Аннотация: В этой статье получатель гранта 100x Group Келвин Ким сообщает об успехах в повышении скорости начальной загрузки блоков биткоина (IBD) с помощью клиентского приложения Utreexo. Величина повышения скорости варьируется в зависимости от используемого оборудования и проблем конкретного пользователя, но в целом начальную загрузку и проверку блоков можно ускорить на 62% по сравнению с Bitcoin Core. Поскольку многие средства оптимизации еще не реализованы, ожидается, что в дальнейшем скорость загрузки еще вырастет. Келвин также рассказывает о том, как IBD можно разделить на несколько задач, которые могут выполняться несколькими компьютерами параллельно. В конечном итоге планируется реализовать Utreexo на C++ и включить его в Bitcoin Core. Хотя до этого еще далеко, реализация на C++ уже началась.
Я рад сообщить, что проект Utreexo готов поделиться своими успехами в повышении скорости полного процесса проверки блокчейна биткоина – начальной загрузки блоков (Initial Block Download, IBD). Мы завершили реализацию альфа-версии узла проверки блоков в произвольном порядке (Out of Order Block Validating Node) на базе utcd, нашего форка btcd (узла биткоина, написанного на Go), и провели сравнительное тестирование этого узла с BItcoin Core 21.0.0.
В процессе тестирования нам удалось ускорить IBD примерно на 62% по сравнению с Bitcoin Core 21.0.0 (в режиме по умолчанию) при условии отсутствия ограничений пропускной способности сети со стороны пользователя. Мы ожидаем, что по мере реализации новых средств оптимизации разница в скорости будет увеличиваться. Наш узел проверки блоков в произвольном порядке также позволяет выполнять IBD на нескольких компьютерах, что дает уникальное преимущество по сравнению с другими существующими сегодня реализациями узлов биткоина.
В ближайшее время мы опубликуем отдельный материал, в котором объясним, как выполняем проверку блоков в произвольном порядке с помощью аккумуляторов Utreexo.
Почему повышение скорости загрузки блоков важно?
Начальная загрузка блоков (IBD) — первый шаг, который должны выполнить каждый, кто хочет присоединиться к сети биткоина в роли контролера исполнения правил. Это процесс загрузки и проверки всех блоков, начиная с генезисного блока 2009 года и заканчивая сегодняшним блоком. Проверка каждого блока чрезвычайно важна, так как не позволяет недобросовестным пользователям нарушать правила консенсуса в сети биткоина, а именно:
- Создавать биткоин из воздуха.
- Изменять максимальное предложение биткоина.
- Похищать чужие монеты.
В сети биткоина можно участвовать, используя доверенные сторонние узлы (например, узлы, работающие под управлением бирж, сторонних кошельков и т. д.). Но это опасно как для пользователей, так и для сети биткоина в целом. Пользователь может пострадать, так как доверенная третья сторона может обманом лишить его средств. Сеть биткоина в целом может пострадать, поскольку если в сети недостаточно пользователей, управляющих полноценными узлами, чтобы обеспечить соблюдение правил, недобросовестные игроки могут нарушить правила консенсуса, но об этом никто не узнает. Роль контролера исполнения правил в сети биткоина невозможно переоценить как для собственной безопасности пользователя, так и для безопасности сети в целом. Но для того чтобы присоединиться к сети биткоина в качестве контролера исполнения правил, необходимо выполнить начальную загрузку блоков (IBD).
Поэтому предельное снижение времени IBD как входного барьера для участия в сети в качестве контролера исполнения правил будет очень полезно как для сети, так и для пользователей. Речь идет о том, чтобы все желающие могли выполнить IBD и стать контролером исполнения правил как можно быстрее и проще. Последние результаты тестирования и успехи с аккумулятором Utreexo показывают, что входной барьер для участия в сети в качестве контролера исполнения правил будет значительно снижен.
Сравнительный анализ
Сравнительный анализ выполнялся на основе данных, полученных с локального узла с использованием гигабитного соединения.
| Процессор | Ryzen 3600 |
| Память | Samsung 32GB DDR4 2666MHz |
| Накопитель | 1TB HP SSD EX950 M.2 NVMe |
| Версия Bitcoin Core | v21.0.0 |
| Версия ядра Linux | 5.7.19 |
| Настройки bitcoin.conf | -dbcache=24000-maxmempool=1000 |
При гигабитном соединении utcd смог выполнить IBD примерно на 36% быстрее, чем Bitcoin Core v21.0.0. Мы пока не реализовали кэширование доказательств включения элементов Utreexo (Proof) в utcd, и utcd загружает примерно 900 ГБ данных. При гигабитном соединении это займет не менее 2 часов. Из проектного документа Utreexo мы знаем, что при кэшировании Utreexo Proof необходимо будет загрузить около 450~500 ГБ данных. Ниже показаны результаты того же теста IBD, но в этом случае обслуживающий узел находился на той же машине, чтобы сымитировать производительность после реализации кэширования Utreexo Proof.
