Aptos в деталях: масштабирование без границ

Блокчейн-индустрия стремительно развивается, и растет потребность в системах, способных справляться с увеличением спроса на транзакции и взаимодействие с приложениями на блокчейне. Однако масштабирование блокчейн-сетей при сохранении децентрализации и безопасности остается значительной проблемой. 

Aptos добился успехов в решении этой проблемы благодаря своему инновационному подходу к горизонтальному масштабированию. В этом исследовании мы углубимся в две недавние инновации, представленные Aptos для масштабирования блокчейнов: Zaptos и Shardines.

Конвейерная архитектура

Конвейерная блокчейн-архитектура Aptos способствует увеличению общей пропускной способности сети. Поданная транзакция проходит через четыре основных этапа:

1. Консенсус: Обработка распространения данных и упорядочивания транзакций.
2. Исполнение: Выполнение транзакций в блоке.
3. Сертификация: Подтверждение действительности вновь выполненных блоков.
4. Фиксация: Сохранение сертифицированных блоков в хранилище.

Конвейерная блокчейн-архитектура Aptos позволяет различным этапам обработки отдельных блоков перекрываться, тем самым максимизируя использование ресурсов через параллелизацию и улучшая общую пропускную способность блокчейна.

Рисунок 1: Конвейерная блокчейн-архитектура Aptos

Zaptos

Введение Zaptos от Aptos включает три ключевые оптимизации, направленные на дальнейшее снижение задержки транзакций в его конвейерной блокчейн-архитектуре, что является временем, необходимым для прохождения поданных транзакций через все четыре этапа обработки.

Оптимистичное исполнение

Вместо ожидания окончательного упорядочивания транзакций среди валидаторов, Zaptos позволяет транзакциям в предложенном блоке выполняться спекулятивно, как только предыдущий блок был выполнен. Оптимистичное исполнение снижает задержку и ускоряет обработку транзакций.

Рисунок 2: Конвейерная блокчейн-архитектура Aptos под Zaptos

Оптимистичная фиксация

Как и оптимистичное исполнение, оптимистичная фиксация снижает задержку, позволяя блокам из оптимистичного исполнения сохраняться в хранилище до полной сертификации. Если зафиксированные состояния не соответствуют порядку транзакций, согласованному в результате консенсуса, они отменяются из хранилища. 

Оптимизация сертификации

Третья оптимизация позволяет валидаторам начать процесс сертификации оптимистично выполненного блока раньше, не дожидаясь формального упорядочивания транзакций. Это позволяет этапу сертификации выполняться параллельно с финальным раундом консенсуса, что дополнительно снижает задержку. 

Реализуя эти оптимизации, Zaptos значительно снижает задержку конвейера, одновременно максимизируя использование ресурсов для достижения высокой пропускной способности. В тестовой среде Zaptos снижает задержку на 40% при нагрузке в 20,000 транзакций в секунду (tps).

Модульное шардирование

Шардирование — это часто обсуждаемая техника в масштабировании блокчейнов. Она включает разделение данных блокчейна на более мелкие сегменты, называемые «шардами», каждый из которых может обрабатываться параллельно. Это снижает нагрузку на отдельные узлы, позволяя быстрее обрабатывать транзакции и значительно увеличивая общую пропускную способность сети.

Хотя теоретически многообещающее, шардирование представляет несколько внутренних проблем. Наиболее значительные проблемы включают сложность управления коммуникацией и координацией между шардами.

s, обеспечивая при этом безопасность и согласованность сети в различных шардах.

Aptos разработала модульный подход к масштабированию, разделив свою блокчейн-архитектуру на три основных слоя — хранение, консенсус и выполнение. Вместо того чтобы внедрять шардинг во всю архитектуру блокчейна целиком, Aptos разделяет каждый из этих компонентов и оптимизирует их независимо.

Разбивая сложную систему на более мелкие модули, Aptos может легче реализовать масштабирование на каждом уровне.

Слой хранения

Слой хранения отвечает за хранение данных, связанных с блокчейном, в базе данных RocksDB, включая смарт-контракты и состояния. Эти данные хранятся в виде Jellyfish Merkle Tree (JMT), который является вариантом разреженного дерева Меркла, разработанного для облегчения шардинга и обеспечения равномерного распределения нагрузки данных по различным шардам.

Слой консенсуса

Слой консенсуса запускает движок консенсуса блокчейна, приводя все узлы к согласию по единому состоянию сети. Aptos реализует основанный на Narwhal Quorum Store, который отделяет распространение данных от упорядочивания транзакций. Этот подход позволяет валидаторам асинхронно распространять данные параллельно, уменьшая задержки, вызванные узким местом лидера.

