NNS 20461提案是如何通過不增加物理設備優化IC內存系統性能_TER

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InternetComputer上運行的所有開放網絡服務、DeFi、Dapp、NFT等泛平臺都是通過Canisters組成，Canisters的自主服務和多元化可組合特性推動非凡的網絡效應，基于這種特性是開發者可以在IC上重新構想任何去中心化應用。自5月IC主網上線至今已有數W個Canisters被創建托管，在這數W個Canisters中的許多Canisters組成了完整的Web3.0Dapp。

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隨著IC鏈上Canisters和用戶的快速增長，IC子網的性能需求也在逐漸增長：最近內存密集型Canisters的增長表明IC的內存系統在重負載下存在性能瓶頸。這篇博文描述了NNS20461提案的性能是如何優化IC的內存系統內存的詳細信息）。

Connext部署兼容以太坊Layer2的即時跨鏈通信功能Spacefold:以太坊二層網絡Connext發布Spacefold功能，該功能是Connext節點頂部的一個UI設計，演示了使用狀態通道進行即時跨鏈通信的功能。Spacefold可以折疊到以太坊Layer2解決方案xDai、Optimism、Matic以及即將推出的SKALE和Arbitrum。Spacefold是探索Layer2可組合性的第一個實驗。Connext表示，因為其設計是一個可編程的點對點小型支付網絡，因此不適合Reddit想要擴展的一些通用計算活動。由于狀態通道的工作方式，Connext內部的平衡必須是每個用戶私有的，因此決定與現有的Layer2合作。使用Connext，用戶不需要知道他們在哪條鏈或者分片上就可以轉移資金，甚至可以完全無縫地跨鏈自動調用合約。雖然Layer2解決方案通常是相互競爭的，但實際上是可組合的，當它們疊加在一起可以創造出更強大的生態系統，比它們各部分的總和還要強大。

此前報道，Connext基于Counterfactual框架，這是一種全新的開發區塊鏈應用的方式，讓通道盡可能模塊化和鏈上交易最小化的方案，在首次充值和最后提款的操作之間，其他的操作不需要依賴鏈上交易。[2020/8/2]

聲音 | 波乗Johnny：用戶對于加密資產的辨識度還是很低的:在金色財經、Cointime主辦，TEAMZ承辦的金色沙龍日本站上，波乗Johnny談及加密資產發展現狀時指出：現在，加密資產存在以下問題，市場普遍不接受加密資產是貨幣的說法；用戶對于加密資產的辨識度還是很低的；相較于BTC及其他Token，投資者顯然更加關注外匯市場”。而改善當前加密資產處境的建議是，首先要改善互聯網基礎設施，其次要提高用戶辨識度，最后要提高公司運營過程中的透明度”。由于波乗Johnny曾在紐約、西班牙等地居住，故得出結論：“比特幣等加密資產在其他地區的人氣不如日本的高”。[2019/1/18]

?NNS20461提案詳情：https://dashboard.internetcomputer.org/proposal/20461

提案功能升級后的優化結果：

在9月14日NNS20461提案被受理之后，提案中的優化功能逐步部署到所有InternetComputer子網中，圖1-3顯示了升級時優化對重負載子網的影響，你可以看到以下兩個主要改進；

動態 | 日本GMO集團推出多重簽名的加密貨幣匯款業務“GMO SinNeD”:據bitdays9月10日報道，日本GMO internet group旗下的GMO系統咨詢公司于9月10日開始提供基于多重簽名的加密貨幣匯款管理業務“GMO SinNeD”，想要進行加密貨幣匯款的商家可以通過使用“GMO SinNeD”來創建顧客專用的多重簽名地址，可以在GUI上簡單地運用管理從地址來進行的一系列匯款流程。另外，通過分散管理運營商和“GMO SinNeD”的地址密鑰，可以降低加密貨幣的非法流出和誤匯風險。[2018/9/11]

1、增加和更穩定的區塊終結：斷斷續續的終結率從每秒0.5個區塊恢復到1個區塊的預期水平。

2、改進消息執行時間：執行消息的平均時間提高了約3倍，最大值提高了約10倍。

Coinness分析：BTC正面臨進入長期熊市的風險:據Coinness作者List分析，日線上BTC已跌破長期上升趨勢線（2.6-4.1低點），如果未來幾日無法收于該支撐（約$7020）之上，將有進一步測試新低的風險。對多方有利的情況是，日線RSI指標現已跌至29，而上一次跌破30還是在2月6日大跌時；且BTC價格現已遠離布林帶下軌，短期繼續大幅下跌的風險正在降低。但由于大趨勢有步入熊市的跡象，目前出現的修正和反彈都應視做暫時的，且在多數情況下，放量下跌并不是見底的信號。總之，BTC大趨勢有走壞跡象，只有短期快速修正至$7000之上，才會暫時放棄看跌的觀點。[2018/6/11]

?圖?1.?優化推出前后的區塊終結率。紅線之后是優化升級后的區塊終結率。

?圖2.優化推出前后的消息執行平均時間。

Coinness分析：BTC有可能測試$7000以下價位:據Coinness作者List分析，BTC正糾纏在10日均線附近，從日線布林帶下軌（$6932）的位置判斷，完全跌破10日線后將可能測試7000美元以下的價位。4小時圖上BTC已試探跌破布林帶下軌，有修正需求，但還沒有明顯的止跌信號出現，MACD和RSI指標均存在下行空間。[2018/6/5]

