Aptos Entschlüsselt: Skalierung über Grenzen hinaus

Die Blockchain-Industrie entwickelt sich rasant weiter, mit einem zunehmenden Bedarf an Systemen, die den Anstieg der Nachfrage nach Transaktionen und Interaktionen mit On-Chain-Anwendungen bewältigen können. Allerdings bleibt die Skalierung von Blockchain-Netzwerken bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung von Dezentralisierung und Sicherheit eine bedeutende Herausforderung. 

Aptos hat Fortschritte bei der Bewältigung dieser Herausforderung durch seinen innovativen Ansatz zur horizontalen Skalierung gemacht. In diesem Forschungsstück befassen wir uns mit zwei kürzlich von Aptos eingeführten Innovationen zur Skalierung von Blockchains: Zaptos und Shardines.

Pipeline-Architektur

Die Pipeline-Blockchain-Architektur von Aptos trägt zur Skalierung des gesamten Durchsatzes des Netzwerks bei. Eine eingereichte Transaktion durchläuft vier Hauptphasen:

1. Konsens: Handhabt die Verbreitung von Nutzlasten und die Reihenfolge der Transaktionen.
2. Ausführung: Führt Transaktionen in einem Block aus.
3. Zertifizierung: Zertifiziert die Gültigkeit neu ausgeführter Blöcke.
4. Commit: Speichert zertifizierte Blöcke.

Die Pipeline-Blockchain-Architektur von Aptos ermöglicht es, dass verschiedene Verarbeitungsstufen separater Blöcke überlappen, wodurch die Ressourcennutzung durch Parallelisierung maximiert und der gesamte Blockchain-Durchsatz verbessert wird.

Zaptos

Die Einführung von Zaptos durch Aptos umfasst drei wesentliche Optimierungen, die darauf abzielen, die End-to-End-Transaktionslatenz in seiner Pipeline-Blockchain-Architektur weiter zu reduzieren, also die Zeit, die erforderlich ist, damit eingereichte Transaktionen alle vier Verarbeitungsstufen durchlaufen.

Optimistische Ausführung

Anstatt darauf zu warten, dass die Transaktionsreihenfolge unter den Validierern finalisiert wird, erlaubt Zaptos, dass Transaktionen im vorgeschlagenen Block spekulativ ausgeführt werden, sobald der vorherige Block ausgeführt wurde. Die optimistische Ausführung reduziert die Latenz und beschleunigt die Transaktionsverarbeitung.

Optimistisches Commit

Ähnlich wie bei der optimistischen Ausführung reduziert das optimistische Commit die Latenz, indem es Blöcken aus der optimistischen Ausführung erlaubt, vor der vollständigen Zertifizierung in den Speicher geschrieben zu werden. Wenn die gespeicherten Zustände nicht mit der aus dem Konsens vereinbarten Transaktionsreihenfolge übereinstimmen, werden sie aus dem Speicher zurückgesetzt. 

Zertifizierungsoptimierung

Die dritte Optimierung ermöglicht es den Validierern, den Zertifizierungsprozess eines optimistisch ausgeführten Blocks früher zu beginnen, anstatt darauf zu warten, dass Transaktionen formal geordnet werden. Dadurch kann die Zertifizierungsstufe parallel zur letzten Konsensrunde ablaufen, was die Latenz weiter reduziert. 

Durch die Implementierung dieser Optimierungen senkt Zaptos die Pipeline-Latenz erheblich, während die Ressourcennutzung maximiert wird, um einen hohen Durchsatz zu erreichen. In einer Testumgebung reduziert Zaptos die Latenz um 40 % bei einer Last von 20.000 Transaktionen pro Sekunde (tps).

Modulares Sharding

Sharding ist eine häufig diskutierte Technik zur Skalierung von Blockchains. Es beinhaltet die Aufteilung der Daten einer Blockchain in kleinere Segmente, sogenannte „Shards“, von denen jedes parallel verarbeitet werden kann. Dies reduziert die Belastung einzelner Knoten, ermöglicht eine schnellere Transaktionsverarbeitung und erhöht den gesamten Netzwerkdurchsatz erheblich.

