Оптимізація зберігання блокчейну: Path-Based Storage System у Smart Chain

Вступ

Робота full node вимагає постійної уваги та глибокої технічної підготовки. Традиційний спосіб керування вузлом створює значні труднощі, особливо через офлайн-очищення, які давно ускладнюють роботу операторів вузлів у багатьох блокчейн-мережах.

Path-Based Storage Scheme, впроваджена у Geth V1.13.0, радикально вирішує ці проблеми. Інноваційний підхід суттєво підвищує швидкість і комфорт роботи, змінюючи спосіб зберігання та керування станом блокчейну.

У цьому огляді розглядаються три ключові напрямки: стратегічні причини впровадження PBSS у основних smart chain, головні переваги PBSS над традиційними Hash-Based State Scheme, а також конкретні оптимізації PBSS і результати тестування.

Чому Smart Chain впровадили PBSS?

До появи PBSS основні мережі з сумісністю EVM мали суттєві втрати ефективності через hash-based схему зберігання. Проблеми цієї моделі стали найбільш гострими через особливості роботи: надшвидкий трисекундний час створення блоку та вкрай високий gas limit — 140 мільйонів.

Такі параметри дають перевагу у transaction throughput, але створюють великий тиск на сховище. Дані стану швидко накопичуються, і користувачі змушені зупиняти вузли для тривалих офлайн-очищень — процесу, притаманного hash-based моделі, що з’явилася у Geth 1.10.

PBSS вирішує ці критичні питання, впроваджуючи онлайн-очищення стану, що скорочує перенавантаження без зупинки вузла. PBSS автоматично керує розміром сховища у фоновому режимі, забезпечуючи безперервну роботу вузла. Продуктивність помітно зросла: середній час імпорту блоку скоротився з 698 мс до 531 мс, тобто на 24%.

Path-Based проти Hash-Based

Головна відмінність PBSS і традиційної hash-based моделі — у принципах зберігання. PBSS застосовує path-based модель, яка організовує вузли trie за закодованими шляхами як ключами. Hash-based модель використовує хеш самого вузла trie. Це суттєво впливає на продуктивність системи.

Path-based підхід дозволяє очищати дані стану безпосередньо та підвищує ефективність використання сховища для вузлів trie. Це забезпечує вищу швидкість роботи й менше споживання ресурсів.

Порівняння темпів зростання сховища показує суттєву різницю. У hash режимі база даних зростає приблизно на 50 ГБ щотижня через накопичення історичних записів. У path режимі приріст становить менше 5 ГБ на тиждень — удесятеро менше. Це робить path режим значно більш практичним для довгострокової експлуатації вузлів.

Інновації PBSS у Smart Chain

PBSS створює потужну базу, але високопродуктивні smart chain мають особливу задачу — підтримання великої кількості транзакцій на EVM-інфраструктурі. Щоб вирішити це, дослідники й інженери впровадили спеціалізовані оптимізації, що враховують особливості роботи. Інновації стосуються двох головних питань: появи порожніх блоків при навантаженні понад 1 000 TPS і значних коливань продуктивності при обробці великих пакетів транзакцій.

Асинхронний буфер вузлів

Інновація: Високопродуктивні мережі впровадили асинхронну стратегію буфера вузлів, яка відрізняється від класичних синхронних підходів. У традиційних мережах із тривалим часом блоку синхронний буфер може призупиняти основний процес, доки завершуються операції запису на диск і синхронізації кешу.

Мережі з трисекундним блоковим інтервалом не можуть допустити затримки, які створюють синхронні операції з диском. Для безперервного створення блоків інженери розробили асинхронний буфер на дисковому рівні, який обробляє запис у фоновому режимі й не зупиняє виробництво блоків.

Асинхронний буфер вузлів працює так:

• Найстаріший диференціальний шар синхронно записує зміни на диск. Система не чекає завершення запису буфера вузлів на диск, навіть якщо перевищено граничний розмір буфера.
• Буфер вузлів, пов’язаний з диском, виконує запис у базу даних у фоновому режимі, не затримуючи інші процеси. Фонові операції забезпечують безпеку транзакцій і цілісність даних стану.
• База даних постійно зберігає повні знімки стану для конкретних висот блоків, гарантуючи консистентність і доступність для валідації.

Оптимізація кешу вузлів trie

Інновація: Високопродуктивні мережі оптимізували параметри кешу вузлів trie для стабільності системи та уникнення різких перепадів продуктивності. Це рішення — відповідь на проблеми, що виникли через асинхронний буфер вузлів.

Часті записи на диск спричинили збільшення подій компактування бази даних. Компактування — це процес об’єднання та перезапису даних для оптимізації сховища й прискорення читання, що може зменшити пропускну здатність і збільшити затримки.

Для вирішення цього проблему подвоїли розмір буфера на дисковому рівні, що знизило частоту компактування. Більший буфер дозволяє зберігати більше даних до запису, скорочуючи кількість циклів запису — головну причину компактування.

