作者：Casey Gardiner. 编译：Cointime.com QDD.

摘要

随着区块链技术的进步，对于提高交易速度和效率的需求不断增长。Harmony协议是一个分片区块链，旨在促进去中心化应用（dApps）的创建和使用，在实现1秒最终性方面处于开创性地位。本研究对这一重大突破进行了全面分析，标志着区块链领域的重要进展。

本文探讨了区块链环境中普遍存在的挑战，并介绍了Harmony通过Harmony改进提案30（HIP-30）解决这些挑战的独特策略。通过HIP-30的重大改进，Harmony正在实现1秒最终性的目标。我们的主要发现表明，这些增强将显著提高交易时间，解决了区块链行业长期存在的可扩展性问题。

我们进一步讨论了将响应性引入区块链协议的重要性，并审查了两个重要的协议：PaLa和Simplex。我们深入探讨了如何将它们的技术应用于Harmony，并分析了这可能带来的潜在益处和缺点。

最后，我们对Harmony与传统区块链的性能进行了深入比较，重点关注dApp开发、用户采用和整体区块链可扩展性。本文强调这些创新对于塑造区块链技术未来的重要性，并对寻求提高交易效率和整体网络性能的Harmony协议和更广泛的区块链社区产生了影响。

引言

区块链技术已经成为一个关键的创新，为各个行业的去中心化解决方案铺平了道路。在这项技术的核心是交易的最终性原则，即一旦交易被记录在区块链中，就不能被撤销或更改。这个概念对于任何基于区块链的系统来说都至关重要，确保了网络中的不可变性和信任。然而，由于去中心化系统设计中的固有限制以及分散化、安全性和可扩展性之间的权衡，许多区块链网络在实现交易最终性方面面临着挑战。本文旨在深入探讨技术细节和Harmony协议在提高交易最终性时间方面所取得的创新进展。

自成立以来，Harmony协议一直是解决区块链生态系统中最紧迫挑战的先驱者。通过采用分片区块链设计和利用其独特的有效权益证明（EPoS）共识算法，Harmony已经实现了令人瞩目的2秒交易最终性。通过减少共识过程中的通信轮次的数量，缩短了确认每个交易所需的时间，实现了这一令人印象深刻的成就。

从数学角度来看，我们可以将交易最终性表达为通信轮次数n和往返消息时间t的函数（假设网络完全连接）。这个关系可以表示为：

F = n ⋅ t

其中F是交易最终性时间。

在Harmony目前的2秒最终性状态下，我们可以看到n个通信轮次和每个轮次所需的时间t共同实现了这一目标。然而，为了将最终性时间进一步缩短到1秒，Harmony正在通过战略性地减少n值（通信轮次），从而降低F值（最终性时间），同时保持网络的安全性和分散性。

随着我们进一步深入技术细节，Harmony的创新方法解决了区块链技术的一个关键挑战，并在行业中设置了交易速度的新标杆。这种深入探索将揭示1秒交易最终性对用户体验、网络可扩展性和Harmony网络整体性能的潜在影响，为本文的后续部分奠定了基础。

Harmony协议的背景和概述

Harmony协议是一个先进的区块链网络，实现了深度分片和新颖的共识机制。通过在状态、网络和交易级别利用分片技术，Harmony旨在克服区块链领域最重要的挑战之一：安全的可扩展性。结合称为有效权益证明（EPoS）的共识机制，Harmony在区块链领域高效地平衡分散化、安全性和可扩展性，提供了一种解决方案。

Harmony协议中的分片

分片技术是Harmony可扩展架构的基础。"分片"是指将一个较大的节点集合划分为较小的子集，或"分片"，每个分片能够并行处理交易和智能合约。这类似于将一个较大的数据库分割成更小、更易管理的部分，每个部分独立运行而又和谐统一。

从数学上讲，我们用S表示分片的数量，其中每个分片包含n个节点。因此，网络中的总节点数N可以表示为N = S ⋅ n。分片的关键优势在于其线性扩展的潜力；随着网络的增长（即N的增加），分片数（S）也可以增加，从而实现更多的并行处理和更高的吞吐量。