Как видно из графиков, скорость загрузки повышается примерно на 62%.
Мы также провели сравнительный анализ обоих узлов с полной проверкой подписей.
Как видим, при полной проверке подписей скорость utcd падает примерно на 15%. Это связано с тем, что проверка подписей — самый проблематичный процесс, который занимает около 80% времени проверки, как показано на приведенном ниже визуальном графике.
Поскольку libsecp256k1 вызывает и utcd, и Bitcoin Core, увеличение времени загрузки на 15% вполне логично, ведь вызов Go к C (cgo) сопряжен с весьма значительным потреблением ресурсов.
И хотя в ходе моего теста аккумуляторы Utreexo не ускорили процесс IBD при проверке всех подписей, в будущем с Taproot все будет иначе. Taproot позволяет проверять все подписи в блоке группами (это связано с характером подписей Шнорра), что значительно ускоряет процесс проверки подписей. Как следствие, со временем главная проблема будет не в проверке подписей, а в возможном зависании диска. Таким образом, хотя аккумуляторы Utreexo не ускоряют процесс проверки всех подписей, мы считаем, что в будущем это изменится.
Также обратите внимание, что аккумуляторы Utreexo ускоряют процесс проверки при использовании многоядерного процессора, но в этом случае возникает проблема с доступом к диску. Пользователь, запускающий узел сети биткоина на жестком диске, также заметит увеличение скорости, несмотря на проблемы с диском.
Сравнительный анализ начальной загрузки блоков с использованием нескольких компьютеров
Разделение общего объема работы и использование нескольких вычислительных ресурсов (центрального процессора, графического процессора, одноядерного процессора и т. д.) для одновременного выполнения работы известно как параллельные вычисления. Аккумуляторы Utreexo позволяют выполнять IBD с помощью нескольких компьютеров. В многомашинной структуре IBD есть два ключевых компонента: координатор и исполнитель.
Задача машины-координатора — отслеживать, какие блоки уже проверены. Координатор также передает еще не проверенные блоки исполнителю (или рабочему). Исполнитель получает блоки, которые нужно проверить, проверяет их и сообщает, являются ли эти блоки действительными или нет. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все блоки в цепочке не будут проверены.
В системе должен быть только один координатор, к которому можно подключить несколько машин-исполнителей.
Координатор также является исполнителем; он также проверяет блоки. В нашей структуре три машины-исполнителя подключены к машине-координатору, и они проверяют блоки вместе с узлом координатора. Важно отметить, что исполнители и координатор не обязательно должны быть настольными компьютерами. Это может быть любое вычислительное устройство, например, смартфон.
Многомашинную структуру IBD можно использовать в тех случаях, когда мы не пользуемся своими телефонами и ноутбуками. Например, можно использовать телефон в ночное время для синхронизации узла Raspberry PI. Семья также может использовать все имеющиеся у нее гаджеты в тандеме для выполнения IBD.
Ниже приведены результаты теста для структуры из двух машин, вместе выполняющих IBD.
Машина 1
| ЦПУ | Ryzen 3600 |
| Память | Samsung 32GB DDR4 2666MHz |
| Накопитель | 1TB HP SSD EX950 M.2 NVMe |
Машина 2
| Macbook Pro M1 – 8ГБ объединенной памяти (MacBookPro17,1) |
Используя две машины, мы смогли выполнить IBD с полной проверкой подписей быстрее, чем Bitcoin Core v21.0.0.
Добавление дополнительных исполнителей
В многомашинной структуре IBD необходимо согласование рабочих операций между всеми исполнителями и координатором, что, в свою очередь, увеличивает объем выполняемой работы. Время, затрачиваемое на эту координацию, называется параллельными ресурсными затратами.
Если параллельные временные затраты велики (т.е. если координация занимает много времени), это ограничивает возможности распараллеливания рабочей задачи.
