三部分，最上面是分散式終端，包括智能手機、平板電腦或者是伺服器，中間是一個網路層，45、5G、光纖網路、WIFI網路；最下面是核心伺服器，也就是雲計算中心的伺服器。

最終的形態是，伺服器跟最上面分布終端組合起來，為這個網路做共識的確認。上面形態是加速引擎業務卡，可以有一個插口，直接插到PC或者伺服器裡面，通過5G網路共識處理。這裡有一個我們自主設計一個晶元伺服器，拿過來就可以用了。通過網路的優化，把這幾層終端以及伺服器打通，為網路做確認，這是一個大概物理層面的理解。

目前我們硬體伺服器已經設計完畢，現階段處於生產過程中，5月份將推出整套區塊鏈伺服器完整方案。

HPB三個特點：

第一，用晶元級引擎來加速。晶元其實是硬體，硬體跟軟體到底是什麼區別和優勢？軟體產品做一些優化能夠達到30、50%的效果，但是硬體層面晶元優化可以達到十倍百倍。

第二，軟硬體深度融合。軟體系統融入硬體加速引擎深度定製，比特幣、以太幣整個邏輯全部在軟體層面。我們的做法是什麼？所有的單級計算性能，網路，所有了驗證確認這些業務邏輯，我們會全部放到我們的加速引擎上面去，用硬體來驅動，軟體層面只保留你的帳本以及你的數據。通過這種方式極大改善整個系統負載性能。

第三，我們實現了一套自由的硬體公式演算法，穩定支持百萬級並發計算，這是非常有挑戰的目標。我們希望一開始先達到五萬、十萬量級，符合商業的需求，未來挑戰更大的目標。我相信百萬級，未來一定是需要，並且能實現的。

TPS的瓶頸有哪些？

我們拿支付寶以及雙十一TPS的並發量，來推演到區塊鏈領域，我們需要看它到底需要什麼樣的性能指標，讓這個系統可以在區塊鏈裡面實現。

D是交易大小，TPS是35萬筆每秒，P是需要轉發的交易數。D是每秒需要處理的數據總量，Td是每秒鐘的網路接收和數據發送總量。

有一個結果，如果達到這樣一個性能指標的話，每秒鐘要處理的數據傳輸，網路傳輸的數據量，下面這個是五千萬B，轉化成兆就是50兆，每秒鐘節點之間數據傳輸需要達到50兆/每秒。

對於一些機房，網路條件非常好的領域是可以實現的，但是對於一般網路挑戰是非常大了。下面這個數據是本地數據更大的處理數據量，這個挑戰是非常大了，我們看看怎麼樣解決。

區塊鏈領域技術瓶頸主要涉及到四個部分：

第一，P2P網路帶寬。第二，共識演算法。第三，存儲。第四，簽名驗證。

每秒的數據傳輸達到50，對於網路的並發、網路的帶寬要求非常高，在我們現實網路環境，大部分伺服器很難達到這樣的網路要求。

共識演算法不能支持幾萬的並發，這是非常困難的，我們提出了跟硬體結合起來看能否有所提升。

存儲，有這麼高的並發本地存儲就是需要挑戰的問題。

驗證簽名，像以太坊整個驗證簽名在幾十以及一百筆的數據。換句話說，簽名驗證的這個速度，你更加不可能說整個網路TPS有多好的指標。每一個小的環節沒有做到，別說整體TPS可以做到了，這是更加不可能的。我們目前已經實現了一套硬體簽名技術。簽名達到了三萬，未來我們整個系統的負載，TPS可能先達到三萬這樣的一個指標。當然這個需要不斷改進。

HPB的技術總覽

這是我們的核心模塊，一個是BOE，blockchainoffload Engine。這個BOE裡面包括了網路處理的引擎，再加上區塊鏈的業務邏輯。共識演算法，會跟硬體深度定製。另外一個是異構系統，前面我們可以看到整個物理資源是伺服器以及加速卡，更細節來講是一個系統架構，我們會做一個插卡的形式，有一個介面可以直接插到電腦上面或者伺服器上面，為多種伺服器或者PC實現晶元的共識、伺服器的功能。

這是我們第二代的核心功能，BOE，硬體架構。我們通過顏色介紹各個模塊的功能，黃色部分DDR4是內存，很多模塊處理數據或者網路需要內存的支持，保證小的模塊沒有問題，內存支持。

下面這一塊橙色部分，也可以搞TOE，就是處理網路的並發執行力的連接等等，一些網路連接的處理功能。

中間這一塊，紫色部分是HPB Engine以及ARM架構。藍色的部分是PCIE,SATA, USB和HDMI，一些高速的速度處理以及外部伺服器的插卡、介面都是通過這一部分來實現的。這是四種顏色分別代表了四種模塊大體的方向功能。

未來要實現十萬筆每秒的TPS，整個存儲也是一個大的問題，第一代產品對存儲沒有做預留，未來可以通過SATA和USB介面把新的一些需求引入進來，這是設計介面的出發點。

