Джерело: Aptos Labs

З появою обчислювальної технології інженери та дослідники постійно досліджували, як прискорювати обчислювальні ресурси до меж їх продуктивності, намагаючись максимізувати ефективність, зменшуючи затримку обчислювальних завдань. Висока продуктивність та низька затримка завжди були двома стовпами, що формують розвиток комп'ютерних наук, впливаючи на широкий спектр галузей, включаючи ЦП, FPGA, системи баз даних, а також останні досягнення в інфраструктурі штучного інтелекту та блокчейн-системи. У пошуках високої продуктивності технологія каналізації стала невід'ємним інструментом. Починаючи з її запровадження в 1964 році з IBM System/360 [1], вона була основою дизайну високопродуктивної системи, що стимулює ключові дискусії та інновації в цій галузі.

Технологія конвеєра використовується не лише в апаратурі, але й широко застосовується в базах даних. Наприклад, Джим Грей представив паралельний метод конвеєра у своїй роботі "Високопродуктивні бази даних" [2]. Цей метод декомпонує складні запити до баз даних на кілька етапів і виконує їх одночасно, тим самим покращуючи ефективність та продуктивність. Технологія конвеєра є також важливою в штучному інтелекті, особливо в широко використовуваному фреймворку глибокого навчання TensorFlow. Вона використовує паралелізм конвеєра даних для обробки та завантаження даних, забезпечуючи плавний потік даних для навчання та інференції, що робить робочі процеси штучного інтелекту швидшими та ефективнішими [3].

Блокчейн не є винятком. Його основна функціональність подібна до баз даних, обробка транзакцій і оновлення стану, але з додатковим викликом у вигляді витривалої до вад візантійської згоди. Підвищення продуктивності блокчейну (транзакцій на секунду) та зменшення затримки (час до остаточного підтвердження) полягає в оптимізації взаємодії між різними етапами - сортування, виконання, подання та синхронізація транзакцій - за високих навантажень. Цей виклик є особливо важливим у високопродуктивних сценаріях, оскільки традиційні конструкції мають проблеми з підтриманням низької затримки.

Для дослідження цих ідей давайте повернемося до відомої аналогії: автомобільний завод. Розуміння того, як лінія зборки революціонізувала виробництво, допомагає нам оцінити еволюцію блокчейн конвеєрів - і чому наступне покоління дизайнів, таких як Zaptos[8], піднімають продуктивність блокчейну на нові висоти.

Від автомобільної фабрики до блокчейну

Уявіть, що ви є власником автомобільної фабрики з двома основними цілями:

· Максимізувати пропускну здатність: Збирати якомога більше автомобілів кожен день.

· Мінімізувати затримку: Скоротити час, необхідний для збірки кожної машини.

А тепер уявіть три типи фабрик:

Простий завод

У простій фабриці група універсальних робітників поетапно складає автомобіль. Один робітник збирає двигун, наступний встановлює колеса і так далі, виготовляючи по одному автомобілю за раз.

Яка проблема? Деякі робітники часто бездіяльні, а загальна ефективність виробництва низька, оскільки ніхто не працює одночасно над різними частинами того ж автомобіля.

Ford Factory

Увійдіть на лінію зборки Ford [4]! Тут кожен робітник фокусується на одному завданні. Автомобіль рухається вздовж конвеєра, і коли він проходить, кожен спеціалізований робітник додає свої власні деталі.

Що відбувається? Кілька автомобілів одночасно знаходяться на різних етапах збирання, і всі робітники зайняті. Пропускна здатність значно збільшується, але кожен автомобіль все ще повинен проходити через кожного робітника по черзі, що означає, що час затримки для кожного автомобіля залишається незмінним.

Фабрика Магії

Уявіть магічну фабрику, де всі робітники можуть працювати над тією ж машиною одночасно! Немає потреби пересувати автомобіль з однієї станції на іншу; кожна частина автомобіля будується одночасно.

Який результат? Автомобілі збираються з рекордною швидкістю, кожен крок відбувається синхронно. Це ідеальний сценарій для вирішення проблем як пропускної здатності, так і затримок.

Тепер, коли обговорення заводу автомобілів відбулося, що на рахунок блокчейну? Виявляється, що створення високоефективного блокчейну не так вже й відрізняється від оптимізації лінії збірки.

Блокчейн як автомобільний завод

У блокчейні обробка блоку схожа на збірку автомобіля. Аналогія така:

· Робітники = Ресурси валідатора

· Автомобілі = A блок

· Збіркові завдання = Етапи, такі як консенсус, виконання та подання

Точно так само, як простий завод обробляє одну машину за раз, якщо блокчейн обробляє один блок за раз, це призводить до недоексплуатації ресурсів. Натомість сучасні конструкції блокчейну мають на меті працювати, як збірочний транспортер Ford — обробляючи різні етапи кількох блоків одночасно. Це те, де відбувається використання технології конвеєра.

