蔡维德：区块链互联网需要新协议

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连锁互联网系列(2)

在前一篇文章[1]中，我们讨论了tcp端到端设计的基本缺点。在本文中，我们分析了tcp的低性能和一些现有的解决方案，以改善它。这些改进的方案还不完善，新的第4层协议已经取得了很大的进展。

在设计区块链时，许多人首先研究比特币或以太网数字令牌系统，然后对其进行改进。然而，我们过去多次说过，要设计金融区块链，我们应该从pfmi的金融市场基础设施建设原则开始，这将导致新一代的区块链体系。

这种新一代的区块链体系不同于传统的区块链体系。Pfmi是许多中央银行认可的金融系统设计原则，包括中国人民银行、英格兰银行、法国银行、加拿大银行、日本银行和欧洲中央银行。此外，加拿大银行、欧洲中央银行和日本银行也使用pfmi来评估中央银行系统中的区块链实验。2017-2018年，发布了几份重要报告，指明了区块链的发展方向，同时也给了区块链信心。

根据pfmi，交易是有时间限制的，这意味着交易不能延迟太久。你不能等数字代币结算那么久。交易也应该是可滚动的(传统的数字代币不能被回滚)，并且交易可以被监管(现在数字代币逃避监管)。这些都是数字代币以前不需要考虑的问题。因此，区块链设计的金融区块链和数字令牌大不相同。

Blockchain Internet(连锁网络)也必须支持pfmi，因为上述交易必须符合pfmi。然而，根据原始tcp的rtt设计，这将不符合pfmi。第一个tcp延迟与吞吐量成反比(这在金融市场是做不到的)。另一个更严重的问题是，在区块链，供应链必须相互保证，而且每个供应链都必须保证其上的资产是真实的，可以交易。这意味着链之间必须有共识，现在共识必须通过tcp。tcp设计的端到端支持符合pfmi的一致性机制吗？如果没有，如何设计下一代协议来支持符合pfmi的区块链？

此外，在金融市场交易时，如果发现问题，监管机构可以阻止交易通过。这意味着监管单位使用的监管链的性能超过了交易链的性能！监管链还需要大数据的支持，大数据可以快速分析交易是否可以通过。监控网络需要什么协议？这是一个研究问题。

如果改变tcp协议，互联网基础设施将发生巨大变化，这将为互联网研究和部署带来新的趋势和新的出路。但这只是一个开始，因为除了互联网上的变化之外，金融、法律、数字社会等也在发生变化。，这将带来巨大的颠覆。

tcp的E2e迭代非常慢

Tcp是基于真正的e2e原理设计的:发送方根据从接收方收到的反馈信号计算其“公平份额”比率。然而，tcp的计算是通过一次迭代完成的，每次迭代至少需要一次往返时间(rtt)。如果需要n次tcp反馈信号的迭代，则收敛到最佳速率所需的总时间至少为n * rtt。这是不可接受的时间浪费和tcp的严重低性能。

这个e2e迭代有两个问题。首先，tcp路径中拥塞的动态变化可能比rtt时间尺度快得多。当tcp计算“最佳”速率时，实际的拥塞情况可能已经改变。e2e计算方法仅在路径中的拥塞比rtt长得多时有用。例如，如果路径中的拥塞在1毫秒的时间范围内变化，并且实时传输时间大约为10毫秒，则tcp发送方总是落后于实际的拥塞情况，因此tcp发送方永远无法达到适当的tcp速率。

其次，e2e计算模型的效率极低。从纯计算的角度来看，算法的每次迭代应该是cpu时钟速度的函数；当cpu变得更快时，这可以更快地完成计算。然而，e2e tcp计算不是cpu时钟的函数，而是rtt的函数。Rtt大致与两个终端系统之间的物理距离成正比。由于光速不变，e2e rtt不会因cpu速度而改变。这是一个非常糟糕的计算范例。

图1: E2E传输控制协议迭代

网络内迭代比tcp迭代至少快2n倍

一旦我们摆脱了e2e计算范式，它将导致计算速度的显著提高。例如，新算法计算瓶颈链路附近发送方的最佳吞吐量。在瓶颈链路处或附近，可以容易地获得关于瓶颈处拥塞的信息。这种计算应该通过本地计算设备的迭代来完成。一旦计算出最佳速率，它将被传输到两个端点(发送方和接收方)。通过网络内计算，新的第4层协议将适应更快的拥塞动态。今天的中央处理器足够快，与发送到两个终端所需的时间相比，达到最佳速度所需的计算时间可以忽略不计。因此，新速率的影响只会延迟最多的rtt(它可以与rtt一样短)，这显然比n * rtt更快(其中n是tcp计算其最佳速率所需的迭代次数)。以下简单图表说明了网络计算模型:

