Оптимизация хранения блокчейна: система хранения на основе путей в Smart Chain

Введение

Эксплуатация полного узла требует высокой ответственности, постоянного контроля и технической квалификации. Традиционная модель управления узлами неизменно сопровождалась серьезными трудностями — прежде всего из-за необходимости офлайн-прореживания, которое долгие годы оставалось проблемой для операторов узлов различных блокчейн-сетей.

Path-Based Storage Scheme, реализованная в Geth V1.13.0, принципиально изменила подход к решению этих проблем. Эта инновационная система значительно увеличивает производительность и улучшает пользовательский опыт, меняя саму архитектуру хранения и управления данными состояния блокчейна.

В данном обзоре раскрываются три ключевых направления: стратегические мотивы перехода ведущих смарт-сетей на PBSS, основные показатели роста производительности PBSS по сравнению с традиционными схемами на основе хэшей, а также конкретные оптимизации и результаты тестирования PBSS.

Почему Smart Chains внедрили PBSS?

До внедрения PBSS ведущие EVM-совместимые сети сталкивались с критическими недостатками хэш-ориентированной схемы хранения. Эти ограничения проявились особенно явно в условиях уникальных технических параметров — сверхбыстрой генерации блоков (3 секунды) и необычно высокого gas limit (140 миллионов).

Такие характеристики давали сети высочайшую пропускную способность транзакций, но приводили к резкому росту нагрузки на хранение. Быстрое увеличение данных состояния вынуждало пользователей регулярно останавливать свои узлы для изнурительных офлайн-операций прореживания — процесса, характерного только для хэш-режима, впервые реализованного в Geth 1.10.

PBSS устраняет эти критические проблемы благодаря функции онлайн-прореживания состояния, эффективно снижающей объем данных без остановок узла. Вместо вынужденных простоев PBSS автоматически управляет размером хранилища за счет непрерывных фоновых процессов, обеспечивая бесперебойную работу. Эффект впечатляет: среднее время импорта блока сократилось с 698 до 531 мс, что составляет внушительное снижение на 24%.

Path-Based и Hash-Based: сравнение

Главное архитектурное отличие PBSS от устаревшей хэш-модели — в принципах хранения данных. PBSS использует модель на основе путей, где trie-узлы идентифицируются с помощью закодированных путей, а хэш-модель опирается на хэши содержимого узлов. Эта разница влечет за собой заметный эффект для производительности системы.

Модель на основе путей позволяет проводить очистку состояния в онлайн-режиме и эффективнее использовать ресурсы хранения trie-узлов. Эти улучшения непосредственно повышают общую производительность и уменьшают потребление ресурсов.

Контраст в динамике роста хранилища особенно показателен. В хэш-режиме база состояния растет примерно на 50 ГБ в неделю из-за накопления исторических данных. В режиме путей прирост объема не превышает 5 ГБ в неделю. Это означает десятикратное сокращение скорости роста и делает режим путей оптимальным для долгосрочной эксплуатации узлов.

Инновации PBSS в инфраструктуре Smart Chain

Хотя PBSS дает прочную базу, высокопроизводительные смарт-сети столкнулись с вызовом управления экстремально высоким объемом транзакций в EVM-инфраструктуре. Для решения этой задачи инженеры и исследователи реализовали специальные корректировки, ориентированные на специфику нагрузки. Инновации затрагивают две основные проблемы: генерацию пустых блоков при нагрузке свыше 1 000 TPS и резкие колебания производительности при обработке крупных партий транзакций.

Асинхронный буфер узлов

Инновация: В высокопроизводительных сетях внедрена асинхронная стратегия буферизации узлов, принципиально отличающаяся от классических синхронных подходов. В традиционных сетях с долгим интервалом блоков возможна синхронная буферизация, когда основной процесс приостанавливается для завершения сброса данных на диск и синхронизации кэша в момент создания блока.

В сетях с трехсекундными блоками такой подход невозможен: сеть не выдерживает задержек, связанных с синхронными операциями на диске. Для поддержания максимальной эффективности и предотвращения простоев инженеры реализовали асинхронный буфер на уровне диска, который выполняет сброс данных параллельно в фоновом режиме, обеспечивая непрерывную генерацию блоков.

Асинхронный буфер узлов работает следующим образом:

• Самый старый дифференциальный слой синхронно фиксирует изменения на диск. При этом система не дожидается завершения сброса буфера узлов, даже если его размер превышает установленный лимит.
• Буфер узлов на уровне диска выполняет операции сброса в базу данных в фоновом режиме, не задерживая остальные процессы. Эти операции гарантируют безопасность транзакций и целостность состояния.
• База данных поддерживает полные снимки состояния для определенных высот блоков, что обеспечивает согласованность и доступность данных для валидации.

Оптимизация кэша trie-узлов

Инновация: В сетях с высокой нагрузкой изменены параметры кэширования trie-узлов для повышения стабильности и устранения резких просадок скорости. Эта оптимизация стала ответом на вызовы, связанные с внедрением асинхронного буфера узлов.

Увеличение частоты сброса данных на диск повысило вероятность событий компактизации — ресурсоемкого процесса объединения и перезаписи данных, который может замедлять работу и увеличивать задержки.

Проблему решают за счет удвоения размера буфера на дисковом уровне, что снижает частоту компактизаций. Больший буфер позволяет накапливать больше данных до необходимости записи, уменьшает число циклов перезаписи — основного триггера компактизации.