Obwohl theoretisch vielversprechend, stellt Sharding mehrere inhärente Herausforderungen dar. Die bedeutendsten Probleme umfassen die Komplexität der Verwaltung der Kommunikation und Koordination zwischen den Shards.

während sichergestellt wird, dass das Netzwerk über verschiedene Shards hinweg sicher und konsistent bleibt. 

Aptos hat einen modularen Ansatz zur Skalierung entwickelt, indem es seine Blockchain in drei Kernschichten unterteilt: Speicherung, Konsens und Ausführung. Anstatt Sharding auf die gesamte Blockchain-Architektur als Ganzes anzuwenden, entkoppelt Aptos jede dieser Komponenten und optimiert sie unabhängig voneinander.

Durch die Aufteilung eines komplexen Systems in kleinere Module kann Aptos die Skalierung auf jeder Schicht einfacher umsetzen.

Speicherschicht

Die Speicherschicht ist verantwortlich für das Halten von Daten, die mit der Blockchain in einer RocksDB-Datenbank verbunden sind, einschließlich Smart Contracts und Zuständen. Diese Daten werden in Form eines Jellyfish Merkle Tree (JMT) gespeichert, einer Variante des spärlichen Merkle-Baums, der entwickelt wurde, um Sharding zu erleichtern und eine gleichmäßige Verteilung der Datenlast über verschiedene Shards sicherzustellen.

Konsensschicht

Die Konsensschicht betreibt die Konsens-Engine der Blockchain, die alle Knoten in Übereinstimmung über einen einzigen Netzwerkzustand bringt. Aptos implementiert einen auf Narwhal basierenden Quorum Store, der die Datenverbreitung von der Transaktionsreihenfolge entkoppelt. Dieser Ansatz ermöglicht es den Validierern, Daten asynchron parallel zu verbreiten, wodurch die durch den Leader-Engpass verursachte Latenz reduziert wird. 

Ausführungsschicht

Die Ausführungsschicht führt Transaktionen mit der Block-STM-Engine aus. Die Implementierung von Sharding in einer Ausführungsumgebung steht vor mehreren Schlüsselherausforderungen, einschließlich der Konfliktbehandlung und der Latenz, die durch die Kommunikation zwischen Shards entsteht.

Konflikte können auftreten, wenn zwei Transaktionen aus verschiedenen Shards versuchen, denselben Zustand gleichzeitig zu ändern (d. h. Schreib-Schreib-Konflikte) oder wenn eine Transaktion einen Zustand liest, der anschließend von einer anderen Transaktion geändert wird (d. h. Schreib-Lese-Konflikte).

Shardines

Aptos führt Shardines ein, eine neuartige geshardete Ausführungs-Engine, die mehrere wichtige Innovationen bietet, um einen hohen Durchsatz zu erreichen, die Latenz der Kommunikation zwischen Shards zu reduzieren und Konflikte effizient zu handhaben. 

Hypergraph-Partitionierungsalgorithmus

Shardines verwendet einen Hypergraph-Partitionierungsalgorithmus, um die Menge der notwendigen Kommunikation zwischen Shards und die damit verbundenen Wartezeiten zu minimieren. Dieser Algorithmus analysiert Konflikte zwischen Transaktionen und organisiert sie so, dass die Menge der Ressourcennutzung zwischen den Knoten reduziert wird, was letztendlich den Bedarf an zeitaufwändigen Datenübertragungen zwischen Shards verringert.

Mit anderen Worten, durch eine intelligentere Partitionierung der Transaktionen optimiert Aptos die Ressourcennutzung und reduziert die Verzögerungen, die typischerweise die Kommunikation zwischen Shards plagen.

Shards unter Shardines sind dynamisch, was bedeutet, dass die Shards, von denen aus Ressourcen zugegriffen werden, sich von Block zu Block ändern und sich an die dynamische Umgebung der Transaktionsausführung anpassen.