未來如果網路方面有更深入或者更高要求的時候，我們用TOE模塊做一些升級，從而達成了HPB Engine實現軟體層面難以實現的性能要求。

共識演算法，跟現在主流做法有什麼相同點和不同點？我們研究了可能實現高HPB的性能演算法，借鑒這個演算法之後我們提出來了一個硬體共識演算法，分兩部分，一部分是外層選舉，一個是內層選舉，一共兩個部分組成。

因為我們有BOE整個硬體伺服器，我們通過共識節點伺服器，這個伺服器的時間，伺服器網路處理能力，綜合評定是否可以達到我們共識節點的要求，如果達到了要求我們就會把你放到可信節點裡面，進入可信節點就是進入內存選取。

這樣的做法是，首先硬體保證了，網路存儲率非常好，所以很快選出內存節點。內存選節相對是比較公正的列表，數量跟安全性各個方面都可以綜合考慮到，所以性能會非常的優異。

安全性跟性能是有點悖論的參數，但是我們通過硬體技術妥善了解決了有點衝突的。我們通過硬體共識機制，通過內層和外層以及選舉的方式，快速安全選出我們的共識節點。

共識包括內層選舉和外層選舉。內層選舉目標就是快速確認鏈的生產者，N1、N2、N3。內存選取包括兩個部分，第一部分是提交，第二部分是確認。提交是N1-N3會每一個都提交上去，每一個節點會拿到他提交上來是自己發的，再交給全網可信節點，這是內存選舉可信列表，幫助網路確認出來，區塊是不是真實可信，確認好以後可以寫入到我們區塊鏈裡面去。

外部選舉將選出來一個可信列表，在可信列表裡面通過一個快速共識過程，達成我們快速的共識演算法，整個共識做法可以硬體加速技術使它更快、更安全。現在越來越多的公司或者業界的項目認識到，性能問題是擺在整個區塊鏈行業重大問題。

業界方案對比

相同點，包括HPB我們都希望做一個百萬級並發設計的頂層區塊鏈。用戶免費使用，以太坊的轉帳，終端用戶是需要掏手續費，如果沒有以太幣就不能完成轉帳以及業務產品的交易，我們設計師未來希望用戶是免費，費用是由硬體開發商承擔。並行架構應用程序互不影響。

之前的應用可能很多人都知道以太貓，它比較火，把整個網路塞死了，堵了好幾天，導致整個網路基本上處於不可用的狀態，這是非常要命的事情。我們希望未來各應用程序之間可以互相鼓勵設計，你的應用跟我沒有關係，我們各自使用各自的設計就可以了。

不同點，因為這是一個軟體架構層級的優化，HPB是一個軟硬體體系的架構，HPB使用通用伺服器，我們設計的HPB區塊伺服器，預計五月份會推出。最近一個熱點EOS選擇超級節點，因為超級節點對伺服器的配置，對網路要求是非常高的，它的價值極其昂貴，普通人很難進來，所以它的門檻非常高。

HPB一個非常有特點的地方是很多個節點。我們做法是通過軟硬體設計出專業的硬體伺服器。另外，因為我們的伺服器專門為區塊鏈做定製，所有東西都是為區塊鏈設計，所以我們成本非常低，推出來大家就可以知道我們的價格，非常低，大家都可以參與進來。

HPB的超高並發BOE引擎，這是我們整個核心的架構。高性能硬體簽名技術，我們通過簽名的技術的改善，先從簽名這個環節達到3～5萬的性能指標，從而支持整體的系統性能達到五萬、十萬以及第一期的目標。

HPB是業界首個開源方案，包括整個BOE技術，硬體開源其實是一個並不容易的事情，這個方案可以直接賣錢，直接帶來營收。我相信包括IBM、華為、浪潮這樣伺服器生產商他們也不會開源他們的硬體伺服器產品的代碼。

區塊鏈是一個完全開源的世界，所以我們希望把我們的方案開源出來。軟體相對門檻低一些，硬體有很多不可控的因素，這個門檻相對比較高一點，所以做這個事情是需要一點對行業的理解以及對行業未來大趨勢的看好，才願意花很多的資金、精力做這個研發。

我們團隊的核心成員大概有15～17年相關領域的工作經歷，因此我們推出伺服器的速度相對快一些。團隊成員還有來自金融、經濟以及密碼學等領域的專家。

由於這個項目做得比較深入，業界很多大咖都支持了我們，包括NEO、bibox以及幣信網都是我們這個項目的早期支持者。

據我們觀察，目前整個業界對區塊鏈的認可度越來越高，大家的方案或多或少已經透出硬體的影子，包括簽名技術、伺服器的方面已經往硬體方面發展，我們希望能夠對行業一個長期的堅持跟投入，能夠為區塊鏈的發展盡一點微薄之力。

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