Bu çevirinin orijinali “Zaptos: Reducing Blockchain Latency to the Absolute Minimum” adlı yazıya buradan ulaşabilirsiniz.
Zhuolun Xiang ve Alexander Spiegelman tarafından
Çok uzun; okumadım: Zaptos, uçtan uca gecikmeyi en aza indirirken, ardışık sıralı blok zincirlerinin yüksek işlem kapasitesini korumak için tasarlanmış, yeni bir paralel, ardışık sıralı blok zinciri mimarisidir. 100 doğrulayıcıdan oluşan coğrafi olarak dağıtılmış bir ağ üzerinde Zaptos, saniyenin altında uçtan uca blok zinciri gecikmesi sağlarken, saniye başına 20.000 işlem (TPS) kapasitesine ulaşır.
Daha fazla detay için lütfen Zaptos makalesini inceleyin.
Bir işlemin gönderildiği andan, taahhüt edildiğine dair onayın alındığı ana kadar ölçülen uçtan uca blok zinciri gecikmesi, kritik bir ilgi konusu haline gelmiştir. Yüksek verim altında uçtan uca blok zinciri gecikmesi, ödemeler, DeFi ve oyun dahil olmak üzere gecikmeye duyarlı blok zinciri uygulamalarının kitlesel olarak benimsenmesi için özellikle çok önemlidir.
Akademi ve Web3 endüstrisindeki araştırmaların ve inovasyonların çoğu, Shoal, Shoal++ ve Mysticeti gibi yakın zamanda yapılan çalışmalar da dahil olmak üzere Bizans Hata Toleranslı (BFT) konsensüs mekanizmalarının performansını artırmaya odaklanmaktadır. Bununla birlikte, işlem yaşam döngüsü konsensüsün ötesinde daha fazla aşamayı kapsar: istemciler, tam düğümler ve doğrulayıcılar arasındaki iletişim, blok yürütme, son yürütme durumunun sertifikasyonu, sonuçların depolamaya kaydedilmesi ve sonucun istemciye geri iletilmesi. Aslında, modern konsensüs sistemleri düşük yük altında bir işlemi sipariş etmek için tipik olarak yaklaşık 300–400 milisaniye gerektirir. Ancak, en hızlı blok zincirlerinin bile uçtan uca gecikme süresi yaklaşık 1 saniyedir ve yük arttıkça önemli ölçüde yükselir.
Uçtan uca blok zinciri gecikmesini azaltma zorluğunu ele almak için araştırmamızı mimari iyileştirmelere odakladık. Bugün, yüksek verimi korurken uçtan uca gecikmeyi en aza indirmek için tasarlanmış paralel, ardışık sıralı bir mimari olan Zaptos’u tanıtıyoruz.
Zaptos, ortak durumda konsensüs gecikmesi altında blok yürütme, durum sertifikasyonu ve depolama aşamalarını gölgelemektedir. Bu, bir blok sıralandığı ana kadar bloğun zaten yürütülmüş, son durumunun sertifikalandırılmış ve kalıcı hale getirilmiş olduğu anlamına gelir. Özellikle, bu durumda Zaptos’un uçtan uca gecikme süresi şuna eşittir:
İstemci-doğrulayıcı iletişim gecikmesi + Konsensüs gecikmesi
İstemci-doğrulayıcı iletişim gecikmesi kaçınılmaz olduğundan, Zaptos, konsensüs gecikmesinin optimum olduğu durumda uçtan uca blok zinciri gecikmesinde optimum seviyeye ulaşır.
Mevcut Blok Zinciri Mimarileri
Mevcut blok zinciri boru hattı mimarileri, boru hattı aşamaları arasındaki etkileşime bağlı olarak üç ana kategoride sınıflandırılabilir: konsensüs-ile-yürütme, yürütme-sonra-konsensüs ve konsensüs-sonra-yürütme. Son iki kategoride, konsensüs ve yürütme ayrı aşamalar olarak ayrıştırılmıştır.