Дополнительно применяется усовершенствованное управление памятью: чистый кэш выделяется вдвое больше, чем кэш буфера узлов. Благодаря этому снижается риск перезаписи при синхронизации между буфером и чистым кэшем. При фиксации данных через чистый кэш расширенная память обеспечивает доступность ключевой информации, что критично для высокой пропускной способности и минимальных задержек.

Оптимизация дисковой пропускной способности

Инновация: В сетях с высокой производительностью внедрена оптимизированная PebbleDB (открытая СУБД) для интеллектуального регулирования операций сброса и компактизации, что позволяет предотвращать скачки задержек и поддерживать стабильную работу. Это качественное улучшение по сравнению с прежними архитектурами.

В современных PBSS вместо классических СУБД применяется PebbleDB. В старых системах отсутствует ограничение скорости сброса и компактизации — они выполняются на максимальной мощности, вызывая пики задержек при записи и чтении. При высокой нагрузке это негативно отражается на пользовательском опыте.

PebbleDB использует отдельные лимитаторы скорости для сброса и компактизации, динамически подстраивая их под реальные задачи. Такой механизм предотвращает избыточную нагрузку на диск и обеспечивает стабильную производительность даже при пиковых нагрузках.

PebbleDB получает все более широкое распространение в EVM-сетях. Для оптимальной работы проводится детальное тестирование и тонкая настройка параметров под особенности трафика и профиля транзакций.

Результаты тестирования

В ходе тестирования использовались несколько валидаторов с одинаковыми бинарными файлами и идентичной аппаратной конфигурацией. Один валидатор работал в hash-режиме с традиционной СУБД, другой — в path-режиме с PebbleDB при прочих равных условиях.

Аппаратная конфигурация тестовых валидаторов:

• Экземпляр AWS im4gn.4xlarge EC2
• 16 ядер CPU, 64 ГБ ОЗУ
• 7 ТБ SSD Nitro

Результаты тестов, проведенных в 2024–2025 годах, показали значительный прирост производительности по ключевым метрикам:

Тесты подтверждают: схема хранения на основе путей обеспечивает стабильный и выраженный прирост производительности по всем ключевым операциям. Хотя такой подход увеличивает нагрузку на диск, механизмы ограничения скорости PebbleDB эффективно устраняют пиковые задержки и обеспечивают стабильную работу системы.

Заключение

Реализация Path-Based Storage Scheme стала важнейшим этапом оптимизации инфраструктуры блокчейна. Отказ от офлайн-прореживания в пользу онлайн-управления состоянием, внедрение асинхронных буферов узлов, усовершенствованных стратегий кэширования и интеллектуального управления дисковой пропускной способностью позволили смарт-сетям нового поколения добиться серьезного прироста эффективности и производительности.

Снижение времени импорта блока на 24% и многократное уменьшение темпа роста хранилища (с 50 ГБ до менее 5 ГБ в неделю) доказывают: PBSS обеспечивает масштабируемую платформу для высокопроизводительных блокчейн-сетей. Ведущие инновации, особенно асинхронный буфер узлов и оптимизация PebbleDB, отвечают на реальные вызовы управления EVM-сетями с высокой пропускной способностью и становятся готовыми решениями для других блокчейнов со схожими ограничениями.

С учетом роста нагрузки и требований к производительности PBSS и специализированные оптимизации предлагают практичный путь к эффективной и устойчивой инфраструктуре блокчейна. Эти технологические достижения делают современные смарт-сети лидерами в оптимизации EVM и формируют успешную модель для других EVM-совместимых сетей, стремящихся к масштабированию при сохранении стабильности и высокой производительности инфраструктуры.

FAQ

Что такое BSC Storage? Каковы его основные функции и задачи?

BSC Storage — это децентрализованная система хранения данных на базе Binance Smart Chain для эффективного хранения и управления данными смарт-контрактов. Ключевые функции: безопасное масштабируемое хранение, снижение издержек на хранение в блокчейне и ускорение подтверждения транзакций для приложений.

Как хранить и управлять данными в BSC Storage?

Скачайте клиент SDK для BSC Storage и создайте bucket. Загрузите файлы через SDK, затем получите доступ к ним через специальный URL-формат. Для структурирования данных используйте организованные папки и единые правила именования.

Безопасно ли хранить данные с помощью BSC Storage? Какие есть риски?

BSC Storage обеспечивает надежное хранение с шифрованием и контролем доступа. Основные риски связаны с несанкционированным доступом и утечками данных. Для максимальной безопасности используйте сильное шифрование и строгие политики управления доступом.

Каковы преимущества и недостатки BSC Storage по сравнению с традиционным облачным хранением?

Преимущества: децентрализованная безопасность, более низкая стоимость, контроль пользователя над данными, устойчивость к цензуре. Недостатки: меньшая доступность, ограниченная экосистема, требуется техническая подготовка, технология еще нестабильна.

Как рассчитывается стоимость BSC Storage? Какие взимаются комиссии?

BSC Storage всегда бесплатен, без комиссий за использование. Платят только пользователи с правами на создание scorecards, ввод данных или управление аккаунтами — оплата ежемесячная за пользователя. Доступ только для чтения остается бесплатным и неограниченным.

Какие типы файлов и форматы хранения поддерживает BSC Storage?

BSC Storage поддерживает изображения, видео, документы, резервные копии и другие типы файлов. Система эффективно справляется с большими наборами данных и объектным хранением для любых задач.