Otimizando o Armazenamento em Blockchain: Sistema de Armazenamento Baseado em Caminhos da Smart Chain

Introdução

Operar um nó completo é uma atividade de alta responsabilidade, que demanda supervisão constante e conhecimento técnico especializado. Os métodos tradicionais de gestão de nós trouxeram desafios relevantes, sobretudo relacionados às operações de poda offline, que historicamente impactam operadores em múltiplas redes blockchain.

O Path-Based Storage Scheme, introduzido no Geth V1.13.0, representa uma solução disruptiva para esses obstáculos recorrentes. Essa abordagem inovadora transforma o desempenho e a experiência do usuário ao redefinir, na essência, o modo como os dados de estado da blockchain são armazenados e administrados.

Este guia detalhado aborda três dimensões essenciais: os fatores estratégicos que motivaram a adoção do PBSS pelas principais smart chains, os ganhos de performance do PBSS frente ao modelo tradicional baseado em hash, e as otimizações específicas realizadas na implementação do PBSS, incluindo resultados empíricos de testes.

Por que as Smart Chains adotaram o PBSS?

Antes do PBSS, redes compatíveis com EVM enfrentavam grandes ineficiências estruturais no armazenamento baseado em hash. Essas limitações tornaram-se ainda mais críticas devido a características operacionais exclusivas: tempo de criação de bloco de apenas 3 segundos e gas limit de 140 milhões.

Esses parâmetros, embora ampliem o throughput de transações, geram pressões crescentes no armazenamento. O rápido acúmulo de dados de estado obrigava usuários a paralisar seus nós para podas offline demoradas—um processo específico do hash-based state scheme, introduzido no Geth 1.10.

O PBSS soluciona essas demandas ao entregar um recurso de poda online que reduz o inchaço do estado sem necessidade de operações offline. Em vez de exigir interrupção dos serviços, o PBSS administra dinamicamente o tamanho do armazenamento via processos de background contínuos, proporcionando uma experiência fluida. O ganho de desempenho é expressivo: o tempo médio de importação de bloco caiu de 698 para 531 milissegundos, uma redução de 24% no processamento dos blocos.

Path-Based vs Hash-Based

A diferença central entre PBSS e o modelo de hash está no mecanismo de armazenamento. O PBSS organiza os nós da trie por caminhos codificados como chaves, enquanto o hash-based utiliza o hash do conteúdo de cada nó. Essa distinção gera impactos significativos no desempenho do sistema.

O modelo baseado em caminhos permite poda inline dos dados de estado e otimiza o uso do armazenamento dos nós da trie. Essas melhorias se traduzem em maior performance e menor consumo de recursos.

O contraste fica claro nos padrões de crescimento do armazenamento. No modo hash, o banco de dados cresce cerca de 50GB por semana, refletindo o acúmulo de estados históricos. Já no modo path, esse crescimento é inferior a 5GB semanais—uma redução de dez vezes na expansão, tornando o modo path muito mais sustentável para operação de nós no longo prazo.

Inovações no PBSS da Smart Chain

Apesar de robusto, o PBSS exigiu adaptações para smart chains de alta performance, que lidam com volumes excepcionais de transações em suas estruturas EVM. Pesquisadores e engenheiros desenvolveram otimizações específicas para esse cenário, focando em dois desafios principais: a geração de blocos vazios quando validadores enfrentam volumes acima de 1.000 TPS, e variações marcantes de desempenho ao processar grandes lotes de transações.

Async Node Buffer

Inovação: Smart chains de alto desempenho adotaram uma estratégia assíncrona de buffer de nós, rompendo com abordagens síncronas tradicionais. Em redes com tempos de bloco mais longos, o buffer de nós é processado de modo síncrono, pausando o fluxo principal até concluir gravações em disco e sincronização de cache na criação de blocos.

Em redes com blocos a cada 3 segundos, a latência de operações síncronas em disco é intolerável. Para garantir eficiência e continuidade na produção de blocos, foi projetado um buffer assíncrono na camada de disco, que executa as operações de flush em paralelo, sem interromper a geração de blocos.

O funcionamento do buffer assíncrono de nós segue estes passos:

• A camada diferencial mais antiga confirma suas mudanças em disco de forma síncrona, sem aguardar a finalização do flush do buffer, mesmo que o limite de buffer seja ultrapassado.
• O buffer de nós conectado à camada de disco realiza gravações contínuas em background, permitindo que os demais processos sigam sem atrasos. Essas operações mantêm rigorosos padrões de segurança, garantindo integridade das transações e consistência dos dados de estado.
• O banco de dados mantém snapshots completos dos dados de estado em alturas específicas de blocos históricos, assegurando consistência e disponibilidade dos dados para validação.

Otimização do Cache de Nós da Trie

Inovação: Smart chains de alta performance ajustaram os parâmetros de cache da trie, aprimorando a estabilidade e eliminando variações inesperadas de desempenho—resposta direta aos novos desafios trazidos pelo buffer assíncrono de nós.

O aumento da frequência de gravações na camada de disco elevou a probabilidade de eventos de compactação do banco de dados, processo que consome recursos ao mesclar e reescrever dados para otimizar leitura e armazenamento, impactando throughput e latência.

A solução foi dobrar o tamanho do buffer na camada de disco, reduzindo a necessidade de compactações. Um buffer maior armazena mais dados antes de exigir gravações, diminuindo o número de ciclos de escrita e sobrescritas, principais causadores de compactação.

