基于以太坊的Emerald系统解读

作者

电子商务与电子支付国家工程实验室研究员：童耀刚、朱涛、周宇

作为首批与 R3 建立合作关系的九家银行之一，苏格兰皇家银行（RBS）投入了 35 亿英镑用于区块链技术的研究和改造。 其前期尝试了Ripple、Ethereum等技术平台，并成功在银行进行了自主研发的数字货币测试，并作为多家银行之间的交易清算工具。

近日，为解决跨境支付拼凑系统效率低下的问题，RBS联合技术合作伙伴GFT Technologies SE（GFT），基于谷歌云平台，建立了基于以太坊的分布式清算机制——Emerald系统，并于11月7日《翡翠性能测试技术报告》1日发布。 该系统现阶段是一个概念验证，性能目标是每秒 100 笔交易进入系统（足以满足国内支付系统），往返时间低于 25 秒（足以满足单一欧元支付区 (SEPA) ) ) 即时学分转移计划 (ICT) 要求）。

下面简单分析一下RBS发布的技术报告：

1 针对性的系统架构改造

众所周知，以太坊是一个基于区块链技术的开源平台，也是一个无需许可的、公开的分布式账本，实现了数据去中心化、分布式存储和信息交换中的信任问题，但系统也存在高能耗问题、交易并发处理能力低、吞吐量低、交易成本高、交易效率低等问题。

针对以太坊平台存在的问题，RBS技术团队结合单一欧元支付区（SEPA）即时信用转账方案（ICT）的要求（即单笔交易的往返时间）必须在 10-25 秒内），以太坊 有针对性地简化和裁剪系统架构，将原来的公共和分布式以太坊平台转变为以速度和吞吐量为目标的快速和私有平台，即 Emerald 系统。

Emerald系统在各银行的部署由三部分组成，如图1所示：

图 1：Emerald 系统架构

图 2 信用额度模型

该系统包含了以太坊平台最大的特点——智能合约，它是可以自动执行多方给定协议条款的计算机代码，其标的物几乎可以涵盖任何可编程的事物（包括投票、域名、金融交易等）交易、众筹、公司管理、合同和大多数协议、知识产权等）。 Emerald系统提供的智能合约是系统中银行之间的信用额度模型，如图2所示，其中余额（Balance）记录了银行之间的账户（即银行1欠银行2多少钱）； 其中Limit and Allow是指银行1允许从银行2收到的延迟净额，以及银行1允许自己支付给银行2的延迟净额。即当银行1和银行2发生交易时，系统将通过智能合约检查账户。 当不超过两家银行为对方设定的限额时，交易就会成功，账户会实时调整。

2 系统吞吐量、交易速度测试及结果

Emerald的设计目标是每秒进入系统100笔交易（足以满足各国国内支付系统的要求），往返时间在25秒以内（足以满足ICT的要求），所以在在概念验证过程中，仅通过 Google 大数据记录和分析系统的吞吐量和交易时间。 Emerald系统的测试对象称为stack，通过Docker容器封装了图1中的ISO代理模块、支付服务模块、通信协议RabbitMQ和Geth（以太坊节点），并在google云平台上使用了Kubernetes。 部署。 GFT在Emerald系统性能测试中设计了一种自动化的、多模式的以太坊网络部署方式，可以测试多种不同的节点拓扑模型。

最终测试结果表明，由6家模拟银行组成的Emerald系统网络性能最优，其系统吞吐量达到每秒100笔交易，单笔交易平均往返时间为2.805秒，最短时间为0.665秒，最长的时间为8.085秒，无论是吞吐量还是交易时间，都达到了系统的设计目标。 其最佳性能节点拓扑（6 个模拟银行）为：

3 Emarald系统建设意义

(1) 证明了基于以太坊构建分布式清算系统的可行性

在这份测试报告发布之前，还没有基于以太坊的分布式清算系统，这份报告弥补了这一不足，测试结果满足了单一欧元支付区即时信用转账方案（ICT）的性能要求（ SEPA)以太坊是一个私有链，证明了构建基于以太坊的分布式清算系统的可行性，对基于以太坊的场景发展具有积极的推动作用。

(2) 阐述了基于以太坊构建分布式清算系统的改进点

1.关机机制（消耗gas费用）

关闭机制用于防止死循环，保证系统的效率。 它是通过在以太坊中为每笔交易消耗 gas 费用来实现的。 报道中提到，Emerald原则上使用更丰富、更成熟的JVM来替代EVM，并用Java替代Solidity，这样就不需要消耗以太坊中的gas费用。

