[Paper] 在区块链验证与构建中利用多核并行

Source: arXiv - 2602.03444v1

概述

本文研究了区块链验证者如何利用现代多核 CPU 加速 区块构建（挑选和排序交易）和 区块执行（验证预排序的区块）。通过将这些问题形式化为精确的优化模型并设计快速启发式算法，作者展示了在不破坏区块链共识所依赖的确定性语义的前提下，能够实现显著的延迟降低。

关键贡献

• 正式的问题定义：针对 (1) 在 p 核心上并行执行固定顺序区块，以及 (2) 在每区块运行时预算 B 下并行构建区块。
• 精确的 MILP 公式，捕获交易冲突、所需的全局顺序以及核心容量约束，保证最优的完成时间或奖励。
• 确定性、可扩展的启发式算法，适用于两类问题，在真实工作负载下毫秒级运行，使其对实时验证者具有实用性。
• 全面的实证评估，使用以太坊主网追踪数据，另加 Solana 风格的声明访问基线（Sol）和朴素的奖励贪婪基线（RG）。
• 定量的权衡分析，在最优性与运行时间之间进行比较，展示该启发式算法能够实现 > 95 % 的最优性能，同时速度快上数个数量级。

方法论

1. 建模交易冲突 – 交易被表示为冲突图中的节点；如果两笔交易读取/写入重叠的状态，则在图中有一条边，表示它们不能并行执行。
2. 并行执行问题 – 给定一个全局顺序（区块的规范顺序），目标是将每笔交易分配到 p 个核心中的一个，同时遵守顺序和冲突约束，最小化整体完成时间（makespan）。
3. 并行构造问题 – 验证者拥有待处理交易的内存池，并且每个区块有一个硬性的运行时上限 B。任务是选择一个子集并对其排序，使得并行执行能够在 B 之内完成，同时最大化验证者的收益（通常是 gas 费用）。
4. MILP 解决方案 – 作者将上述约束编码为混合整数线性规划（MILP），并使用商业求解器求解，以获得最优基准。
5. 启发式设计 –
   • 执行启发式：一种贪心列表调度算法，遵守全局顺序，并在同一核心上跳过冲突的交易。
   • 构造启发式：两阶段方法——首先进行基于奖励加权的交易选择，然后使用拓扑排序进行冲突感知的排序，以适配运行时预算。
6. 评估 – 将真实的以太坊区块数据（每个区块数千笔交易）输入到 MILP 和启发式两条流水线中。Sol 基准模拟 Solana 的声明访问模型（交易声明其涉及的账户），而 RG 则仅选择费用最高的交易，且不考虑冲突。

结果与发现

• 执行启发式在微秒级运行时间下实现了接近最优的并行加速，使其可用于实时验证。
• 构造启发式选择符合运行时限制的高价值交易集合，在总费用获取上比朴素的奖励贪婪基线高出最多 30 %。
• 相较于 Solana 风格的声明访问基线，所提方法能够在无需预先声明访问的情况下处理 动态冲突检测，为 EVM 兼容链提供了更大的灵活性。

实际影响

• 验证者吞吐量：多核感知调度可以将区块验证延迟降低约60 %，使验证者能够在无需硬件升级的情况下跟上更高的交易量。
• 经济激励：通过在运行时上限下智能选择交易，验证者可以获取更多手续费，从而提升在权益证明网络上运行节点的经济性。
• 协议设计：冲突感知模型可以集成到现有客户端软件（例如 Geth、Nethermind）中，作为可选的并行执行模块，只需进行适度的代码更改。
• 跨链适用性：虽然在以太坊上进行了评估，但该方法同样适用于任何可以推断交易冲突的确定性智能合约平台（例如 Hyperledger Besu、Avalanche C‑Chain）。
• 硬件利用率：托管验证者集群的数据中心可以实现更好的 CPU 利用率，潜在地降低能源成本，并在相同硬件占用下容纳更多验证者。

限制与未来工作

• 冲突检测开销 – 当前实现通过静态分析交易的读/写集合来构建冲突图，这对于具有复杂存储模式的合约可能代价高昂。
• 确定性保证 – 在相同输入顺序下，启发式方法是确定性的，但任何非确定性的运行时行为（例如外部调用）仍可能破坏与顺序执行的等价性。
• MILP 的可扩展性 – 对于包含超过 10 k 笔交易的区块，精确的 MILP 求解变得不可行；未来工作可以探索分解技术或更紧的松弛方法。
• 动态工作负载 – 本研究假设静态的内存池快照；将模型扩展至在区块构建期间处理持续到达的交易仍是一个未解决的挑战。
• 与共识的集成 – 研究并行区块构建如何与领袖选择和分叉选择规则（尤其是在 PoS 系统中）交互仍有待探索。

通过解决这些问题，社区可以迈向完全并行、高吞吐量的区块链验证，使其能够随现代多核硬件的规模而扩展。

作者

• Arivarasan Karmegam
• Lucianna Kiffer
• Antonio Fernández Anta

论文信息

• arXiv ID: 2602.03444v1
• 类别: cs.DC, cs.DS
• 出版日期: 2026年2月3日
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