Еволюція блокчейн-конвеєра

Традиційна архітектура: Послідовний блокчейн

Уявіть блокчейн, який обробляє блоки послідовно. Валідатори потребують:

1. Отримати пропозицію блоку.

2. Виконайте блок, щоб оновити стан блокчейну.

3. Продовжуйте консенсус стосовно цього стану.

4. Зберігайте стан у базу даних.

5. Почати згоду наступного блоку.

Яка проблема?

· Виконання та подання є на критичному шляху процесу згоди.

· Кожний екземпляр згоди повинен чекати, доки завершиться попередній, перш ніж почати.

Ця налаштування схожа на завод епохи до Форда: робітники (ресурси) часто бездіяльні, коли фокусуються на одному блоку (автомобілі) за раз. Нажаль, багато існуючих блокчейнів все ще належать до цієї категорії, що призводить до низької продуктивності та великої затримки.

Aptos: Паралельна Продуктивність

Diem впровадив архітектуру конвеєра, що роз'єднує виконання та подання від фази консенсусу, при цьому використовуючи дизайн конвеєра для самого консенсусу.

· Асинхронне виконання та подання [5]: Валідатори спочатку досягають згоди щодо блоку, а потім виконують блок на основі стану батьківського блоку. Як тільки підписано необхідну кількість валідаторів, стан зберігається в сховищі.

· Консенсус Конвеєр (Jolteon[6]): Нові екземпляри консенсусу можуть починатися до завершення попереднього, схоже на рухому конвеєрі.

Це збільшує пропускну здатність, дозволяючи різним блокам перебувати на різних етапах одночасно, що значно скорочує час блокування до всього двох затримок повідомлень. Однак дизайн, заснований на лідерах Jolteon, може спричинити затори, оскільки лідер перевантажується під час розподілу транзакцій.

Aptos подальш оптимізував конвеєр за допомогою Quorum Store[7], механізму, який відокремлює розподіл даних від узгодження. Quorum Store більше не покладається на одного лідера для трансляції великих блоків даних у протоколі узгодження, але відокремлює розподіл даних від упорядкування метаданих, дозволяючи валідаторам асинхронно та одночасно розподіляти дані. Цей дизайн використовує загальну пропускну здатність усіх валідаторів, ефективно усуваючи проблему бутля в лідері узгодження.

Ілюстрація: Як Quorum Store балансує використання ресурсів на основі протоколу консенсусу, заснованого на лідерстві.

Завдяки цьому блокчейн Aptos створив "Фордівську фабрику" блокчейну. Точно так само, як збірочний конвеєр Форда революціонізував виробництво автомобілів - різні етапи різних автомобілів відбуваються одночасно - Aptos обробляє різні етапи різних блоків одночасно. Ресурси кожного валідатора повністю використовуються, що гарантує, що жодна частина процесу не залишається чекати. Ця розумна оркестрація призводить до системи з високою пропускною здатністю, роблячи Aptos потужною платформою для ефективної та масштабованої обробки транзакцій у блокчейні.

Ілюстрація: Обробка послідовних блоків в блокчейні Aptos. Валідатори можуть розбити на етапи послідовні блоки, щоб максимізувати використання ресурсів та збільшити пропускну здатність.

Хоча пропускна здатність є важливою, час затримки від початку до кінця - час від подання транзакції до остаточного підтвердження - так само важливий. Для додатків, таких як платежі, децентралізована фінансова сфера (DeFi) та геймінг, кожна мілісекунда має значення. Багато користувачів зазнали затримок під час подій з великим трафіком, оскільки кожна транзакція повинна пройти через послідовність етапів: клієнт - повна вузлова - комунікація валідатора, консенсус, виконання, перевірка стану, подання та синхронізація повної вузлової. Під великим навантаженням етапи, такі як виконання та синхронізація повної вузлової, додають додаткові затримки.

Ілюстрація: Архітектура трубопроводу блокчейну Aptos. Діаграма показує клієнта Ci, повний вузол Fi та валідатор Vi. Кожна коробка представляє етап транзакційного блоку в блокчейні, через який проходить зліва направо. Трубопровід складається з п'яти етапів: згода (включаючи розподіл та упорядкування), виконання, валідація, подання та синхронізація повного вузла.

Це схоже на завод Ford: хоча лінія збірки максимізує загальний пропускний здатність, кожна машина все ще повинна пройти через кожного робітника послідовно, тому час завершення довший. Щоб справді вивести продуктивність блокчейну на межі її можливостей, нам потрібно побудувати "чарівний завод", де ці етапи працюють паралельно.

Zaptos: Рухаючись до оптимальної затримки Блокчейн

Zaptos[8] зменшує затримку за допомогою трьох ключових оптимізацій, не жертвуючи пропускною здатністю.

· Оптимістичне виконання: Зменшує затримку конвеєра, починаючи виконання негайно після отримання пропозиції блоку. Валідатори негайно додають блок до конвеєра та припускають виконання після завершення батьківського блоку. Повні вузли також виконують оптимістичне виконання після отримання пропозиції від валідатора для перевірки доказу стану.