Mikro-Batching & Pipelining

Ein weiteres Merkmal von Shardines ist seine neuartige Mikro-Batching- und Pipelining-Strategie. Transaktionen innerhalb eines Blocks werden in kleinere Chargen aufgeteilt, und diese Transaktionschargen werden dann durch verschiedene Ausführungsstufen gepipelined: 

1. Übertragen einer Transaktionscharge vom Koordinator-Knoten zu einem Shard-Knoten.
2. Abrufen der Daten und Abhängigkeiten für die Transaktionen in der Charge.
3. Ausführen der Transaktionen in der Charge.
5. Übertragen Sie die Ausführungsergebnisse an andere Shards, die abhängige Transaktionen enthalten.
6. Übertragen Sie die Ausführungsergebnisse an den Koordinator.

Mikro-Batching hilft, große Datenpakete aufzuteilen, wodurch die Latenzzeiten beim Serialisieren und Deserialisieren großer Datenmengen reduziert werden. In Kombination mit Pipelining ermöglicht dieser Ansatz eine effiziente Ressourcennutzung, sodass Transaktionsbatches ausgeführt werden können (Stufe 3 in Abbildung 6), ohne auf das Eintreffen aller anderen Batches warten zu müssen (Stufe 1). 

Mit anderen Worten, diese Methode erreicht parallele Ausführung und hohen Durchsatz, indem sie es ermöglicht, dass sich verschiedene Ausführungsstufen verschiedener Transaktionsbatches überlappen.

Delta-Aggregation

Delta-Aggregation ist ein weiteres wichtiges Merkmal von Shardines. Wenn mehrere Transaktionen gemeinsame Ressourcen modifizieren (d. h. Schreib-Schreib-Konflikte), wie z. B. Prägeereignisse, die das gesamte Token-Angebot beeinflussen, berechnet Shardines die Zustandsänderung (d. h. Delta) für jede Transaktion während der parallelen Ausführung und aggregiert die Ergebnisse am Ende der Ausführungsstufen.

Indem die Notwendigkeit einer sequentiellen Ausführung vermieden wird, selbst bei Konflikttransaktionen, stellt Shardines sicher, dass Ressourcen, die von mehreren Transaktionen betroffen sind, effizient gehandhabt werden, ohne Engpässe zu erzeugen. 

Diese Funktionen ermöglichen es Aptos, eine nahezu lineare Durchsatzskalierung mit zunehmender Shard-Anzahl zu erreichen und in einer Testumgebung mit nicht-konfliktbehafteten Transaktionen über 1 Million tps mit 30 Shards zu erreichen.

Selbst in Szenarien mit Konflikttransaktionen übersteigt der Durchsatz immer noch 500.000 tps, was seine Widerstandsfähigkeit unter realistischeren Bedingungen zeigt, in denen viele Blockchain-Nutzer mit denselben On-Chain-Ressourcen interagieren. Dies festigt die Position von Aptos als Pionier der Parallelität in der Blockchain-Industrie.

Erkenntnisse

Zusammenfassend hat Aptos zwei bahnbrechende Technologien entwickelt—Zaptos und Shardines—die die Herausforderungen der Skalierung von Blockchain-Netzwerken adressieren.

• Zaptos reduziert die End-to-End-Transaktionslatenz durch Implementierung von Parallelisierungs- und optimistischen Betriebsstrategien innerhalb der pipelined Blockchain-Architektur von Aptos. 
• Shardines verbessert die Ausführungsschicht durch intelligente Partitionierung, Pipelining und effiziente Konfliktlösung, was den Durchsatz dramatisch erhöht und die Kommunikation zwischen Shards minimiert.

Zusammen ermöglichen diese Innovationen Aptos, effizient zu skalieren und positionieren es an der Spitze der Blockchain-Parallelität. Durch die Erreichung von hohem Durchsatz und niedriger Latenz ebnet Aptos den Weg für die weitverbreitete Einführung dezentraler Anwendungen und Dienste, die in der Lage sind, große Transaktionsvolumina mit minimalen Verzögerungen zu bewältigen.