EOS正式版技术白皮书

EOS正式版技术白皮书（中文）EOS (Enterprise Operation System) 为商用分布式应用设计的一款区块链操作系统

区块链应用最大的限制就是延迟和数据吞吐量，EOS通过并行链和DPOS的方式解决了延迟和数据吞吐量的难题，比如BTC是大概最少三十分钟后数据才能被确认，7TPS/S，ETH也需要几分钟，只有，但基于石墨烯底层的BTS和STEEM却可以达到1.5S的平均确认速度和有限条件下实测3300TPS的数据吞吐量，EOS通过并行链的方式，最高可以达到数百万TPS，并且并行本地链甚至可以达到毫秒级的确认速度。

EOS率先支持的WREN编程语言在BM之前的博文中有过描述，是一种十分高效的编程语言。

EOS和ETH的愿景大致相似，一个操作系统的底层，在这个操作系统里，可以构建各种各样的智能合约应用，并且又因为并行链而使得EOS系统里的每一个软件都可以获得高性能支撑。类似BTS STEEM这种每日交易次数超过BTC和ETH的真正意义上的应用，只有EOS上可以构建。

本中文白皮书翻译自EOS白皮书英文版，如果有表述不一致的地方，以英文版本为准。

摘要

EOS.IO软件引入了一种新的块链架构，旨在实现分布式应用的性能扩展。这是通过创建一个可以构建应用程序的类似操作系统的架构来实现的。该软件架构提供帐户，身份验证，数据库，异步通信以及在数以百计的CPU或群集上的程序调度。该技术的最终形式是一个块链体系架构，该区块链每秒可以支持数百万个交易，同时普通用户无需支付使用费用。

背景

Blockchain技术源于2008年推出的比特币，自那时以来，企业家和开发人员一直在努力推广该技术，以便在单个块链平台上支持更广泛的应用。

虽然一些通用区块链平台还在努力实现第一个能正常运行的区块链应用，针对特定场景的区块链应用诸如BitShares去中心化交易所（2014）和Steem社交媒体平台（2016）已经成为日活跃用户上万的成功应用。 这两个应用成功的把性能提高到每秒数千个交易，延迟降低到1.5秒，降低交易费用，并实现了与中央服务器方案相似的用户体验。

由于现有的块链平台使用费用高昂，性能有限，阻碍了区块链应用的广泛传播。

区块链应用的要求

成为一个成功的区块链应用平台块，应该需要满足以下要求：

支持百万级别用户

如Ebay，Uber，AirBnB和Facebook这样的应用，需要能够处理数千万日活跃用户的区块链技术。 在某些情况下，应用程序可能无法正常工作，除非达到了大量用户，因此可以处理大量用户数量的平台至关重要。

免费使用

有时候应用开发人员需要灵活的为用户提供免费服务; 用户不必为了使用平台而付出费用。可以免费使用的块链平台自然可能会得到更多的关注。有了足够的用户规模，开发者和企业可以创建对应的盈利模式。

轻松升级和Bug恢复

基于块链的应用程序在进行功能迭代的时候自然需要能支持软件升级。所有软件都有可能受到bug的影响。一个区块链底层平台在遭遇bug的时候，需要能够从bug中修复错误。

低延迟

及时的反馈是良好用户体验的基础。延迟时间如果超过了几秒钟，会大大影响用户体验，严重降低程序的竞争力。

串行性能

有些应用程序由于命令执行必须是顺序的，从而无法用并行算法进行实现。诸如交易所之类的应用经常需要处理大量的串行操作，因此一个成功的区块链架构需要具有强大的串行性能。

并行性能

大规模应用程序需要在多个CPU和计算机之间划分工作负载。

共识算法（DPOS）

EOS.IO软件架构中采用目前为止唯一能够复合上述性能要求的区块链共识算（DPOS）。根据这种算法，全网持有代币的人可以通过投票系统来选择区块生产者，一旦当选任何人都可以参与区块的生产。

EOS.IO里预计每3秒生产一个区块。任何时刻，只有一个生产者被授权产生区块。如果在某个时间内没有成功出块，则跳过该块。

EOS.IO架构中区块产生是以21个区块为一个周期。在每个出块周期开始时，21个区块生产者会被投票选出。前20名出块者首选自动选出，第21个出块者按所得投票数目对应概率选出。所选择的生产者会根据从块时间导出的伪随机数进行混合。以便保证出块者之间的连接尽量平衡。

如果出块者错过了一个块，并且在最近24小时内没有产生任何块，则这个出块者将被删除。这确保了网络的顺利运行。

在正常情况下，DPOS块链不会经历任何叉，因为块生产者合作生产区块而不是竞争。如果有区块分叉，共识将自动切换到最长的链条。具有更多生产者的区块链长度将比具有较少生产者的区块链增长速度更快。此外，没有块生产者应该同时在两个区块链分叉上生产块。如果一个块生产者发现这么做了，就可能被投票出局。