Слой выполнения

Слой выполнения выполняет транзакции с использованием движка Block-STM. Реализация шардинга в среде выполнения сталкивается с несколькими ключевыми проблемами, включая обработку конфликтов и задержки, возникающие из-за межшардовой коммуникации.

Конфликты могут возникать, когда две транзакции из разных шардов пытаются одновременно изменить одно и то же состояние (т.е. конфликты записи-записи) или когда транзакция читает состояние, которое впоследствии изменяется другой транзакцией (т.е. конфликты записи-чтения).

Shardines

Aptos представляет Shardines, новый шардированный движок выполнения, который включает в себя несколько ключевых инноваций, направленных на достижение высокой пропускной способности, снижение задержек межшардовой коммуникации и эффективное управление конфликтами.

Алгоритм разбиения гиперграфа

Shardines использует алгоритм разбиения гиперграфа для минимизации необходимой межшардовой коммуникации и связанных с ней времен ожидания. Этот алгоритм анализирует конфликты между транзакциями и организует их таким образом, чтобы уменьшить объем передачи ресурсов между узлами, в конечном итоге снижая необходимость в трудоемких передачах данных между шардами.

Другими словами, более интеллектуально разделяя транзакции, Aptos оптимизирует использование ресурсов и сокращает задержки, которые обычно мешают межшардовой коммуникации.

Шарды в Shardines являются динамическими, что означает, что шарды, из которых осуществляется доступ к ресурсам, варьируются от блока к блоку, адаптируясь к динамической среде выполнения транзакций.

Микропакетирование и конвейеризация

Еще одной особенностью Shardines является его новая стратегия микропакетирования и конвейеризации. Транзакции в блоке разделяются на более мелкие пакеты, и эти пакеты транзакций затем проходят через различные стадии выполнения:

1. Передача пакета транзакций от координаторного узла к узлу шарда.
2. Получение данных и зависимостей для транзакций в пакете.
3. Выполнение транзакций в пакете.
5. Передать результаты выполнения другим шардам, содержащим зависимые транзакции.
6. Передать результаты выполнения координатору.

Микро-пакетирование помогает разбивать большие пакеты данных, снижая задержку, связанную с сериализацией и десериализацией больших объемов данных. В сочетании с конвейеризацией этот подход позволяет эффективно использовать ресурсы, позволяя выполнять пакеты транзакций (этап 3 на Рисунке 6) без ожидания прибытия всех других пакетов (этап 1). 

Другими словами, этот метод достигает параллельного выполнения и высокой пропускной способности, позволяя различным этапам выполнения различных пакетов транзакций перекрываться.

Агрегация дельт

Агрегация дельт — это еще одна важная функция Shardines. Когда несколько транзакций изменяют общие ресурсы (например, конфликты записи-записи), такие как события чеканки, влияющие на общий объем токенов, Shardines вычисляет изменение состояния (т.е. дельту) для каждой транзакции во время выполнения параллельно и агрегирует результаты в конце этапов выполнения.

Избегая необходимости последовательного выполнения даже при возникновении конфликтующих транзакций, Shardines обеспечивает эффективное управление ресурсами, затронутыми несколькими транзакциями, без создания узких мест. 

Эти функции позволяют Aptos достигать почти линейного масштабирования пропускной способности с увеличением количества шардов, достигая более 1 миллиона tps с 30 шардами в тестовой среде с неконфликтующими транзакциями.

Даже в сценариях с конфликтующими транзакциями его пропускная способность все равно превышает 500,000 tps, демонстрируя его устойчивость в более реалистичных условиях, когда многие пользователи блокчейна взаимодействуют с одними и теми же ресурсами на цепочке. Это укрепляет позицию Aptos как пионера параллелизма в блокчейн-индустрии.

Выводы

В заключение, Aptos разработал две революционные технологии — Zaptos и Shardines, которые решают проблемы масштабирования блокчейн-сетей.

• Zaptos снижает задержку транзакций от начала до конца, реализуя стратегии параллелизации и оптимистичной работы в конвейерной блокчейн-архитектуре Aptos. 
• Shardines улучшает слой выполнения через интеллектуальное разделение, конвейеризацию и эффективное разрешение конфликтов, значительно увеличивая пропускную способность при минимизации межшардовой коммуникации.

Вместе эти инновации позволяют Aptos эффективно масштабироваться, ставя его на передний план параллелизма в блокчейне. Достигая высокой пропускной способности и низкой задержки, Aptos прокладывает путь для широкого распространения децентрализованных приложений и сервисов, способных обрабатывать большие объемы транзакций с минимальными задержками.