图2:网络中的迭代

与rtt成比例的Tcp速率降低是不可接受的

在e2e设计下，tcp允许发送方在接收到来自接收方的确认包后发送数据包。由于这种机制，tcp吞吐量与发送方和接收方之间的rtt成比例下降。tcp的缓冲控制是允许发送方仅在接收方有可用的缓冲空.时发送数据包这种缓冲控制过于保守:只有当接收方确认缓冲空将被释放时，发送方才能发送数据包。然而，今天接收器的缓冲区管理是一个复杂的过程，通常有足够的空来接收新的数据包。

应该设计理想的第4层协议，以便无论发送方和接收方之间的rtt大小如何，双终端系统的速度都可以使用全线路速度。理想情况如图3所示:

图3:第4层会话的理想吞吐量

然而，众所周知，tcp吞吐量与rtt成比例下降[2]。

通过控制理论的不当使用改进tcp

改进tcp的最新方法是谷歌提出的bbr算法。Bbr是由谷歌的tcp团队和tcp传奇范·雅各布森设计的。bbr的吞吐量可达2至25倍立方(目前tcp的标准变体)。然而，bbr没有消除e2e反馈，因此其吞吐量仍然依赖于rtt。它的改进是基于控制理论中的确定性等价原则，这是一个50年前的老理论。在确定性等效方法中，随机变量由它们的平均值代替。Bbr算法将瓶颈处的队列建模为确定性队列，队列的输入输出表示为恒速过程。由于忽略了实际系统中的随机性，bbr的主要缺陷是过度重传，如tierney和hanford [4]所示:

图4:过度重传4:bbr [4]

从这个表中，bbr的重传可以是TCPtcp的另一个变体)320次重传(对于远程主机ps1.jpl)。这种过度的重传是不可接受的，并且会导致大规模的带宽浪费。

正确运用控制理论改进tcp

虽然谷歌的bbr是对tcp的一个很好的改进，但是它使用了一种不正确的控制方法。一个更好的方法是在tcp缓冲控制中去掉e2e反馈。

图5:文件催化剂吞吐量与rtt无关[5]

Filecatalyst[5]是开发出tcp替代协议的少数公司之一。这些公司摆脱了tcp的e2e缓冲控制，并且没有在路径中添加中间节点。一个明显的结果是，它们的文件传输时间与发送方和接收方之间的距离无关。这表明e2e缓冲区控制是tcp吞吐量依赖于rtt的原因。filecatalyst[5]的结果表明，新协议的性能优于than 1000倍以上:例如，从伦敦到悉尼，性能提高了约2500倍。

然而，只有当路径具有最小的背景流量时，才能获得这些优秀的改进结果。如果发送方和接收方不通过专用线路通信，这些改进将不会存在。根本问题是，当路径通过传统互联网时，这些提供商仍然使用类似tcp的拥塞控制。

理论上，使用实际控制理论的第4层协议应该能够平衡缓冲控制和拥塞控制。在此操作之后，即使该路径与互联网中的许多通信流共享，也可以获得文件播放结果。

这意味着传统的tcp可以大大改进！这意味着我们有可能设计新的协议来支持新的互联网应用。

问题是这些改进的tcp仍然不足以支持链式网络。链式网络所需的技术比改进的tcp(如有限的filecatalyst协议)要困难得多。难点在于链式网络需要支持区块链服务(包括跨链式服务)和高性能传输，而改进后的tcp只能提高一些网络的传输速度。最重要的是，如果你需要设计一个新的协议，你需要一个新的思维框架，而不是在以前的框架上提出改进的方法。

参考

[1]。蔡等，“块链互联网需要新的网络协议”，2019年1月14日

[2]。mathis，semke，mahdavi ott，“tcp拥塞避免算法的宏观行为”，《计算机通信评论》，27(3)，1997年7月

https://www.slac.stanford.edu/comp/net/wan-mon/thru-vs-loss

[3]。cardwell，cheng，gunn，yeganeh，van jacobson，“bbr:基于拥塞的拥塞控制”，acm queue，vol，sept-oct 2016

https://queue.acm/detail.cfm? id = 3022184

[4]。hanford，tierney，“最近的linux tcp更新，以及如何调整您的100g主机”，2016年11月

http://scinet . super computing/workshop/sites/default/files/100g-tuning-inda . tier ney . pdf

[5]。文件催化剂白皮书:“加速文件传输”，2019年1月

http://file catalyst/WP-content/uploads/2018/07/accelerating _ file _ transfer . pdf

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