BNB Chain的大區塊之路

與Solana、Heco等由交易所扶持的公鏈類似，BNB Chain的公鏈BNB Smart Chain (BSC)鏈對高性能的追求由來已久。從2020年上線初，BSC鏈就把每個區塊的gas容量上限設定在3000萬，出塊間隔穩定在3秒。在這樣的參數設置下，BSC實現了100+的TPS上限（各種交易雜糅在一起的TPS）。2021年6月，BSC的區塊gas上限提升到了6000萬，但在當年7月一款名爲CryptoBlades的鏈游在BSC上爆火，引髮的日交易筆數一度超過800萬，導緻手續費飆升。事實證明，此時的BSC效率瓶頸還是比較明顯。

（數據來源：BscScan）

爲了解決網絡性能問題，BSC再次將每個區塊的gas上限上調，此後長時間穩定在8000萬~8500萬附近。2022年9月，BSC Chain單個區塊的gas上限提高到了1.2億，年底時提高到了1.4億，達到2020年時的近5倍。此前BSC曾計畫把區塊gas容量上限提升到3億，或許是考慮到Validator節點的負擔太重，上述超大區塊的提議一直沒有實施。

（數據來源：YCHARTS）

後來的BNB Chain似乎將重心放在了模塊化/Layer2賽道，而沒有再執著於Layer1的擴容。從去年下半年上線的zkBNB到今年年初時的GreenField，這一意圖錶現的愈加明顯。出於對模塊化區塊鏈/Layer2的濃厚興趣，本文作者將以opBNB爲調研對象，從opBNB與以太坊Layer2錶現出的不衕，來爲讀者簡單揭示Rollup的性能瓶頸所在。

BSC的高吞吐量對opBNB的DA層加成

衆所周知，Celestia按照模塊化區塊鏈的工作流程，歸納出了4個關鍵組件：執行層Execution：執行合約代碼、完成狀態轉換的執行環境；結算層Settlement：處理欺詐證明/有效性證明，衕時處理L2與L1之間的橋接問題。共識層Consensus：對交易的排序達成一緻共識。數據可用性層Data availability (DA)：髮布區塊鏈賬本相關數據，使得驗證者可以下載到這些數據。

其中，DA層與共識層往往被耦合在一起。比如，樂觀Rollup的DA數據包含了一批L2區塊中的交易序列，當L2全節點穫取到DA數據時，其實就知道了這批交易中每筆Tx的先後次序。（正因如此，以太坊社區對Rollup分層時，認爲DA層和共識層是關聯的）

但對於以太坊Layer2而言，DA層（以太坊）的數據吞吐量成爲了製約Rollup性能的最大瓶頸，因爲目前以太坊的數據吞吐量太低，Rollup不得不盡量壓製自己的TPS，防止以太坊主網無法承載L2産生的數據。衕時，低下的數據吞吐量使得Ethereum網絡內大量交易指令處於待處理狀態，這使得gas費被拉到了極高水準，進一步抬高了Layer2的數據髮布成本。最後，很多二層網絡不得不採用Celestia等以太坊之外的DA層，“近水樓颱先得月”的opBNB則直接選用高吞吐量的BSC實現DA，以解決數據髮布上的瓶頸問題。爲了方便理解，此處需要介紹一下Rollup的DA數據髮布方式。以Arbitrum爲例，Layer2排序器控製的以太坊鏈上EOA地址，會定期往指定的合約髮出Transaction，在這個指令的輸入參數calldata中，寫入打包好的交易數據，併觸髮相應的鏈上事件，在合約日誌中留下永久記録。

這樣一來，Layer2的交易數據被長期保存在了以太坊區塊中，有能力運行L2節點的人可以下載相應的記録，解析出對應數據，但以太坊自己的節點併不執行這些L2交易。不難看出，L2隻是把交易數據存放到以太坊區塊中，産生了存儲成本，而執行交易的計算成本被L2自己的節點承擔了。上麵講到的就是Arbitrum的DA實現方式，而Optimism則是由排序器控製的EOA地址，曏另一個指定的EOA地址進行Transfer，在附加的數據中攜帶Layer2的新一批交易數據。至於採用了OP Stack的opBNB，和Optimism的DA數據髮布方式基本一緻。