Konsensüs-ile-yürütme mimarisinde konsensüs aşaması, konsensüs sırasında blok zincirinin yeni durumunu belirleyen blokların yürütülmesi ile sıkı bir şekilde entegre edilmiştir. Örneğin, lider tabanlı protokollerde, doğrulayıcılar liderin önerisinden sonra bir bloğu yürütür ve konsensüs protokolünün bir parçası olarak ortaya çıkan yeni blok zinciri durumu üzerine oy kullanır. Konsensüs aşamasının çıktısı nihai durumu içerir. Bu mimariyi kullanan temsili zincirler arasında Bitcoin, Ethereum PoS, Solana, Algorand, Cosmos, Redbelly, NEAR, XRP ve Stellar bulunmaktadır.
Yürütme-sonra-konsensüs mimarisi ilk olarak HyperLedger’da tanıtılmıştır. Doğrulayıcılar ilk olarak bir işlem listesini yerel olarak yürütür ve yürütme çıktıları üretir. Bu çıktılar daha sonra sıralamaları ve dolayısıyla yeni blok zinciri durumu üzerinde anlaşmaya varmak için bir konsensüs sürecine tabi tutulur.
Konsensüs-sonra-yürütme mimarisinde, doğrulayıcılar başlangıçta blok zincirini genişleten yeni bir blok üzerinde fikir birliğine varır. Sıralı bloğun yürütülmesini takiben güncellenmiş blok zinciri durumu üretilir. Yeni blok zinciri durumunun kamuya açık doğrulanabilir kanıtını üretmek ve deterministik olmayan yürütmenin neden olduğu güvenlik ihlalini önlemek için, depolamaya taahhüt etmeden önce bir sertifikasyon aşaması getirilmiştir. Bu mimariyi kullanan temsili zincirler arasında Aptos ve Sui bulunmaktadır ve Avalanche şu anda bu mimariyi uygulamaktadır.
Aptos Blok Zincirinin Boru Hatlı Mimarisi
Aptos, 2021’den bu yana farklı blokların farklı aşamalarının paralel olarak yürütülmesine olanak tanıyan boru hatlı mimari kullanan ilk blok zinciridir. Bu tasarım, kaynak kullanımını en üst düzeye çıkararak blok zinciri performansını artırır.
Mimari
Mevcut Aptos mimarisini, bir işlemin (txn) yaşam döngüsünü takip ederek açıklıyoruz. Bir istemci, bağlı olduğu tam düğüme bir işlem gönderebilir (DDoS koruması için). Tam düğüm, işlemi aldıktan sonra bağlı olduğu doğrulayıcıya iletecektir.
-
Konsensüs aşaması: Doğrulayıcılar, işlemi içeren bir blok üzerinde anlaşmaya varmak için önce bir konsensüs protokolü çalıştırır. Bu süreç genellikle iki alt aşamadan oluşur: Doğrulayıcıların veri yükü yığınlarını dağıttığı bir yayma aşaması ve bu veri yükü yığınlarının meta verilerini içeren blokların sıralaması üzerinde uzlaşmaya vardıkları bir sıralama aşaması. Bu aşama, ağ bant genişliği açısından yoğundur.
-
Yürütme aşaması: Doğrulayıcı, sıralanmış ancak yürütülmemiş bir blok bulunduğunda ve bu bloğun üst bloğu yürütülmüşse bloğu yürütür. Bu aşama da CPU yoğundur.
-
Sertifikasyon aşaması: Yürütmeden sonra, doğrulayıcı yürütme durumunun kriptografik özetini imzalar ve imzayı yayınlar. Aynı durumla ilgili yeterli sayıda imza alındığında, doğrulayıcı imzaları birleştirerek durumu sertifikalandırır. Bu aşama çok az hesaplama veya bant genişliği kaynağı kullanır, ancak imzayı doğrulayıcılardan oluşan bir çekirdekten almak bir tur sürer.
-
Taahhüt aşaması: Yeni sertifikalandırılmış blok taahhüt edilecek sıradaki yükseklikteyse, doğrulayıcı en yüksek taahhüt edilmiş yüksekliği ve blok zinciri durumunu günceller, ardından her ikisini de depolamaya kaydeder. Bu aşama depolama IO’su açısından yoğundur. Taahhüt tamamlandığında, doğrulayıcı yeni işlenen bloğu tam düğüme gönderir.