В случае проверки блоков в произвольном порядке параллельными ресурсными затратами является загрузка заголовков. При гигабитном соединении загрузка заголовков заняла 4,403 секунды. Поскольку на весь процесс IBD было потрачено в общей сложности 426 минут (с полной проверкой подписей), распараллелить можно 99,982% работы. Мы можем использовать эту информацию, чтобы определить прогнозируемое максимальное ускорение процесса IBD при использовании большего количества компьютеров на основе закона Амдала.
При использовании разумного количества компьютеров с AMD Ryzen 3600 скорость будет почти идеальной (добавление каждой новой машины ускоряет процесс в 1x). Приведенный ниже линейный график хорошо это демонстрирует.
Загрузка заголовков — единственная последовательно выполняемая часть процесса IBD с использованием аккумуляторов Utreexo — необходима для обеспечения медианы прошедшего времени по транзакциям с проверкой последовательности (Check Sequence Verify)(помимо прочего). В текущей реализации все машины, используемые в многомашинной структуре IBD, выполняют загрузку заголовков по отдельности. Мы планируем добавить эти данные в Utreexo Proof, чтобы устранить загрузку заголовков машинами-исполнителями (чтобы ее выполнял только узел-координатор). Это позволит ускорить процесс при использовании еще большего количества вычислительных ресурсов.
Ограничения проверки блоков в произвольном порядке
Поскольку процесс IBD с аккумуляторами Utreexo требует передачи дополнительных данных (около 20%), это может увеличить время, затрачиваемое на IBD пользователями, у которых есть проблемы со скоростью интернета. Но пользователи, не испытывающие проблем со скоростью интернет-соединения и способные принять эти дополнительные 20%, очень выиграют от начальной загрузки блоков в произвольном порядке. Мы также совершили прорыв в исследованиях аккумулятора Utreexo, который позволит значительно уменьшить количество дополнительных загружаемых данных. Подробнее об этом см. ниже, в разделе «Дальнейшая работа».
Future work
Уменьшение размера доказательств Utreexo (Utreexo Proof)
Главный недостаток аккумулятора Utreexo в том, что доказательства использования Utreexo (т.н. Proof) имеют совсем не маленький размер. Это увеличивает размер архива, который должен храниться в узле Utreexo, и повышает трафик в узлах Utreexo. Недавняя статья Болтона Бейли и Сурьянараяны Санкагири показывает, что эффективность пакетной обработки доказательств Utreexo можно повысить. В своей работе они показывают, что смогли уменьшить размер доказательств в 4,6 раза. Это сжатие позволило бы уменьшить использование места и трафика.
Тадж Дрыя уже разработал новый дизайн аккумулятора Utreexo на основе выводов, сделанных Болтоном Бейли и Сурьянараяной Санкагири. В этом году мы будем заниматься внедрением этого нового дизайна.
Прогностическое кэширование
Существующий алгоритм кэширования, рассмотренный в проектном документе Utreexo, сокращает загрузку дополнительных данных примерно на 20%. Но мы можем добиться большего, используя теоретически оптимальный алгоритм кэширования, или алгоритм «ясновидящего» (прогностического) кэширования. Этот алгоритм обычно невозможно реализовать, так как он требует осведомленности о будущих событиях. Однако в процессе IBD пиры, к которым мы подключаемся, точно знают, что произойдет дальше, поэтому этот алгоритм может быть реализован. В настоящее время над этим проектом работают Клэр Бао и Тадж Дрыя.
Реализация на C++
Конечной целью проекта Utreexo является включение функциональности аккумуляторов Utreexo в Bitcoin Core. Но поскольку референсная кодовая база аккумулятора Utreexo написана на языке Go, необходимо написать реализацию на C++. Этот проект называется libutreexo, им руководит Никлас Гёгге. Он также работает над форком Bitcoin Core с libutreexo и изучает, как вписать аккумуляторы Utreexo в кодовую базу Bitcoin Core.
Проверка моих утверждений
Код, который я использовал для выполнения сравнительных тестов, можно найти здесь: github.com/mit-dci/utcd. Информацию о том, как повторить проведенные мной тесты, см. в файле readme в репозитории.
Заключение
Возможность проверки всех блоков за всю историю блокчейна биткоина чрезвычайно важна, так как повышает безопасность как отдельных пользователей, так и сети биткоина в целом. Я считаю, что с помощью аккумуляторов Utreexo мы можем облегчить пользователям эту задачу. Хотя еще многое предстоит сделать, прежде чем эта технология попадет к конечному пользователю, мы уже достигли существенных успехов. Присоединяйтесь к нам на github.com/mit-dci/utreexo, если хотите помочь нам ускорить процесс проверки блокчейна.