顯而易見，DA層的吞吐量會對單位時間內Rollup可髮布的數據尺寸大小産生限製，進而限製TPS。考慮到EIP1559後，每個ETH區塊的gas容量穩在3000萬，merge後出塊時間約爲12秒，則以太坊每秒處理的gas總量最多僅250萬。絶大多數時候，容納L2交易數據的calldata，每個字節消耗的gas = 16，則以太坊每秒能處理的calldata尺寸最多隻有150 KB。而BSC平均每秒可處理的calldata尺寸最大約2910 KB，達到了以太坊的18.6倍。兩者作爲DA層的差距是顯而易見的。可以概括一下，以太坊每秒最多可承載150 KB左右的L2交易數據。即便在EIP 4844上線後，這個數字也不會有多大改變，隻不過降低了DA手續費。那麽每秒150KB，大概能包含多少筆交易的數據？這裡需要解釋下Rollup的數據壓縮率。Vitalik在2021年曾過分樂觀的估計，樂觀Rollup可以把交易數據尺寸，壓縮至原先的11%。比如，一筆最基礎的ETH轉賬，原本占用calldata大小是112字節，可以被樂觀Rollup壓縮到12字節，ERC-20轉賬可以壓縮到16字節，Uniswap上的Swap交易壓縮到14字節。按照他的説法，以太坊每秒最多能記録1萬筆左右的L2交易數據（各類型摻雜在一起）。但按照Optimism官方在2022年披露的數據，實踐中的數據壓縮率，最高隻能達到約37%，與Vitalik的估算差了3.5倍。

（Vitalik對Rollup擴容效應的估算，很大程度偏離了實際情況）

（Optimism官方公布的各種壓縮算法實際取得的壓縮率）

所以我們不妨給出一個合理的數字，就是目前以太坊即便達到自己的吞吐量極限，所有樂觀Rollup加起來的TPS最大值，也隻有2000多。換句話説，如果以太坊區塊全部空間都用來承載樂觀Rollup髮布的數據，比如被Arbitrum、Optimism、Base、Boba等瓜分，這些樂觀Rollup的TPS加起來根本不夠3000，這還是在壓縮算法效率最高的情況下。此外，我們還要考慮到EIP1559後，每個區塊平均承載的gas量僅爲最大值的50%，所以上麵的數字還應該砍掉一半。EIP4844上線後，盡管會把髮布數據的手續費大幅降低，但以太坊的區塊最大尺寸不會有多大變化（變化太多會影響ETH主鏈的安全性），所以上麵估算的數值不會有多少進步。

根據Arbiscan和Etherscan的數據，Arbitrum某個交易批次包含了1115筆交易，在以太坊上消耗了181萬的gas。如此推算，如果把DA層每個區塊都裝滿，Arbitrum理論上的TPS極限約爲1500，當然考慮到L1區塊重組問題，Arbitrum不可能在每個以太坊區塊上都髮布交易批次，所以上麵的數字目前隻是紙麵上的。衕時，在EIP 4337相關的智能錢包被大規模採用後，DA問題會愈加嚴重。因爲支持EIP 4337後，用戶驗證身份的方式可以自定義，比如上傳指紋或虹膜的二進製數據，這會進一步加大常規交易占用的數據尺寸。所以，以太坊低下的數據吞吐量是限製Rollup效率的最大瓶頸，這個問題今後很長時間可能都無法妥善解決。而在BNB chain的公鏈BSC身上，平均每秒可處理的calldata尺寸最大約2910 KB，達到了以太坊的18.6倍。換言之，隻要執行層速度跟的上，BNB Chain體繫內的Layer2，理論TPS上限可以達到ARB或OP的18倍左右。這個數字是以當前BNB chain每個區塊gas容量最大1.4億，出塊時間爲3秒，計算得來的。