交易确认

由DPOS共识算法维护的区块链一般出块者都是100％在线的。这就是说一个交易平均1.5秒后，会被写入区块链中，同时被所有出块节点知晓这笔交易。这就意味着只需要1.5秒，一笔交易可以认定为99.9％被区块链接收了。

有一些非常情况下例如，软件bug，Internet拥塞或恶意出块者出现，区块链可能出现分叉。为了确保一个交易是不可逆转的，可以等待15个区块确认。根据EOS.IO软件的配置，在正常情况下15个区块确认平均需要45秒。

在分叉产生的9秒钟内，出块节点就可能发现这个分叉可能并警告用户。一个节点观察网络的时候如果发现连续2次的丢块事件，这意味着改节点由95%可能性在区块链的分叉分支上。有出现3个连续的丢块以后，该节点有99％的可能性在一条分叉出来的区块链上。可以生成一个预测模型，它将利用节点丢失的信息，最近的参与率以及其他因素来快速地警告用户出现什么问题。

对这种警告的反应完全取决于业务交易的性质，但最简单的反应是等待15/21确认，直到警告停止。

交易证明（TaPoS）

EOS.IO软件要求每个交易都包括最近的区块头的哈西。 这个哈希有两个目的：

1.防止分叉区块链上出现大量交易记录;

2.使得系统能感知到用户是否在分叉出来的区块链上

随着时间的推移，所有用户最终直接确认块链，这使得难以伪造假冒链，因为假冒将无法从合法链路迁移交易。

EOS操作系统旨在促进区块链间的跨链交互，这是通过简化消息存在证明和消息序列证明来实现的。这些证明与围绕信息传送的应用架构设计相结合，同时可以隐藏跨链交互和验证的细节，避免向应用程序开发人员公开。

用于轻客户端验证的默克尔证明(LCV)

要更容易地与其他区块链集成，对于客户端而言最好是不需要处理全部的交易。毕竟，一个交易所关心的不过只是入账和出账操作。更进一步而言，一个更加理想的状态是，对于交易所自身所维持的链来说，如果可以将轻量级的默克尔存款证明应用其中，那么就不必完全依赖全节点矿工，全节点矿工同步时也能维持尽可能小的开销。

LCV的目标是能产生相对轻量级的交易存在证明，并且该证明能被其他人通过跟踪一个轻量级数据集进行验证。既然如此，目的就是证明一个特定的交易是被一个特定的区块包含其中，并且这个区块是被包含在已经验证的特定区块链历史中。

比特币的轻量级验证方式是，假设所有节点都有读取区块头数据完整记录的能力。而区块头数据每年增长4MB， 假设每秒产生10笔交易，一个有效的证明需要512 bytes，这对于一个出块时间为10分钟的区块链来说是可行的。但对于一个出块时间为3秒的区块链来说则远远不够。

EOS操作系统的轻量级证明只需要验证包含某个特定的不可逆交易之后的区块头数据，使用哈希链表架构（如下图），数据集可以保持在1024 bytes内，即可证明任何一个交易是否存在。这是基于验证节点保留着前一天的所有区块头数据（2 MB大小)，然后证明这些交易只需要200 bytes大小的证明数据。

当生成区块时候使用合适的哈希链表时，使用这种方法只会带来很小的增量开销，这意味着没有理由不以这种方式去生成区块。

当与其他链验证证明的时候，时间、空间和带宽都有很大的优化空间。跟踪所有区块头数据(420 MB/年)可以使证明体积尽可能小。只跟踪最近的区块头可以使得在持久区块头数据保存体积以及证明体积之间获得平衡。同样的一个区块链可以“懒惰地”只记录过去数据的哈希值作为之前数据的证据，新证明只需要保留已知的sparse tree（稀疏树）结构，具体的方法会视乎于外部区块所占的默克尔证明所包含的交易比例。

在链与链之间经过一定密度的相互关联之后。他们将会变得越来越高效。一条链可能会包含另外一条链的全部历史记录，那么就不再需要互相证明。从性能的角度来说，这将极大地减少链间互相证明操作的频率。

跨链通信延迟

与其他区块链通信的时候，矿工必须等待其他区块链不可逆地确认之后才会接受其为有效的输入。使用EOS系统软件，凭借出块时间为秒的委任权益证明以及21个矿工，这大概只需要45秒的确认时间。如果某个链上的矿工不等到交易确认，就像一个交易所接受了一笔存款而后又撤销这笔操作，这会影响这条链共识的有效性。

完成证明

使用外部区块链的默克尔证明时，知道所有已处理的交易是有效的和知道有没有交易被忽略，这两者之间有巨大的不同。因为不可能证明所有最近交易是已知的，但有可能证明历史交易数据之间没有缺失。EOS操作系统通过分配一个顺序的标识编号给每一笔到达账户的信息来完成这个功能，用户可以使用这些标号来证明所有给这个账号的消息已经被处理并且是被按顺序处理的。

EOS操作系统是基于经过普遍证实、并通过长期实践考验的概念来设计的，代表着区块链技术的根本性进步。它是可扩展的全球性区块链社会的宏伟蓝图的一部分 ，分布式应用程序可以轻松地以此为环境开发和管理。