Hallo zusammen, um eine extreme Skalierung für die Zukunft zu erreichen, durchläuft Ethereum eine beispiellose grundlegende Operation.
Wir wissen, dass Ethereum wie ein global geteilter Supercomputer ist, der ein äußerst großes und effizientes „Hauptbuch“ benötigt, um die Salden und Smart-Contract-Daten aller zu erfassen. Derzeit verwendet dieses Hauptbuch eine Datenstruktur namens MPT (Merkle-Patricia-Baum).
Aber mit dem rasanten Voranschreiten von Ethereum in Richtung „zustandsloser Client“ und extremer Skalierung wird MPT immer mehr als überladen und machtlos empfunden. Daher haben die Kernentwickler von Ethereum einen radikalen Alternativvorschlag gemacht: Binärer Trie (Binärbaum, Codebezeichnung EIP-7864).
Kann dieser vielversprechende „neue Hauptbuch“ auf echten physischen Servern die Leistung erbringen? Ist es bereit, das Ethereum-Hauptnetz im Wert von mehreren Milliarden Dollar zu übernehmen?
Kürzlich haben die Geek-Community auf erstklassiger Serverhardware einen harten „Extremleistungstest“ dieser beiden Generationen von zugrunde liegenden Datenstrukturen durchgeführt.
Heute analysieren wir die echte Situation in diesem Spitzenkonfrontation detailliert.
Erstens, schnelle Übersicht über den Kernkonflikt: Der neue König ist noch nicht gekrönt, die Leistung hat immer noch Schwierigkeiten.
Kommen wir direkt zum Fazit: In der derzeitigen Testversion wird der neuartige „binäre Trie (binärer Baum)“ in Bezug auf die Geschwindigkeit vollständig von dem bestehenden MPT übertroffen.
Daten lesen: Der binäre Baum ist etwa 1,7-mal langsamer als MPT.
Daten schreiben: Der binäre Baum ist etwa 2,5-mal langsamer als MPT.
💡 【Besondere Klarstellung】 Lassen Sie sich nicht von den oberflächlichen Daten täuschen: In frühen groben Tests rief jemand aus, dass der neue Baum im Vergleich zum alten Baum erstaunliche 9,6 Mal langsamer sei. Das war jedoch ein Trugschluss, der durch die unterschiedlichen „Abrechnungsregeln (Gasverbrauchsalgorithmen)“ der beiden verursacht wurde. Nach der Vereinheitlichung des Startpunkts und nachdem die Geeks in der vergangenen Woche vier extreme Optimierungs-Patches schnell aufgetragen haben, hat sich der tatsächliche Leistungsunterschied auf „kontrollierbare Schmerzgrenzen (1,7 ~ 2,5 Mal)“ verringert.
Zweitens, die grundlegende Frage: Warum ist der binäre Baum langsam?
Da der binäre Baum der zukünftige Evolutionsweg ist, warum ist seine Geschwindigkeit jetzt langsamer als die alte Technologie? Das muss von den Unterschieden in den zugrunde liegenden Architekturen beider Seiten erklärt werden.
💡 【Einfache Erklärung】 Unterschiede zwischen MPT und dem binären Baum:Daten finden ist wie „Wörterbuch nachschlagen“. MPT (aktuelles Hauptbuch): verwendet eine „Mehrfachbaum“-Struktur. Es ist wie ein modernes Wörterbuch mit einem vollständigen Pinyin-Index, um „Zhang Sans Kontostand“ zu finden, muss man nur 5 bis 6 Mal (Knoten) , um genau zur spezifischen Seite und Zeilennummer zu gelangen.
Der binäre Baum (künftiges Hauptbuch): verwendet eine äußerst strenge, aber starre „schwarz-weiße“ Struktur. Es hat alle Konten und Daten in einen riesigen zweidimensionalen Raum gepresst. Um „Zhang Sans Kontostand“ zu finden, muss man dem Stamm folgen und über 50 Mal „Links oder Rechts?“ entscheiden, um etwa 52 Knoten zu überqueren, um zu finden.
Der entscheidende Grund, warum der binäre Baum um 1,7-mal langsamer ist, liegt in der dramatischen Zunahme der „Suchwege (von 5 auf 52)“.
Auf der Computerbasis muss bei jeder Suche nach einem Knoten einmal die Datenbank auf der Festplatte (Pebble's LSM-Baum) durchsucht werden. Obwohl die Entwickler ihr Bestes getan haben, um zu optimieren, führt diese 52-malige Rückkehr zur Festplatte weiterhin zu einer erheblichen Erhöhung der Lesezeit (State_read_ms) des Systems.
Ein äußerst interessantes Phänomen wurde im faszinierenden Test des „Cold Tail Effect“ entdeckt: Wenn die Anzahl der Transaktionen in einem Block zunimmt, sinkt die Geschwindigkeit, mit der ein binärer Baum Daten findet, dramatisch (die Kosten für eine einmalige Suche steigen um das 7,5-fache).