Tam düğüm, doğrulayıcılardan taahhüt edilmiş bloğu aldığında, durumun sertifikalandırıldığını doğrular ve bloğu boru hattına ekler. Tam bir düğümün işlem hattı doğrulayıcınınkine benzer, ancak sertifikasyon aşaması veya konsensüs içermez. İstemci, işlemin blok zincirinde taahhüt edilip edilmediğini sorgulayabilir. Tam düğüm, istemciden işlemin durumu hakkında bir sorgu aldığında, işlem en son blok zinciri durumuna göre bir konumda taahhüt edilmişse işlemin dahil edilme kanıtıyla yanıt verir. İstemci yanıtı bir zaman aşımı içinde alırsa, kanıtın işlem için geçerli olup olmadığını doğrular ve buna göre başarı veya başarısızlık sonucunu döndürür. İstemci, başarısızlık veya zaman aşımı durumunda işlemi yeniden gönderebilir.
Boru Hattı
Gösterildiği gibi, boru hattı tasarımı, doğrulayıcıların ve tam düğümlerin farklı kaynaklarını tam olarak kullanarak yüksek blok zinciri verimliliği sağlar. Aptos’ta bir doğrulayıcı, ardışık blokların farklı aşamalarını boru hattı şeklinde işleyebilir (örneğin, B_1, B_2, B_3 blokları için) ve doğrulayıcı, paralel olarak şu işlemleri gerçekleştirebilir: B_1’in (I/O yoğun) taahhüt aşaması, B_2’nin sertifikalandırma aşaması, B_3’ün (CPU yoğun) yürütme aşaması ve sonraki blokların (ağ yoğun) konsensüs aşaması. Pratikte, aşamaların süreleri değişkenlik gösterebilir, ancak paralel aşamalar farklı kaynakları kullandığı sürece, boru hattı tasarımı, boru hattı kullanılmayan tasarımlara kıyasla kaynak kullanımını maksimize ederek verimliliği artırır.
Zaptos
Zaptos, üç ana optimizasyon aracılığıyla Aptos’un boru hattı mimarisinin uçtan uca gecikme süresini önemli ölçüde azaltırken, yüksek verimlilik elde etmek için kaynak kullanımını maksimize etme özelliğini korur.
-
İyimser Yürütme: Bu optimizasyon, yürütme aşamasını iyimser bir şekilde çalıştırarak hem doğrulayıcıların hem de tam düğümlerin boru hattı gecikmesini iyileştirir. Herhangi bir doğrulayıcı, konsensüste blok önerisini aldığında, doğrulayıcı bloğun sıralanmasını beklemek yerine bloğu hemen boru hattına ekler. Ardından doğrulayıcı, ana bloğun yürütülmesinin ardından bloğu spekülatif olarak yürütebilir. Doğrulayıcı ayrıca öneriyi, doğrulayıcıya abone olan tam düğümlere gönderir. Benzer şekilde, tam düğüm, doğrulayıcıdan aldığı durum kanıtını doğrulamak için iyimser yürütme yapar.
-
İyimser Taahhüt: İkinci optimizasyon, blokların yürütme aşaması tamamlanır tamamlanmaz ancak durum sertifikalandırılmadan önce, depolamaya iyimser bir şekilde işlenmesine izin vererek hem doğrulayıcıların hem de tam düğümlerin taahhüt aşaması gecikmesini azaltır. Doğrulayıcılar durumu sertifikalandırdığında, taahhüt aşamasını tamamlamak için yalnızca minimal bir güncelleme gerekir. Sonunda konsensüs tarafından sıralanmayan iyimser taahhütlü blok durumunda, iyimser taahhütlü durum veri tutarlılığı için depolamadan geri alınacaktır.
-
Konsensüs Üzerine Durum Sertifikasyonunun Eklenmesi: Son optimizasyon, doğrulayıcıların, bloğun sıralanmasını beklemek yerine, yürütülmüş bir bloğun sertifikasyon aşamasına daha erken başlamasına izin vererek doğrulayıcıların boru hattı gecikmesini daha da iyileştirir. Bu, doğrulayıcıların sertifikasyon aşamasını konsensüsün son turuna paralel olarak çalıştırmasına olanak tanıyarak, yaygın durumda boru hattı gecikmesini etkili bir şekilde bir tur azaltır.
Bu temel optimizasyonlarla Zaptos, yüksek verimlilik elde etmek için kaynak kullanımını maksimize ederken boru hattı gecikmesini önemli ölçüde azaltır.