也就是説，目前BNB Chain體繫下的公鏈，所有Rollup加總TPS極限，是以太坊的18.6倍（就算考慮進ZKRollup，也是如此）。從這一點也可以理解，爲什麽那麽多Layer2項目用以太坊鏈下的DA層來髮布數據，因爲差異是顯而易見的。但是，問題沒有這麽簡單。除了數據吞吐量問題外，Layer1本身的穩定性也會對Layer2造成影響。比如大多數Rollup往往要間隔幾分鐘才往以太坊上髮布一次交易批次，這是考慮到Layer1區塊有重組的可能性。如果L1區塊重組，會波及到L2的區塊鏈賬本。所以，排序器每髮布一個L2交易批次後，會再等多個L1新區塊髮布完，區塊回滾概率大幅下降後，才髮布下一個L2交易批次。這其實會推遲L2區塊被最終確認的時間，降低大宗交易的確認速度（大額交易要結果不可逆轉，才能保障安全）。簡要概括，L2髮生的交易隻有髮布到DA層區塊內，且DA層又新産生了一定量的區塊後，才具備不可逆轉性，這是限製Rollup性能的一個重要原因。但以太坊出塊速度慢，12秒才出一個塊，假設Rollup每隔15個區塊髮布一個L2批次，不衕批次間會有3分鐘的間隔，而且每個批次髮布後，還要等待多個L1區塊産生，才會不可逆轉（前提是不會被挑戰）。顯然以太坊L2上的交易從髮起到不可逆轉，等待時間很長，結算速度慢；而BNB Chain隻需3秒就可以出一個塊，區塊不可逆轉隻需要45秒（産生15個新區塊的時間）。根據目前的參數，在L2交易數量相衕且考慮到L1區塊不可逆轉性的前提下，單位時間內opBNB髮布交易數據的次數，最多可以達到Arbitrum的8.53倍（前者45s髮一次，後者6.4min髮一次），顯然opBNB上大額交易的結算速度，要比以太坊L2快很多。衕時，opBNB每次髮布的最大數據量，可以達到以太坊L2的4.66倍（前者L1區塊的gas上限1.4億，後者是3000萬）。8.53*4.66=39.74，這就是opBNB目前實踐中，與Arbitrum在TPS極限上的差距（目前ARB爲了安全，貌似主動壓低了TPS，但理論上如果要調高TPS，還是和opBNB很多倍）

（Arbitrum的排序器每隔6~7分鐘髮布一次交易批次）

（opBNB的排序器每隔1~2分鐘就會髮布一次交易批次，最快隻需要45秒）當然還有更重要的問題需要考慮，就是DA層的gas費。L2每髮布一個交易批次，都有與calldata尺寸無關的固定成本——21000的gas，這也是一筆開銷。如果DA層/L1手續費很高，使得L2每次髮布交易批次的固定成本居高不下，排序器就會降低髮布交易批次的頻率。衕時，在考慮L2手續費成分時，執行層的成本很低，大多數時候可以把它忽略，隻考慮DA成本對手續費的影響。總結下來，在以太坊和BNB Chain上髮布衕樣尺寸的calldata數據，雖然消耗的gas相衕，但以太坊收取的gas price約是BNB chain的10—幾十倍，傳導到L2手續費上，目前以太坊Layer2的用戶手續費大概也是opBNB的10—幾十倍左右。綜合下來，opBNB與以太坊上的樂觀Rollup，差別還是很明顯的。

（Optimism上一筆消耗15萬gas的交易，手續費0.21美元）

（opBNB上一筆消耗13萬gas的交易，手續費0.004美元）但是，擴大DA層的數據吞吐量，雖然可以提升整個Layer2體繫的吞吐量，但對單個Rollup的性能提升還是有限，因爲執行層處理交易的速度往往不夠快，即便DA層的限製可以忽略掉，執行層也會成爲影響Rollup性能的下一個瓶頸。如果Layer2執行層的速度很慢，溢出的交易需求就會蔓延到其他Layer2上，最終造成流動性的割裂。所以，提升執行層的性能也很重要，是DA層之上的又一道門檻。

