HPB研究所| 区块链交易处理流程及HPB优化

概括

市面上有很多区块链系统，比如公链以太坊（Ethereum）、比特币（Bitcoin）或者联盟链IBM的超级账本（Hyperledger），它们的交易结构不尽相同，它们也使用不同的Curve签名算法。 共识也有很多种：工作量证明（POW）、权益证明（POS）、共识算法（RAFT）等。

各种区块链系统之间存在很大差异比特币交易上链的过程，但在交易处理流程上大同小异。 因此，本文将详细介绍一笔交易从建立到打包整个生命周期中的各个环节，以及HPB是如何优化的。

区块链交易流程

我们可以参考下图来说明交易流程。 首先，交易构建和签名需要客户端根据交易的功能，如转账或调用合约，构建交易，包括发送方和接收方的转账金额等基本信息。 由于交易涉及个人资产安全，为了防止交易在区块链系统中被恶意攻击者篡改和伪造，钱包使用私钥对交易内容进行签名。 然后客户端通过网络协议将交易发送到节点的交易池中。 交易池会先验证其正确性和合法性，错误的交易会被踢出节点，正常的交易会留在池中，等待共识模块达成新一轮的共识。 当共识模块达成共识后，会将这些未决交易从交易池中打包成一个区块，交给处理执行模块。 处理执行模块根据交易内容执行用户想要的逻辑。 执行完成后，结果、交易、区块都被持久化到存储模块中，供后续的交易执行和查询操作使用。 在流程结束时，交易完成了它的使命并永久存储在链上。

1.1 组装和签名交易 交易内容可能因区块链系统不同而不同，但交易的主要组成部分包括发送方、接收方、转账金额、合约脚本、签名。

客户端根据要求组装交易后，使用钱包找到交易发送方的私钥对交易内容的Hash进行签名，并将签名结果放入交易中，以便节点交易池进行验证收到后。 交易内容是否在中途被篡改。

1.2 交易的广播客户端通过网络协议（RPC或HTTPS）将构造并签名的交易发送到某个区块链网络节点，该节点将通过P2P协议将交易广播到全网，其中也包括区块节点. 出块节点打包交易。

1.3 交易池处理 当节点的交易池收到来自客户端或P2P广播的交易时，首先会验证交易的正确性和合法性。 当基础验证通过后，交易进入交易池的缓存，共识会打包区块，从交易池中获取正确的交易。

1.4 共识打包区块 以POW共识为例，共识模块首先会组装区块头比特币交易上链的过程，区块头包含上一个区块的哈希值、时间戳、默克尔树根哈希值、工作量证明（POW难度值）、矿工用户地址和其他信息。 区块主体是从交易池中获取的正确交易，从而形成一个完整的区块，交由执行模块执行交易内容。

1.5 交易执行 区块链系统的执行模块会根据交易的类型和内容修改账户状态。 对于支持合约的区块链系统，执行模块会有一个虚拟机。 比如以太坊使用的是图灵完备的虚拟机EVM，而比特币只有基于栈的脚本系统，所以其合约的功能会比以太坊受到更大的影响。 限制很多。

由于区块链系统有很多节点分布式地执行交易，当执行模块拿到一个区块的所有交易时，按照交易排序后的顺序执行。 每个节点的执行结果是一致的，每个人都有相同的账本。

1.6 数据上链 区块执行时，执行结果、交易和区块都会持久化到DB中。 当下一个区块产生时，它会包含前一个区块的哈希值，从而形成一条链。 链越长，交易被推翻的可能性就越小，从而永久存储在链上。

HPB创新与优化

交易验证在区块打包和区块验证中占据了大部分时间。 据测试，以太坊的软件验证算法速度约为每秒4000次，加上前端交易池和区块同步的反复工作，有效验证交易速度仅为每秒2000次，完全使用非 POW 共识算法的区块链项目不能令人满意。

对此，HPB首先提出利用FPGA硬件实现交易验证算法，依托FPGA的大运算量和并发优势，以及配套的驱动，将验证速度提升至每秒2万次。

2.1 硬件签名传统区块链项目中，交易和区块签名的处理以及签名验证都是基于软件层面的，存在处理性能低、延迟时间长的缺点。

针对以上问题，HPB创新设计了BOE（Blockchain Offload Engine）技术。 它是一个异构处理系统，包括京东方硬件、京东方固件和预制的匹配系统软件。 通过结合CPU的串行能力和FPGA/ASIC芯片的并行处理能力，可以实现高性能、高并发计算。

-关注HPB核心链，获取更多第一手资讯-