Додатково застосовано розширене управління пам’яттю: чистий кеш у два рази більший за буфер вузлів. Це зменшує ризик перезапису даних при синхронізації між буфером вузлів і чистим кешем. При записі буфера вузлів на диск через чистий кеш більший обсяг пам’яті дозволяє швидко отримувати критичні дані, що важливо для високої пропускної здатності та низьких затримок.

Оптимізація пропускної здатності диска

Інновація: Високопродуктивні мережі використовують оптимізований PebbleDB (open-source рушій баз даних) для розумного керування записом і компактуванням, аби уникнути піків затримок, що погіршують продуктивність. Це суттєве оновлення порівняно з класичними системами.

Сучасні PBSS замінюють традиційні бази даних на оптимізований PebbleDB. Класичні системи не мають обмежувачів швидкості запису й компактування, працюють на максимумі та створюють затримки при запису й читанні. В умовах великої кількості транзакцій це відчутно впливає на швидкодію для користувачів.

PebbleDB застосовує окремі лімітери для запису й компактування, розумно регулює швидкість відповідно до реальних потреб. Це зменшує навантаження на пропускну здатність диска і гарантує стабільну роботу під навантаженням.

PebbleDB все частіше використовують у EVM-сумісних мережах. Для точного налаштування конфігурацій проведено масштабне тестування, враховуючи специфіку трафіку і транзакцій, що забезпечує оптимальну продуктивність у різних умовах.

Результати тестування

Тестування проводили з кількома валідаторами із однаковими версіями програмного забезпечення та стандартним обладнанням. Один валідатор працював у hash режимі з класичною базою даних, другий — у path режимі з PebbleDB, всі інші параметри були ідентичними.

Характеристики обладнання тестових валідаторів:

• AWS im4gn.4xlarge EC2 instance
• 16 ядер CPU, 64 ГБ оперативної пам’яті
• 7 ТБ Nitro SSD сховища

Тестування у 2024–2025 роках показало значне зростання продуктивності за ключовими метриками:

Емпіричні дані підтверджують: path-based схема забезпечує стабільне й суттєве зростання продуктивності основних операцій. Хоча такий підхід використовує більшу пропускну здатність диска, лімітери PebbleDB ефективно запобігають пікам затримок, які могли б погіршити роботу системи.

Висновок

Впровадження Path-Based Storage Scheme — ключовий етап оптимізації блокчейн-інфраструктури. Заміна офлайн-очищення на онлайн-управління станом, а також впровадження асинхронних буферів вузлів, вдосконалених кеш-стратегій та розумного управління дисковою пропускною здатністю, дозволили високопродуктивним smart chain досягти істотного прогресу в ефективності сховища і швидкодії.

24% скорочення часу імпорту блоку та десятикратне зниження темпів зростання сховища (від 50 ГБ до менше 5 ГБ на тиждень) демонструють, що PBSS — це масштабована основа для сучасних блокчейн-мереж. Впроваджені інновації — асинхронний буфер вузлів і оптимізація PebbleDB — вирішують проблеми управління EVM-сумісними мережами з високим навантаженням та пропонують робочі рішення для інших блокчейн-мереж із аналогічними викликами.

Зі зростанням навантаження на стан і вимог до продуктивності, PBSS та спеціальні оптимізації відкривають шлях до більш ефективної та стійкої блокчейн-інфраструктури. Ці досягнення зміцнюють позиції сучасних smart chain як технологічних лідерів оптимізації EVM та пропонують модель для інших EVM-сумісних мереж, які прагнуть масштабувати роботу зі збереженням стабільності та продуктивності.

FAQ

Що таке BSC Storage? Які основні функції та призначення?

BSC Storage — це децентралізоване сховище на Binance Smart Chain для ефективного зберігання та управління даними смарт-контрактів. Основні функції — захищене масштабоване сховище, мінімізація витрат на ланцюгу та прискорення підтвердження транзакцій для блокчейн-додатків.

Як зберігати та управляти даними у BSC Storage?

Завантажте SDK-клієнт BSC Storage, створіть bucket, завантажте файли через SDK і отримуйте доступ через відповідний URL-формат. Для ефективного управління даними використовуйте структуровані папки та послідовне іменування.

Чи безпечно зберігати дані у BSC Storage? Які ризики слід враховувати?

BSC Storage забезпечує захист даних за допомогою шифрування та контролю доступу. Основні ризики — несанкціонований доступ і витік даних. Для максимальної безпеки використовуйте потужне шифрування й суворе управління правами доступу.

Які переваги та недоліки BSC Storage порівняно з традиційним хмарним сховищем?

Переваги: децентралізована безпека, нижча вартість, контроль над власними даними, відсутність цензури. Недоліки: нижча доступність, менша екосистема, потреба у технічних навичках, нестабільність нової технології.

Як розраховуються витрати на BSC Storage? Які тарифи за використання?

BSC Storage завжди безкоштовний, плата відсутня. Платять лише користувачі, які створюють scorecard, вводять дані або керують обліковими записами. Оплата — щомісяця за користувача. Доступ лише для читання — безкоштовний та необмежений.

Які типи файлів і даних підтримує BSC Storage?

BSC Storage підтримує різні формати: зображення, відео, документи, резервні копії. Система ефективно працює з великими наборами даних і об’єктним сховищем для різних потреб.