2.出块难度调整功能

通常，为了保证每个区块的生成时间稳定在固定的时间范围内，会通过改变区块生成难度来进行调整。 在Emerald系统中，由于系统采用单挖矿节点构建，出块时间固定为1s等合理值，不需要出块难度调整功能。

3. 工作量证明的共识机制

由于公链中的每个节点不一定是可信的，因此需要一种共识机制来保证交易的安全性。 Emerald系统在银行间建立联盟链。 RBS认为，由于银行间相互信任，发起的交易内容也是可信的，不需要共识机制来确认。 可以直接使用round-robin调度方式。 银行轮流将交易直接写入下一个区块。

4.挖矿时间-活动时间

主要的时间损失是在交易被挖矿确认和两个节点触发事件之后。 通过单一挖矿节点直接确认交易写入区块链，并通过全网状网络连接的拓扑结构，大大提高了交易时间。

4 与Ripple的对比分析

根据麦肯锡报告《2016年全球支付：尽管时代不明朗以太坊是一个私有链，基础依然强劲》，跨境支付交易占全球支付的比例不到20%，但其带来的交易费用却占全球支付交易费用的40%。 SWIFT和西联的跨境汇款手续费和电信费高昂、汇款方式繁琐、到账时间长等成为无法回避的痛点。 基于区块链的跨境支付本质上是以虚拟货币为中介实现跨境支付，即系统会以代币/数字资产为中介，先将汇款人所在地的法定货币兑换成代币/数字资产，然后在收款端将代币兑换成收款人所在地的法定货币，完成跨境支付。 比如Ripple在跨境资产中使用的数字资产就是XRP。

本文分析的Emerald系统的设计目的是狭义上达到吞吐量和交易速度等方面的性能指标，广义上系统的目的是消除跨境过程中的障碍支付，即提高透明度、降低清算风险、降低成本、提高交易速度等目标。 分析报告并未提及使用代币（Ether）或以太坊中的其他数字资产作为信用中介。 可以看出，随着以太坊公链向私有链的裁剪和改造过程，公链系统所体现的用途，包括支付手段、交换手段、抵押手段、激励手段、权益证明、资源控制等, 已经减少，从而在私有链/联盟链的构建过程中形成了“去令牌化”。 但不排除在跨境汇款过程中引入以太坊作为信用中介，类似于Ripple系统中的XRP。

现在针对Emerald和Ripple这两个系统，我们从平台类型、领域适用性、共识机制、区块生成时间、系统原生代币、单笔交易手续费、开发难度等方面进行比较，如表1所示。

表 1 Emerald 和 Ripple 系统的比较

以太坊

（以翡翠系统为例）

波纹

平台类型

底层代码开源

底层代码已关闭

领域适用性

智能合约和去中心化应用平台，适用领域广泛

专为金融交易而设计的网络

共识机制

自行设定，如Emerald系统，不需要共识，采用round-robin调度方式产生区块

波纹共识协议

块生成时间

1s（翡翠系）

/

系统本机令牌

ETH（以太币）

XRP（瑞波币）

单笔交易手续费

无需gas费（翡翠系统）

需要第 100,000 个 XRP

开发难度

开发工作量大，需要技术公司支持（Emerald系统由GFT协助）

交易网络提供API，开发工作量小

5 结论

基于对以太坊平台和Emerald系统的初步了解和研究，我们认为该系统对后续的区块链技术研究具有一定的借鉴意义，具体体现在以下几个方面：

(1)网络平台的选择

Emerald系统为跨境支付网络发展的平台选择提供了参考价值。 该报告肯定了以太坊性能的适用性。 同时，考虑到底层代码的开源特性，具有自主可控、平台运营成本低等诸多优势。

(2) 技术实现

1. 报告介绍了各环节的系统架构、通信方式和技术方法，对基于以太坊的开发者起到指导作用。 同时采用授信额度的智能合约方式。 测试结果也证明了这种“去代币化”支付结算的可行性。

2. 报告中提及的基于以太坊构建分布式清算的改进点，对后续开发基于以太坊的分布式清算系统具有参考价值，可以有针对性地对开源代码进行封装和裁剪，从而提高运行整个系统的效率。

（三）创新场景开发

RBS是较早进行基于以太坊的银行间分布式清算系统研究的机构，测试结果也令人印象深刻。 这种积极的探索方式给区块链研究人员一个积极的信号，鼓励区块链研究人员在其他场景开发中使用以太坊等开源代码平台。