有效权益证明（EPoS）

有效权益证明（EPoS）是Harmony共识机制的基石，它积极抵制传统权益证明系统中的集中化倾向。通过实施抵押阈值，EPoS限制了富有的节点的影响力，从而将节点的投票份额限制在由中位数抵押份额决定的动态限制下。

在这个背景下，单个节点的抵押份额表示为s_i，中位数抵押份额表示为s_median。有效份额（s_e(i)）的计算如下所示：

在后面的方程中引入对数分量，确保有效份额不会与实际份额成正比增加。这个公式促进了更公平、更平衡的抵押机制。

Fast Byzantine容错（FBFT）

Fast Byzantine容错（FBFT）共识算法是Harmony实现2秒交易最终性的关键。FBFT是实用Byzantine容错（PBFT）算法的优化版本，旨在通过减少通信轮次来实现更快的共识。

在PBFT中，需要三个阶段的通信（Pre-Prepare、Prepare和Commit），每个阶段都需要n个往返消息，其中n是验证节点的数量。然而，FBFT通过在Prepare和Commit阶段进行优化，将通信复杂性从O(n²)降低到O(n)，实现了更快的交易最终性。

交易最终性时间F可以用引言中提到的方程给出，F = n ⋅ t。通过通过FBFT减少n，Harmony有效地实现了2秒交易最终性。

随着Harmony继续优化其基础设施，了解这些基本构建块对于欣赏实现1秒交易最终性的工程壮举至关重要。接下来的部分将讨论这些要素如何与Harmony转向这一前所未有的快速最终性相互作用。

提议转向1秒最终性

利用其创新的技术堆栈，Harmony协议提出了从当前2秒最终性过渡到1秒最终性的雄心勃勃计划。这一重要进展承诺进一步优化交易速度，提高用户体验，并提升Harmony在区块链可扩展性的高压竞争中的竞争优势。

提案描述

为了实现1秒最终性，Harmony提出了Harmony改进提案30（HIP-30）。HIP-30旨在将Shard 1中的节点数从250减少到200，并加速朝着这一目标的发展。关键思想是通过最小化节点之间所需的通信轮次，优化共识延迟。这一策略在实现1秒最终性方面起到了关键作用。

最初的提案建议在Shard 0和Shard 1之间进行区分，Shard 0维持250个节点，Shard 1托管200个节点。这种方法旨在在不危及网络稳定性的情况下促进动态的实时实验。然而，经过仔细思考，可以清楚地看到，在分片设计中引入节点数量差异可能会使设计过于复杂。为了保持分片架构的完整性和简洁性，建议在节点计数方面保持分片之间的一致性。偏离这一原则可能会引入意想不到的复杂性和问题，因此强烈建议在分片之间保持一致性。

技术和数学变化

实现Harmony的1秒块最终性涉及一系列关键的技术和数学调整。其中最重要的是需要显著减少共识延迟。我们可以通过微调快速Byzantine容错（FBFT）算法来实现这一目标，以减少交易验证所需的通信轮次。

传统上，FBFT的时间复杂性可以用方程T = k ⋅ n ⋅ t来概括。在这个表达式中，T表示共识所需的总时间，k表示通信轮次数，n表示节点数，t表示每个节点的平均延迟。然而，这个模型假设了领导者和验证者之间的顺序通信，这在实践中并不总是成立。

在并行通信和将块写入本地数据库的情况下，一个更具代表性的模型可以表示为T = k ⋅ max(t, db)，其中db表示将一个块写入本地数据库的时间。

为了将总共识时间T减少一半，即T_new = T/2，我们需要战略性地优化k、t和db。例如，在HIP-30提案中，Harmony计划将n从250减少到200。节点数量减少20%可能会导致共识时间的相应减少，将Harmony更接近目标的1秒最终性。

此外，减少每个分片的节点数也意味着减少每个验证者的BLS密钥。这就需要一个精心设计的策略来公平分配BLS密钥，保持Harmony有效权益证明（EPoS）模型的独特平衡。

