一篇文章看透百度XuperChain系统架构

本期「百度超级链学院」邀请来资深研发工程师，为各位开发者带来超硬核解读，揭秘百度XuperChain系统架构到底是怎样的！

背景百度XuperChain在2019年5月底正式宣布开源。在开源后很快获得了开发者、区块链媒体的广泛关注。XuperChain是百度自主研发的区块链系统，在开源到Github后仍然在活跃地升级代码，先后发布了V3.1、V3.2两个版本。其中有10%的代码是由外部开发者贡献的。

当前，国内外的区块链系统多如过江之卿。对于区块链开发者而言，如何选择一个区块链系统持续地深耕是一个难题。在项目选型过程中有很多问题要考虑，例如，功能是否完备，性能是否满足业务压力，开发过程中遇到问题能否获得有效的支持？百度超级链目前已经通过工信部电子一所的标准测试，在功能、安全、性能三方面都远超过同类产品。超级链也建立了活跃的开发者微信群，越来越多的开发者正在学习超级链，用超级链落地自己的项目。
本文将阐述百度超级链的架构体系，对其独特的关键技术进行简要的分析，读者将大体了解到超级链为什么能实现高性能，架构上如何做到的可插拔等等。后续我们还会推出系列文章，对各个知识点进行抽丝剥茧的讲解。

系统架构一般而言，区块链系统都是有三大件：分布式账本、合约引擎、共识处理器。

分布式账本解决的是数据的存储问题，例如数据怎么持久化到存储介质，数据怎么组织，数据的校验、更新、查询等。
合约引擎解决的是计算问题，能够将数据和合约字节码从账本加载到虚拟机，进行运算之后，将产生的数据变更再写入到账本。
共识处理器解决的是一致性问题，因为区块链是个P2P的网络集群，传输有延迟、不稳定、节点作恶等因素。最终需要通过共识处理器保障：集群中的所有节点的存储的数据是一致的，计算结果也是一致的。

图1. 简化的超级链架构示意图

在超级链的架构设计中，这三大件都具备可插拔能力。
在合约引擎中，通过抽象的虚拟机接口设计，使得可以集成各种丰富的虚拟机，例如：XVM、Wavm、SolidityVM（未开源）等等。
在分布式账本中，我们设计了高并发的事务管理模型XuperModel， 并且通过抽象的Key-Value接口设计，使得可以能集成各种底层存储引擎，例如：Leveldb、Baddger、Rocksdb， 只要实现了Put、Get、Iterator等接口，就可以将第三方的存储引擎集成进来。
在共识处理器中，通过抽象的Consensus接口设计，使得可以集成各种丰富的共识算法。超级链已经开源的主要是TDPos和Pow两种共识算法。开发者完全可以根据自己的需要开发自己的共识算法集成进来。

图2. 百度超级链架构图

高性能关键技术

超级链的性能优化主要是从两个方面着手，一个是立体网络、一个是链内并行。
立体网络，简单来说是通过一条Root链派生出N个平行链，这N个平行链是按照业务来划分，使得交易充分地并行。某些必要情况下要通过Root链的哈希锚定实现跨链。另外，还有可回归侧链技术，动态地fork生成侧链，完成一段时间的计算运行后，释放侧链。立体网络技术暂时没有开源。
链内并行，指的是单链情况下的性能优化技术。提高单链的性能主要从两个方面：加快出块速度和稳定性、交易验证充分并行。
一方面，超级链采用了TDPOS共识，优化了出块时间片调度机制，能够稳定快速出块。另一方面，超级链采用独有的XuperModel模型，使得交易的验证充分地并行化。这种模型是从经典的UTXO模型发展而来的，将智能合约的执行分为两个不同的阶段：预执行阶段和提交阶段，并通过类似于MVCC的机制避免整体加锁，不同于一般的读写集机制，超级链中交易的读集引用不需要绑定区块高度，未确认交易的输出也可被引用，进一步提升了性能测试的整体吞吐。
此外，在工程实现方面也做了大量的优化。比如底层KV存储支持多盘存储避免IO瓶颈，通过内存Cache降低访盘开销，通过线程避让机制保障准时出块等等。

社区建设

超级链的代码开源在https://github.com/xuperchain，目前每周的开发进展都会同步给社区。我们也欢迎大家提交代码，在Github上给出了Issue和 Pull Request的发起模板。到目前为止，外部开发者提交的Commit数量占到了10%。我们的社区建设目标是逐步提升这个比例，使超级链真正成为一个开放共建的生态。
为了方便大家反馈问题、及时地解答疑惑，我们也建立了微信群（见文末），群中有值班的工程师会7*24小时为开发者服务。

后续计划

后续，超级链会进一步提升性能、易用性，努力提高在区块链开发者中的影响力。另外，大家也知道XuperChain只是超级链“Xuper”家族产品中的一员，我们后续还会开源超级链在边缘计算、大数据、多方安全计算等方面的集成化解决方案，敬请关注。