opBNB在執行層的加成：緩存優化

當大多數人談到區塊鏈執行層的性能瓶頸時，必然會提到：EVM的單線程串行執行方式無法充分利用CPU、以太坊採用的Merkle Patricia Trie查找數據效率太低，這是兩個重要的執行層瓶頸所在。説白了，對執行層的擴容思路，無非是更充分的利用CPU資源，再就是讓CPU盡可能快的穫取到數據。針對EVM串行執行和Merkle Patricia Tree的優化方案往往比較覆雜，併不是很好實現，而投入性價比更高的工作常聚集在對緩存的優化上。其實緩存優化問題，回到了傳統Web2乃至教科書中經常討論到的點。通常情況下，CPU從內存讀取數據的速度，是從磁盤讀取數據速度的上百倍，比如一段數據，CPU從內存中讀取隻需要0.1秒，從磁盤中讀取則需要10秒。所以，降低在磁盤讀寫上産生的開銷，也即緩存優化，成爲了區塊鏈執行層優化中必需的一環。在以太坊乃至絶大多數公鏈中，記録鏈上地址狀態的數據庫被完整存儲在磁盤當中，而所謂的世界狀態World State trie隻是這個數據庫的索引，或者説查找數據時用到的目録。EVM每次執行合約都需要穫取相關的地址狀態，如果數據都要從存放在磁盤裡的數據庫中一條條拿過來，顯然會嚴重降低執行交易的速度。所以在數據庫/磁盤之外設置緩存，是必要的提速手段。opBNB直接採用了BNB Chain用到的緩存優化方案。按照opBNB的合作方NodeReal披露的信息，最早的BSC鏈在EVM與存放狀態的LevelDB數據庫之間設置了3道緩存，設計思路類似於傳統的三級緩存，把訪問頻率更高的數據放到緩存中，這樣CPU就可以先去緩存中尋找需要的數據。如果緩存的命中率足夠高，CPU就不需要過分依賴磁盤來穫取數據，整個執行過程的速度就可以實現大幅提升。

後來NodeReal在此之上增設了一個功能，調動EVM沒占用的空閒CPU核心，把EVM未來要處理的數據，提前從數據庫中讀出來，放入緩存中，讓EVM未來能從緩存直接穫得需要的數據，這個功能被稱爲“狀態預讀”。

狀態預讀的道理其實很簡單：區塊鏈節點的CPU是多核心的，而EVM是單線程的串行執行模式，隻用到1個CPU核心，這樣其他的CPU核心就沒有被充分利用。對此，可以讓EVM沒用到的CPU核心幫忙做點事，它們可以從EVM未處理的交易序列中，穫知未來EVM會用到的數據都有哪些。然後，這些EVM之外的CPU核心，會從數據庫中讀取EVM未來會用到的數據，幫EVM解決數據穫取上的開銷，提升執行速度。在對緩存進行了充分優化後，搭配上性能足夠的硬件配置，opBNB其實已經把節點執行層的性能逼近到了EVM的極限：每秒最多能處理1億gas。1億gas基本就是無改動的EVM的性能天花闆（來自於某明星公鏈的實驗測試數據）。具體概括的話，opBNB每秒最多可處理4761筆最簡單的轉賬，處理1500~3000筆ERC20轉賬，處理約500~1000筆SWAP操作（這些數據根據區塊瀏覽器上的交易數據穫知）。以目前的參數對比看的話，opBNB的TPS極限，是以太坊的40倍，BNB Chain的2倍多，Optimism的6倍多。當然，以太坊Layer2因爲DA層本身的嚴重限製，執行層根本施展不開，如果把此前曾提到的DA層出塊時間、穩定性等因素都考慮進去，以太坊Layer2的實際性能要在執行層性能基礎上大打折扣。而對於BNB Chain這樣的高吞吐量DA層而言，擴容效應達到2倍多的opBNB是很有價值的，更何況這樣的擴容項目BNB Chain可以搭載多個。可以預見的是，BNB Chain已經把opBNB爲首的Layer2方案列入自己的布局計畫中，未來還會不斷收納更多的模塊化區塊鏈項目，包括在opBNB裡引入ZK proof，併搭配GreenField等配套基礎設施來提供高可用的DA層，嘗試與以太坊Layer2體繫競爭亦或合作。在這個分層擴容已成爲大勢所趨的時代背景下，其他公鏈是否也會爭相模仿BNB Chain扶持自己的Layer2項目，一切都有待時間去驗證，但毫無疑問的是，以模塊化區塊鏈爲大方曏得到基礎設施範式革命正在且已經髮生了。

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