此外，随着向1秒最终性的转变，维护跨分片通信的完整性变得至关重要。随着分片并行处理交易，严格的协调和分片间的同步对于防止双花攻击和确保整体一致性至关重要。

Harmony朝着1秒最终性迈出雄心勃勃的步伐，体现了其推动区块链技术发展的奉献精神，开启了高效可扩展网络的新时代。接下来的部分将深入探讨实施这一转变的实际考虑以及未来Harmony协议发展的潜在方向。

比较分析

全面的比较分析为我们提供了转向1秒最终性对Harmony协议以及更广泛的区块链生态系统的影响和潜在结果的有价值洞察。比较侧重于定性和定量方面，提供了对这一重大转变的全面视角。

当前和拟议最终性时间的详细比较

Harmony目前的最终性时间为2秒，这已经是区块链生态系统中的一个异常成就。这个速度得益于协议的创新分片和EPoS设计，以及利用FBFT进行共识。然而，转向1秒最终性进一步增强了网络的效率和用户体验。

当前的2秒最终性特点是方程T = k ⋅ n ⋅ t，其中n = 250个Shard 1的节点。在拟议方案中，将n减少到200意味着共识时间减少了20%，将其更接近1秒的目标。

1秒最终性的潜在改进和缺点

转向1秒最终性带来了重大优势。其中最重要的是，近乎即时的交易确认极大地增强了用户体验。这种速度的提高为高度响应和可扩展的去中心化应用（dApps）铺平了道路，尤其是在蓬勃发展的DeFi领域，增强了Harmony对开发者的吸引力。

此外，较短的最终性时间可能会刺激交易量的增加，从而提高网络吞吐量。从理论上讲，这种变化可以使Harmony的每个时间单位内的交易处理能力翻倍。

然而，转向1秒最终性也面临潜在的挑战。首先，节点数量的减少可能对网络抵御Byzantine行为的能力产生影响。加快的共识可能还需要节点硬件更高的要求，提高一些验证者的准入门槛。

此外，与更快的最终性时间相关的区块生成增加预计会加速存储空间需求的增长。这一方面需要进行认真考虑和规划，以确保它成为网络可扩展性中可管理的因素。

关于交易量、安全性影响和其他关键指标的定量比较

就安全性而言，每个分片的节点减少可能会在抵御Byzantine节点方面略微降低网络的弹性。数学关系f < n/3定义了Byzantine容错系统中的容错阈值，其中f是系统能容忍的最大Byzantine节点数，n是总节点数。理论上，随着n从250减少到200，韧性将略微降低。然而，Harmony的EPoS模型可以在很大程度上减轻这一影响。

需要精确管理最终性时间的减少，以避免孤立块的增加率上升，因为这可能会影响网络的效率。孤立块或“陈旧块”是指未进入主区块链的有效块，通常是由于矿工同时生成块或网络传播滞后导致的。高比例的孤立块表明资源使用效率不高，因为计算能力被分配给不会延长链条的块。在定量上，如果我们让r表示块生产速率，d表示网络延迟，保证r < d以避免孤立率上升非常重要。

转向1秒最终性提供了令人印象深刻的潜在改进，但需要精心设计和实施，以管理潜在的缺点。接下来的部分将讨论实施这一转变的实际考虑以及未来Harmony协议的潜在发展。

1秒最终性的数学建模

通过数学建模，我们可以通过数学方程来表示Harmony系统的各个元素及其相互作用，预测在各种条件下系统的行为，从而洞察所提出的变化的潜在动态。

本文利用了多个数学模型来分析和预测在提出的改变下，Harmony系统的行为。

共识时间模型：Harmony中的共识时间（T）近似为T = k ⋅ n ⋅ t，其中k是一个常数，n是节点数量，t是单个通信轮次的时间。将n从250减少到200将直接减少共识时间。

容错模型：Byzantine容错系统中的容错阈值f定义为f < n/3。将节点数量（n）从250减少到200会轻微降低理论上的容错能力。

孤块率模型：如果r是区块生成速率，d是网络延迟，则保持r < d是防止高孤块率的关键。

关于提出系统的数学建模的详细讨论

我们的数学建模考虑了Harmony系统内部的相互作用，考虑了影响交易最终确认时间、吞吐量、安全性和效率的参数和变量。

在共识时间模型中，将n从250减少到200，共识时间立即减少，这是实现1秒最终确认的重要一步。

交易吞吐量模型预测，随着最终确认时间减半，交易吞吐量理论上将翻倍，这意味着Harmony每秒可以处理两倍于当前的交易量。

容错模型表明网络对Byzantine节点的容错能力会稍微降低。然而，这个潜在的缺点在Harmony的有效权益证明（EPoS）模型中得到了缓解，该模型通过削减恶意验证节点的权益来惩罚它们。