?圖3.優化推出前后的最長消息執行持續時間。

Canisters正交持久化：

Canisters可以接收和執行兩種類型的消息：查詢調用和更新調用，查詢調用只是執行一個讀取當前Canisters的狀態操作而不更改該Canisters的函數的調用，并且查詢調用在Wasm內存中執行的所有修改都會被丟棄。而更新調用消息允許更改Canisters的狀態并保留更改，并且更新調用消息的執行會自動保留所有內存更改，并使用它們可用于后續更新消息和查詢消息，這個概念被稱為正交持久化。

任何正交持久化的實現都必須解決兩個問題：

如何將持久內存映射到Wasm內存中；如何跟蹤Wasm內存中的所有修改，以便以后可以持久保存。IC當前正交持久化的實現使用頁面保護來解決這兩個問題，當消息開始執行時，我們將Wasm內存的整個地址范圍劃分為4KiB塊，稱為頁面。最初使用操作系統的頁面保護標志將所有頁面標記為不可訪問，這意味著第一次內存訪問會觸發頁面錯誤、暫停執行并調用我們的信號處理程序。然后信號處理程序從持久內存中獲取相應的頁面并將該頁面標記為只讀之后，對該頁面的后續讀取訪問將會成功，無需信號處理程序的任何幫助。然而第一次寫入訪問將觸發另一個頁面錯誤，并允許信號處理程序記住該頁面已修改，并將該頁面標記為可讀和可寫，這意味著對該頁面的所有后續訪問都將成功，無需調用信號處理程序。

頁面保護詳情：https://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Memory-Protection.html

調用信號處理程序和更改頁面保護標志是昂貴的操作，讀取和寫入大塊內存的消息會導致此類操作的風暴，從而降低整個系統的吸能。這是在目前在重負載下觀察到的性能瓶頸。請注意，信號處理程序是在InternetComputer推出之前編寫的，其主要優先事項正確性而不是性能。

Canisters并發查詢執行：

Canisters是按照順序一個接一個執行更新消息，相比之下，查詢消息可以相互并發運行并更新消息，對并發執行的支持使得內存實現更具有挑戰性，例如：一個Canisters正在H區塊高度執行更新消息，同時仍然有一個長時間運行的查詢消息，該查詢消息更早在區塊高度H-K處開始。這意味著同一個Canisters可以同時激活多個版本的內存。

這個問題的一個簡單解決方案是在每個更新消息后復制整個內存，這個過程會漫長，并且會使用大量的存儲空間，因此當前IC的內存實現采用不同的路線：該路線將修改的內存頁面保存在名為PageDelta持久樹數據結構中，該結構基于FastMergeableIntegerMaps。每隔一定時間，每N輪都會有一個檢查點時間，在克隆文件以保留其先前版本后，將修改的頁面提交到檢查點文件，在克隆文件以保留其先前版本后，將修改的頁面提交到檢查點文件中，圖4顯示了Wasm內存是如何PageDelta和檢查點文件構建的。

圖?4.a)?檢查點文件存儲最后一個檢查點的?Wasm?內存。b)?自上次檢查點以來修改的頁面存儲在稱為?PageDelta?的持久數據結構中。c)Wasm?內存是由信號處理程序通過復制檢查點文件頁面和修改頁面來構建的。

PageDelta詳情：https://en.wikipedia.org/wiki/Persistent_data_structure

優化1：內存映射檢查點文件

第一個優化是將內存映射到檢查點文件頁，這通過在同時運行的多個消息之間共享頁來減少內存使用，這種優化還通過避免讀取訪問時的頁復制來提高性能。因為信號處理程序調用次數與之前保持一致，經過內存映射檢查點優化后信號風暴問題仍然存在。

優化2：查詢中的頁面跟蹤

查詢修改所有內存頁在執行后都會被丟棄，這意味著信號處理程序不必跟蹤查詢的修改頁面，但是信號處理程序的沒有實現區分更新消息和查詢消息，我們為查詢引入了快速路徑，在第一次訪問時將頁面標記為可讀和可寫，這種簡易的優化使查詢速度平均提高了1.5到2倍。

優化3:分攤預取頁面

最有影響力的優化背后的想法很簡單：如果我們想減少頁面錯誤的數量，那么我們需要為每個信號處理程序調用做更多的事情。新的信號處理程序不是一次獲取一個頁面，而是嘗試推測性的獲取更多頁面，此處需要適當的平衡，因為預獲取太多頁面可能會降低僅訪問少數頁面的小消息性能。優化計算緊接在當前頁面之前的訪問頁面的最大連續范圍，它使用范圍大小為做預取更多頁面的的提示，通過這種方式，預取的成本由以前訪問的頁面分攤，因此優化將內存密集型消息中的頁面錯誤數量減少了一個輕量級。

總結：最初的信號處理程序是在InternetComputer之前編寫的，重點是正確性而不是性能，該區域需要針對性能進行優化也就不足為奇了，然而InternetComputer的快速增長需要比預期更早的進行優化，這些優化不僅消除了一個不需要增加物理設備的性能瓶頸，也為未來更多部署在ICDapp和增長用戶做出承載準備。

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