· Оптимістичне надсилання: Записує стан в сховище безпосередньо після виконання блоку, навіть перед перевіркою стану. Коли перевірник урешті-решт підтвердить стан, для завершення надсилання буде потрібно лише мінімальне оновлення. Якщо блок в кінцевому підсумку не буде впорядкований, оптимістично надісланий стан буде скасовано для збереження послідовності.

· Швидка перевірка: Валідатори починають перевірку стану виконаних блоків паралельно під час останнього раунду згоди, не чекаючи завершення згоди. Ця оптимізація зазвичай зменшує затримку конвеєра на один раунд у звичайних сценаріях.

Ілюстрація: Паралельна архітектура конвеєра Zaptos. Усі етапи, крім консенсусу, ефективно приховані всередині етапу консенсусу, що зменшує час затримки від початку до кінця.

Завдяки цим оптимізаціям Zaptos ефективно приховує затримку інших етапів конвеєра в межах етапу консенсусу. У результаті, якщо блокчейн приймає протокол консенсусу з оптимальною затримкою, загальна затримка блокчейну також може досягти свого оптимуму!

Порожні балачки марні; дані говорять самі за себе

Ми оцінили продуктивність Zaptos на всій дистанції через географічно розподілені експерименти, використовуючи Aptos як високопродуктивну базову лінію. Для отримання додаткових відомостей див. статтю [8].

На Google Cloud ми симулювали глобально децентралізовану мережу, що складалася з 100 валідаторів та 30 повних вузлів, розподілених по 10 регіонах, використовуючи машини комерційного класу, подібні до тих, які використовуються в розгортанні Aptos.

Пропускна здатність-затримка

Ілюстрація: Порівняння продуктивності блокчейнів Zaptos та Aptos.

Діаграма вище порівнює взаємозв'язок між затримкою від кінця до кінця та пропускною здатністю обох систем. Обидва відчувають поступове збільшення затримки при збільшенні навантаження, з різкими стрибками при максимальному навантаженні. Однак Zaptos постійно показує більш стабільну затримку до досягнення максимальної пропускної здатності, зменшуючи затримку на 160 мілісекунд при низькому навантаженні та понад 500 мілісекунд при високому навантаженні.

Вражаюче, Zaptos досягає підсекундної затримки на 20 тис. TPS в середовищі головної мережі рівня виробництва - цей прорив робить реальні застосування, які потребують швидкості та масштабованості, реальністю.

Розподіл затримки

Ілюстрація: Розподіл затримки Aptos Blockchain.

Ілюстрація: Розподіл затримки Заптос.

Діаграма розбиття затримки надає детальний огляд тривалості кожного етапу конвеєра для валідаторів та повних вузлів. Ключові висновки включають:

· До 10k TPS: Загальна затримка Zaptos майже ідентична затримці його консенсусу, оскільки оптимістичне виконання, валідація та етап оптимістичної подачі ефективно "приховані" на етапі консенсусу.

· Понад 10 тис. TPS: З часом оптимістичне виконання та повна синхронізація вузла стають більш суттєвими. Тем не менш, Zaptos значно скорочує загальну затримку, перекриваючи більшість етапів. Наприклад, при 20 тис. TPS базова загальна затримка становить 1,32 секунди (консенсус 0,68 секунди, інші етапи 0,64 секунди), тоді як Zaptos досягає 0,78 секунди (консенсус 0,67 секунди, інші етапи 0,11 секунди).

Висновок

Еволюція архітектури блокчейну схожа на трансформацію виробництва — від простих послідовних робочих процесів до високопаралельних складальних ліній. Трубопровідний підхід Aptos значно підвищує пропускну здатність, тоді як Zaptos розвиває її, зменшуючи затримку до рівня менше секунди, підтримуючи високий TPS. Подібно до того, як сучасні обчислювальні архітектури використовують паралелізм для максимізації ефективності, блокчейни повинні постійно оптимізувати свої конструкції, щоб усунути непотрібну затримку. Повністю оптимізуючи конвеєр блокчейну для найнижчої затримки, Zaptos прокладає шлях для реальних блокчейн-додатків, які вимагають як швидкості, так і масштабованості.

Відмова від відповідальності:

1. Ця стаття перепечатана з [БлокчейнБітс], і авторські права належать оригінальному автору [Aptos Labs]. Якщо у вас є які-небудь заперечення щодо перепублікації, будь ласка, зв'яжіться з Gate Навчаннякоманда, і команда якнайшвидше вирішить це відповідно до відповідних процедур.

2. Попередження: Погляди та думки, висловлені в цій статті, представляють лише особисті погляди автора і не становлять жодної інвестиційної поради.

3. Інші мовні версії статті перекладені командою Gate Learn. Перекладена стаття не може бути скопійована, розповсюджена або ухвалена без згадуванняGate.io.