最后，孤块率模型提醒我们，如果不适当地管理过渡到1秒最终确认，可能会增加孤块率的风险。在没有适当调整网络延迟的情况下缩短最终确认时间可能导致更高的孤块率，降低网络的整体效率。

对模型结果及其影响的分析

模型结果揭示了向1秒最终确认过渡可能带来的显著改进和挑战。

共识时间和交易吞吐量模型表明交易速度和交易量显著提高，为用户体验的大幅改进和更具竞争力的DeFi应用协议带来了希望。

与此同时，容错和孤块率模型强调了在过渡过程中需要谨慎设计和实施，以防止潜在的缺陷，特别是涉及安全性和效率方面的问题。尽管对Byzantine节点的容错能力降低了，但Harmony的EPoS模型可以防止恶意活动，确保网络的稳健性。

综上所述，这些模型提供了网络在1秒最终确认下的潜在性能的综合概述，指导设计和实施过程。接下来的章节将深入探讨执行这一过渡的实际考虑事项。

区块链协议中的响应性

在区块链协议中引入响应性的概念极大地提升了这些系统的性能、可扩展性和效率。它指的是协议适应实际网络条件并在网络延迟内最佳运行的能力，而不受预先确定的硬编码延迟限制（记为Δ）的约束。

实质上，响应性体现为协议在“实际网络延迟”（记为δ）内的运行能力。实际网络延迟通常小于或等于Δ，表示信息在网络中传播所需的时间。

在实践中，区块链协议的响应性对于其速度、性能和用户体验有着深远的影响。一个具有响应性的协议可以根据实时网络条件调整其操作，在网络延迟低的时期实现更快的交易确认。它确保协议发挥最大潜力，不受在设计阶段设置的最大延迟的限制。

因此，在设计旨在实现高速交易确认的协议（如Harmony提出的1秒最终确认）时，响应性原则变得至关重要。通过实施响应性设计，Harmony可以在追求快速最终确认的同时，不危及网络的安全性和可靠性。在接下来的子章节中，我们将深入探讨这个概念，通过研究一些最近提出的响应性共识协议，并探讨它们的技术如何可以融入到Harmony的设计中。

对PaLa和Simplex共识协议的回顾

在区块链协议中引入响应性的概念是一个活跃的研究领域，最近取得了许多成果。其中两个显著的贡献包括“PaLa: A Simple Partially Synchronous Blockchain”和“Simplex Consensus: A Simple and Fast Consensus Protocol”。

PaLa: A Simple Partially Synchronous Blockchain

“PaLa”一文提出了一个名为PaLa的新协议，它在部分同步网络模型下运行。这是一个简单的协议，结合了Tendermint和HotStuff的思想，旨在实现高响应性。该协议假设在一个部分同步的模型下，具有已知的消息延迟上限Δ，但实际延迟δ是未知的。该协议保证，如果网络延迟小于Δ，则协议在大约2δ的时间内完成。

PaLa的设计旨在实现两个关键目标。第一个是安全性，即协议保证没有两个诚实的验证节点在同一高度上提交不同的区块。第二个是活跃性，即每个诚实的验证节点最终在每个高度上提交一些区块。PaLa通过精心构造的投票过程来实现这些目标，涉及两个投票步骤：prevote和precommit。实质上，一个验证节点必须见证超过2/3的验证节点对一个区块进行prevote，才能进行precommit，而且必须见证超过2/3的验证节点对一个区块进行precommit，才能进行commit。

Simplex Consensus: A Simple and Fast Consensus Protocol

“Simplex Consensus”研究介绍了一种创新的共识协议，它在确保安全性和活跃性的完整性的基础上，通过独特的共识轮次和投票方法简化了共识过程。该协议名为Simplex，相比前身PaLa，以更有效和高效的方式确保网络的稳健性。