Değerlendirme
Zaptos’un uçtan uca performansını, Aptos’u yüksek performanslı bir temel alarak coğrafi olarak dağılmış deneylerle değerlendiriyoruz. Daha fazla değerlendirme detayı makalede bulunabilir.
Küresel olarak merkeziyetsiz bir ağın dağıtımını taklit etmek için Google Cloud’u kullandık. Test ortamımız, Aptos tarafından emtia sınıfı olarak nitelendirilmek için kullanılanlara benzer makine özelliklerine sahip, 10 küresel bölgede 100 doğrulayıcı ve 30 tam düğümden oluşmaktadır.
Verimlilik-Gecikme
Yukarıdaki şekil, Zaptos ve Aptos’un verimlilik grafiğine göre uçtan uca blok zinciri gecikmesini göstermektedir. Görüldüğü gibi, her iki sistem de sistem yükü arttıkça gecikmede kademeli bir artış gösterir ve maksimum kapasiteye ulaşıldığında keskin zirveler yapar. Zaptos, taban çizgisine kıyasla gecikme süresini düşük yük altında 160 ms (milisaniye), yüksek yük altında ise 500 ms’nin üzerinde önemli ölçüde azaltıyor.
Özellikle Zaptos, üretim sınıfı bir uygulama ile, gerçekçi ve ana ağ benzeri bir ortamda test edilen 20k TPS’de saniyenin altındaki uçtan uca blok zinciri gecikmesini başarıyla elde etmektedir. Bu, mevcut blok zinciri sistemlerinde nadiren görülen ve hem hız hem de ölçeklenebilirlik gerektiren gerçek dünya uygulamaları için blok zincirinin potansiyelini ortaya çıkaran çığır açan bir kombinasyondur.
Gecikme Dağılımı
Gecikme dağılımı grafiği hem doğrulayıcılar hem de tam düğümler için her bir boru hattı aşamasının süresini göstermektedir. Sistem performansını daha ayrıntılı analiz etmek için, verimlilik-gecikme grafiğinden elde edilen veri noktalarının detaylı gecikme dağılımını sunuyoruz:
-
Zaptos’un uçtan uca blok zinciri gecikmesi, 10k TPS’e kadar konsensüs gecikmesi ile yaklaşık olarak eşdeğerdir. Bu aralık sırasında hem doğrulayıcılar hem de tam düğümler için iyimser yürütme, sertifikasyon ve iyimser taahhüt aşamaları, konsensüs aşamasında etkin bir şekilde “gölgelenir”. Bu da Zaptos tasarımının, optimal blok zinciri gecikmesi elde etmeye yönelik bir adım olduğunu doğruluyor.
-
TPS arttıkça, konsensüs dışı aşamalar artık tamamen konsensüs aşamasında “gölgeleme” yapılmaz. Bunun başlıca nedeni, daha büyük blokları beklemek veya almak için gereken yürütme hazırlığının artması ve iyimser yürütme aşamasının daha uzun sürmesidir. Maksimum verimde aşamaların kısmen çakışmasına rağmen, Zaptos aşama sürelerinin çoğunu gölgeleyerek gecikme süresini önemli ölçüde azaltır. Örneğin, 20k TPS’de Aptos toplam 1,32 saniyelik bir gecikme sergilerken (konsensüs gecikmesi: 0,68s; diğer aşamalar: 0,64s), Zaptos bu süreyi 0,78 saniyeye düşürür (konsensüs gecikmesi: 0,67s; diğer aşamalar: 0,11s).
-
Konsensüs yayma gecikmesi, yüksek yük altında uçtan uca blok zinciri gecikmesinin bir darboğazı olmaya devam etmektedir. Yayılım gecikmesinin daha da iyileştirilmesi, gelecekteki çalışmalar için ilginç bir zorluk teşkil etmektedir.
Sonuç
Zaptos, etkili boru hattı oluşturma yoluyla kaynak kullanımını maksimize ederek, düşük gecikme süresi ve yüksek işlem kapasitesi elde etmek için tasarlanmış, yenilikçi bir blok zinciri boru hattı mimarisidir. Daha fazla ayrıntı için lütfen Zaptos’un makalesine göz atın.