Combinando essa estratégia, a memória é gerida com um cache limpo que tem o dobro do tamanho do buffer de nós. Assim, o risco de sobrescrita ao sincronizar buffer de nós e cache limpo é drasticamente reduzido. Ao enviar alterações do buffer para o disco via cache limpo, a memória expandida mantém dados críticos sempre disponíveis, essencial para throughput elevado e baixa latência.

Otimização da Largura de Banda do Disco

Inovação: Smart chains de alto desempenho implementaram o PebbleDB otimizado (engine open-source), regulando com inteligência as operações de flush e compactação, prevenindo picos de latência que antes degradavam a performance. Trata-se de um avanço considerável sobre as arquiteturas legadas.

Hoje, o PBSS moderno substitui bancos de dados tradicionais pelo engine PebbleDB otimizado. Sistemas antigos não possuem controle de flushes e compactions, sempre operando no máximo e gerando picos de latência em leituras e gravações—sob grande volume de transações, esses picos são perceptíveis ao usuário.

O PebbleDB, por outro lado, utiliza limitadores de taxa independentes para flushes e compactions, calibrando a execução conforme a demanda. Assim, as operações ocorrem apenas na velocidade necessária, evitando sobrecarga do disco e garantindo performance constante sob alta carga.

O PebbleDB está cada vez mais presente em redes EVM, com esforços contínuos para ajustar configurações via testes específicos que consideram padrões de tráfego e perfis de transação, assegurando desempenho ideal em diversos cenários.

Benchmarks de Teste

Os testes coordenaram múltiplos validadores com versões binárias idênticas e hardware padronizado. Um validador operou em modo hash com banco de dados tradicional, outro em modo path com PebbleDB, mantendo todas as demais variáveis controladas.

Configuração de hardware dos validadores piloto:

• Instância AWS im4gn.4xlarge EC2
• 16 CPUs e 64 GB RAM
• 7TB Nitro SSD

Os testes, realizados de 2024 até o início de 2025, mostraram ganhos expressivos nas principais métricas de desempenho:

Os dados empíricos comprovam: o armazenamento baseado em caminhos garante avanços consistentes e relevantes em todas as operações essenciais. Embora utilize mais banda de disco, os limitadores de taxa do PebbleDB mitigam picos de latência que poderiam comprometer o desempenho do sistema.

Conclusão

A adoção do Path-Based Storage Scheme marca um divisor de águas na otimização da infraestrutura blockchain. Ao eliminar a poda offline e trazer gestão de estado online, combinada a buffers assíncronos, estratégias modernas de cache e controle inteligente da largura de banda, as smart chains de alta performance elevaram a eficiência de armazenamento e o desempenho operacional.

A redução de 24% no tempo de importação de blocos, somada ao novo ritmo de crescimento do armazenamento (de 50GB para menos de 5GB por semana), prova que o PBSS sustenta blockchains de alta performance. Inovações como o buffer assíncrono de nós e a otimização do PebbleDB atacam desafios reais de chains EVM de throughput elevado e oferecem soluções comprovadas para outras redes blockchain em cenário semelhante.

Com a pressão crescente por escalabilidade e desempenho, o PBSS e suas otimizações especializadas abrem caminho para infraestruturas mais eficientes e sustentáveis. Esses avanços consolidam as smart chains modernas como referência em otimização EVM e oferecem um modelo sólido para outras redes compatíveis com EVM que buscam escalar suas operações com estabilidade e alta performance.

FAQ

O que é BSC Storage? Quais suas principais funções e objetivos?

O BSC Storage é uma solução de armazenamento descentralizada baseada na Binance Smart Chain, que permite armazenamento e gerenciamento eficiente de dados para smart contracts. Suas funções principais são oferecer capacidade de armazenamento segura e escalável, reduzir custos on-chain e acelerar a confirmação de transações para aplicações blockchain.

Como armazenar e gerenciar dados no BSC Storage?

Baixe o SDK do BSC Storage e crie um bucket. Faça upload dos arquivos pelo SDK e acesse-os utilizando o formato de URL especificado. Recomenda-se organizar as pastas e nomear arquivos de modo consistente para facilitar o gerenciamento eficiente dos dados.

É seguro armazenar dados no BSC Storage? Quais riscos considerar?

O BSC Storage garante segurança com criptografia e controles de acesso. Os principais riscos envolvem acesso não autorizado e vazamento de dados. Para máxima proteção, ative criptografia forte e implemente um gerenciamento rigoroso de permissões.

Quais os prós e contras do BSC Storage em relação ao armazenamento em nuvem tradicional?

Vantagens: Segurança descentralizada, custos menores, propriedade dos dados com o usuário e resistência à censura. Desvantagens: Menor acessibilidade, ecossistema mais restrito, necessidade de conhecimento técnico e tecnologia ainda em amadurecimento.

Como são calculados os custos do BSC Storage? Existem taxas de uso?

O BSC Storage é gratuito e não possui taxas de uso. Apenas usuários com permissões para criar scorecards, inserir dados ou gerir contas pagam, com cobrança mensal por usuário. O acesso somente leitura é sempre gratuito e ilimitado.

Quais tipos de arquivos e dados o BSC Storage suporta?

O BSC Storage é compatível com imagens, vídeos, documentos e backups, lidando com grandes volumes de dados e armazenamento de objetos para diversas necessidades de armazenamento.