Simplex中的每个轮次包括三个关键阶段：Proposal、Soft vote和Certify。在Proposal阶段，一个诚实的验证节点提出一个区块。然后，在Soft vote阶段，验证节点等待收集所需数量的软投票。最后，在Certify阶段，需要收集足够的认证来支持和确认一个区块。

Simplex的一个关键特点在于它在实际网络延迟δ内采用了渐进的方法，这比传统的最坏情况上限Δ更为优越。这使得该协议可以实现响应性。此外，Simplex引入了一种创新的机制，当当前轮次停滞不前时，授权验证节点安全地转向下一个轮次，从而提高整体效率。

在Simplex协议中实现响应性的策略涉及精心设计的投票机制和轮次之间的转换。验证节点根据其他验证节点的超过半数的输入作出选择。这样，协议的进展与实际网络延迟密切相关，而不是悲观估计。在优化交易最终确认时间时，这样的方法是至关重要的，特别是在像Harmony这样的协议中。

在Harmony协议中的潜在实施

PaLa和Simplex协议的方法为Harmony协议在实现1秒最终确认的过程中提供了有趣的可能性。通过采用这些技术，Harmony可以重新设计其共识算法以实现响应性，提高性能。

实施考虑事项

首先，Harmony目前使用的FBFT可以通过融合PaLa和Simplex协议的一些原则来提升。PaLa中涉及两个步骤（prevote和precommit）的投票机制可以提供一个蓝图。同样，Simplex中的Proposal、Soft vote和Certify阶段可以在FBFT算法中实现。然而，这需要谨慎重新设计，以避免引入新的漏洞或破坏现有的效率。

在Harmony协议中追求性能改进，特别是在高交易负载或垃圾攻击期间，并非没有挑战。其中一个挑战是将区块插入本地数据库所需的时间，这在过去一直是一个显著的系统瓶颈。然而，我们曾经采用的本地分片数据库策略并没有带来足够的性能提升，以证明其操作开销是合理的，尤其是当面临满盘的情况时。

这种方法涉及将数据分散到不同的磁盘上以分担负载和减少插入时间，但仅带来10-20%的性能改进。虽然这个功能可用，但由于其效率-成本权衡不足，目前还不需要使用。

然而，值得一提的是，这些障碍可以为网络的操作效率提供有价值的见解。这个具体的挑战和其他挑战指导着我们对实施响应性共识算法（如PaLa或Simplex）等策略的不断探索。随着我们在这方面的努力持续进行，我们离Harmony实现1秒最终确认的目标越来越近，将我们的交易处理能力增加一倍。

尽管这两个协议都在部分同步模型的假设下运行，但Harmony必须确定适合其网络的最合适的延迟界限。它还必须重新设计其时间槽分配和领导者选择机制，以与更新的共识协议保持一致。

潜在的好处和缺点

采用响应性共识方法的主要好处是实现更快的区块最终确认时间，可能达到期望的1秒最终确认。这可以极大地提高交易吞吐量和整体网络性能。

此外，在Harmony的有效权益证明（EPoS）和分片链的背景下，响应性可能增强共识算法的稳健性。一个可以适应实际网络延迟的协议可以更好地处理网络条件的波动，从而保持高水平的性能和可靠性。

过渡到响应性协议也带来了挑战。这将需要对Harmony的共识机制进行广泛的重新设计。对于网络这个关键方面的任何改变都需要谨慎，以避免引入新的安全漏洞或意外后果。理论上的好处必须经过实证验证。

将PaLa和Simplex的策略纳入Harmony协议中可能会在交易最终确认速度方面带来重大的改进。然而，在应用之前，这样的整合需要进行深入的探索，并全面了解其潜在影响。尽管具有潜在的优势，但考虑到Harmony网络的经验数据，不需要完全采用PaLa和Simplex，Harmony仍然可以实现1秒最终确认的目标，突出了这项研究对Harmony持续发展的重要性。

对响应性协议的进一步研究

将响应性引入共识协议的前景有着很好的前景，正如PaLa和Simplex所证明的。进一步探索这些协议背后的机制，全面了解它们的优点和缺点，将为拟议的适应提供必要的基础。