Warum? Weil das System zu Beginn der Verarbeitung eines großen Blocks die oft aufgerufenen „Baumspitzennodes“ in den RAM (Prefetcher) zwischenspeichert. Aber mit zunehmender Tiefe der Transaktionen muss das System ständig in den „kalt genutzten Ästen (sehr tiefen Pfaden)“ nachforschen, wobei jeder Versuch eine neue Anfrage an die langsame Festplatte erfordert.
Drittens, die Schmerzen beim Schreiben: Leistung, die durch „Hash-Berechnungen“ erdrückt wird.
In der Blockchain ist es wichtiger, Daten nach einer Überweisung zu aktualisieren (zu schreiben), als sie nur zu lesen. Tests zeigen, dass die Schreibzeit des binären Baums (Zeit pro Slot) 2,5 Mal so hoch ist wie bei MPT.
💡 【Einfache Erklärung】 Status-Hash-Berechnung (State_hash_ms): Die Antiverfälschungsmechanismen der Blockchain erfordern: Sobald auch nur 1 Yuan im Hauptbuch geändert wird, muss der gesamte „Anti-Fälschungscode (Hash-Wert)“ des Hauptbuchverzeichnisses neu berechnet werden.
Im Design des binären Baums (GD-5-Gruppe Tiefe) würde die Änderung eines zugrunde liegenden Datensatzes bis zu 260 Mal die lokale Anti-Fälschungscode (SHA-256) Neuberechnung auslösen. Im Vergleich dazu benötigt das alte MPT nur 10 bis 15 Aktualisierungen.
Aber denken Sie nicht, dass es am CPU-Rechenvermögen mangelt! Tests zeigen, dass die tatsächliche CPU-Zeit für kryptografische Berechnungen nur 2 % bis 5 % ausmacht, während über 95 % der langen Zeit im I/O (Input/Output)-Sumpf verbracht werden, um „über die 50 Knoten zurückzuklettern und die Knoten von der Festplatte zu lesen und zu aktualisieren“.
Viertens, die entscheidende Frage: Ist der binäre Baum bereit für das Hauptnetz?
Die Schlussfolgerung ist sehr klar: Derzeit sind wir noch nicht bereit.
Das Ethereum-Hauptnetz hat eine strikte Anforderung: Alle 12 Sekunden muss ein neuer Block produziert werden. Unter extremem Druck benötigt der aktuelle binäre Baum fast 10,9 Sekunden, um einen Standardblock zu verarbeiten, und verbraucht damit 91 % des 12-Sekunden-Kontingents. Das bedeutet, dass es fast keinen Raum für Netzwerkübertragung, Beweisgenerierung und andere redundante Operationen lässt. Wenn es jetzt erzwungen wird, das Hauptnetz zu betreten, könnte es sehr wahrscheinlich zu einem großflächigen Ausfall von Ethereum führen.
Gibt es also Hoffnung für diesen grundlegenden Austausch?
Die Antwort ist vielversprechend. Eine Differenz von bis zu 1,7 bis 2,5 Mal klingt beängstigend, aber angesichts der fast 10-fachen Komplexität des zugrunde liegenden binären Baums ist dieser Leistungsabfall tatsächlich bereits sehr gut optimiert.
Außerdem haben die Geeks noch drei „ultimative Waffen“, die sie nicht enthüllt haben:
Snapshot-Ebene (Snapshot) Dimensionsreduktion: Das bedeutet, die baumartige Struktur direkt abzuflachen und in ein flaches Hauptbuch für eine schnelle Abfrage zu verwandeln. Wenn es gelingt, die Snapshot-Ebene erfolgreich auf dem binären Baum zu implementieren, könnte der Nachteil von 1,7-facher Lesedauer sofort ausgeglichen werden.
Rekonstruktion der zugrunde liegenden Datenbank-Engine: Die derzeit getestete Pebble-Datenbank ist möglicherweise nicht geeignet für die „tiefen“ Leseoperationen des binären Baums, in Zukunft wird der Wechsel zu einer speziellen Engine für die sequentielle Leseabfrage die Leistung weiter steigern.
Parallelverarbeitung (Parallel EVM): Dies ist Ethereums ultimative Geheimwaffe, die mit Multithreading gleichzeitig verarbeitet, um die zugrunde liegende Latenz bei der Abfrage vollständig zu täuschen.
Fazit: Dieser Konflikt zwischen MPT und dem binären Baum ist eigentlich ein grausames Spiel zwischen „aktueller Effizienz“ und „künftiger Skalierbarkeit“.
Obwohl der neuartige binäre Baum derzeit in der Lese- und Schreibgeschwindigkeit im Nachteil ist, ist er der unvermeidliche Weg zur Implementierung von Ethereums zustandslosem Client mit extrem niedrigen Anforderungen an die Speicherung von Knoten. Schmerzen sind unvermeidlich, aber das ist der Prozess, den jede großartige zugrunde liegende Technologie durchlaufen muss, bevor sie sich verwandelt.
In den kommenden Monaten werden wir weiterhin beobachten, wie die Geek-Community Schritt für Schritt diese 12 Sekunden physische Grenze ausreizt. Bleiben Sie dran.
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