修改Harmony代码库以实现缩短区块时间

由于Harmony旨在优化其网络以实现更快的交易最终确认时间，因此必须深入研究代码库，了解设置区块时间的关键参数的位置以及如何进行调整。这个探索是将PaLa和Simplex的理论基础转化为Harmony网络上的实际实现的基础步骤。

在Harmony的代码库中，特别是在consensus_service.go文件中，可以找到consensus对象中的BlockPeriod字段。该字段指示连续区块生成之间的时间间隔。

consensus.BlockPeriod = 5 * time.Second

这一行将区块时间设置为5秒。然而，稍后的条件语句会根据某些时期进行调整。

// Enable 2s block time at the twoSecondsEpoch

if consensus.Blockchain().Config().IsTwoSeconds(nextEpoch) {

  consensus.BlockPeriod = 2 * time.Second

}

这个条件语句检查下一个时期是否配置为两秒区块，并在是的情况下将BlockPeriod更改为两秒。

虽然这种方法提供了管理区块时间的简单方法，但它固有地限制了系统的灵活性。目前，任何对区块时间的调整都需要代码更改和随后在网络上的部署。

为了推动Harmony实现1秒区块时间，必须仔细修订代码库中的区块时间设置。这需要一个全面的数学模型和严格的测试来验证在拟议的更改下网络的稳健性。一个可能的修改是引入一个一秒区块时间的条件。

// Enable 1s block time at the oneSecondEpoch

if consensus.Blockchain().Config().IsOneSecond(nextEpoch) {

  consensus.BlockPeriod = 1 * time.Second

}

这个修改提议在条件时期下启用一秒区块时间。然而，必须谨慎实施这样的过渡，因为更短的区块时间可能会给网络带来额外的负担。在这个过渡过程中必须解决的挑战包括增加的负载、网络拥堵和可能的孤立区块的增加。确保网络在这种情况下的稳定性和性能将对Harmony实现1秒最终确认的旅程至关重要。

对区块链技术的影响

1秒最终确认在Harmony协议中的实现将对整个区块链生态系统产生影响。尽管这对于Harmony本身来说是一个重要的里程碑，但其影响将可能激发区块链技术的一波进步。

首先，1秒最终确认的可能性将成为区块链生态系统中可扩展性的一个标志。通过实现这一目标，Harmony将使交易吞吐量翻倍，从而大幅提高单位时间内可以处理的潜在交易量。这对去中心化应用特别是在DeFi领域，交易速度和交易量至关重要。

尽管安全性的影响是微妙的，但也值得注意。虽然节点数量可能会略微降低网络的理论容错能力，但在Harmony坚固的EPoS模型的保护下实施此过渡可以防止恶意行为。因此，这种模型可以作为其他希望提高性能同时保持高安全标准的区块链网络的蓝图。

去中心化，作为区块链技术的核心原则，在这个过渡中不会受到损害。节点的数量仍然很多，以确保去中心化网络和Harmony生态系统的民主价值观得以继续发展。

结论

正如本文详细介绍的，采用1秒最终确认标志着Harmony和更广泛的区块链技术领域的重要时刻。我们的数学模型表明，交易速度和处理能力将大幅提高，预示着更优越的用户体验和适用于高交易量应用（特别是DeFi领域）的增强协议。

尽管有潜在的好处，实现1秒最终确认的过程需要谨慎管理，以解决潜在的安全和效率问题。我们的数学分析显示，减少节点数量可能会稍微降低网络对Byzantine行为的容忍度。然而，Harmony的EPoS模型对此类恶意行为提供了保护，强调了网络的稳固性。

这项研究为未来的研究提供了道路。例如，有必要对新提出的条件下的EPoS模型进行深入评估。此外，对1秒最终确认对网络延迟、计算开销和资源利用等因素的影响进行全面探索可能会产生重要的见解。最后，对所提出的系统进行实证测试和评估将提供实际数据来验证我们的理论结论。

正如本文所探讨的，Harmony协议朝着1秒最终确认的目标迈出了重要的一步。它体现了Harmony不断进步和创新的承诺，不断重新定义区块链生态系统中的可行性极限。