Nguồn: Aptos Labs

Kể từ khi công nghệ máy tính xuất hiện, các kỹ sư và nhà nghiên cứu đã liên tục khám phá cách đẩy tài nguyên máy tính đến giới hạn hiệu suất của chúng, cố gắng tối đa hóa hiệu quả trong khi giảm thiểu độ trễ của các nhiệm vụ tính toán. Hiệu suất cao và độ trễ thấp luôn là hai trụ cột định hình sự phát triển của khoa học máy tính, ảnh hưởng đến một loạt lĩnh vực, bao gồm CPU, FPGA, hệ thống cơ sở dữ liệu, cũng như các tiến bộ gần đây trong hạ tầng trí tuệ nhân tạo và hệ thống Blockchain. Trong việc theo đuổi hiệu suất cao, công nghệ ống dẫn đã trở thành một công cụ không thể thiếu. Kể từ khi được giới thiệu vào năm 1964 với IBM System/360 [1], nó đã là cốt lõi của thiết kế hệ thống hiệu suất cao, thúc đẩy các cuộc thảo luận quan trọng và sáng tạo trong lĩnh vực.

Công nghệ pipeline không chỉ được ứng dụng trong phần cứng mà còn được sử dụng rộng rãi trong cơ sở dữ liệu. Ví dụ, Jim Gray đã giới thiệu phương pháp song song đường ống trong tác phẩm Hệ thống cơ sở dữ liệu hiệu suất cao [2]. Phương pháp này phân tách các truy vấn cơ sở dữ liệu phức tạp thành nhiều giai đoạn và chạy chúng đồng thời, do đó cải thiện hiệu quả và hiệu suất. Công nghệ đường ống cũng rất quan trọng trong trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là trong khung học sâu được sử dụng rộng rãi TensorFlow. Nó sử dụng tính song song của đường ống dữ liệu để xử lý tiền xử lý và tải dữ liệu, đảm bảo luồng dữ liệu trơn tru để đào tạo và suy luận, giúp quy trình làm việc AI nhanh hơn và hiệu quả hơn [3].

Blockchain không phải là ngoại lệ. Chức năng cốt lõi của nó tương tự như cơ sở dữ liệu, xử lý giao dịch và cập nhật trạng thái, nhưng với thách thức bổ sung của sự đồng thuận chịu lỗi Byzantine. Tăng cường năng suất blockchain (số giao dịch mỗi giây) và giảm độ trễ (thời gian để xác nhận cuối cùng) đặt ở việc tối ưu hóa các tương tác giữa các giai đoạn khác nhau - sắp xếp, thực thi, nộp và đồng bộ hóa các giao dịch - dưới tải cao. Thách thức này đặc biệt quan trọng trong các tình huống năng suất cao, vì các thiết kế truyền thống gặp khó khăn trong việc duy trì độ trễ thấp.

Để khám phá những ý tưởng này, hãy xem xét lại một phép so sánh quen thuộc: nhà máy ô tô. Hiểu cách dây chuyền lắp ráp đã cách mạng hóa ngành sản xuất giúp chúng ta đánh giá cao sự tiến hóa của các đường ống blockchain - và tại sao các thiết kế thế hệ tiếp theo như Zaptos[8] đang thúc đẩy hiệu suất blockchain lên tầm cao mới.

Từ Nhà Máy Xe đến Blockchain

Hãy tưởng tượng bạn là chủ nhân của một nhà máy sản xuất ô tô với hai mục tiêu chính:

· Tối đa hóa lưu lượng: Lắp ráp càng nhiều xe hơi càng tốt mỗi ngày.

· Giảm độ trễ: Rút ngắn thời gian cần thiết để xây dựng mỗi chiếc xe.

Bây giờ, hãy tưởng tượng ba loại nhà máy:

Nhà máy đơn giản

Trong một nhà máy đơn giản, một nhóm công nhân linh hoạt lắp ráp một chiếc xe ô tô từng bước một. Một công nhân lắp ráp động cơ, người tiếp theo lắp bánh xe, và cứ tiếp tục như vậy—tạo ra một chiếc xe mỗi lần.

Cụm vấn đề là gì? Một số công nhân thường ít khi bận rải, và hiệu suất sản xuất tổng thể thường thấp vì không ai làm việc trên các bộ phận khác nhau của cùng một chiếc xe cùng lúc.

Nhà máy Ford

Nhập vào dây chuyền lắp ráp Ford [4]! Ở đây, mỗi công nhân tập trung vào một nhiệm vụ duy nhất. Xe ô tô di chuyển dọc theo băng tải, và khi nó đi qua, mỗi công nhân chuyên nghiệp thêm các bộ phận của họ vào.

Chuyện gì xảy ra? Nhiều xe đều ở các giai đoạn lắp ráp khác nhau đồng thời, và tất cả công nhân đều bận rộn. Năng suất tăng đáng kể, nhưng mỗi xe vẫn phải đi qua từng công nhân một cách tuần tự, nghĩa là thời gian chờ đợi cho mỗi xe vẫn không thay đổi.

Nhà Máy Phép Thuật

Bây giờ, hãy tưởng tượng một nhà máy ma thuật nơi mà tất cả công nhân có thể làm việc trên cùng một chiếc ô tô cùng một lúc! Không cần phải di chuyển chiếc ô tô từ một trạm sang trạm khác; mỗi phần của chiếc ô tô đều được xây dựng đồng thời.

Kết quả thế nào? Xe được lắp ráp với tốc độ kỷ lục, mỗi bước diễn ra đồng bộ. Đây là kịch bản lý tưởng cho việc giải quyết cả hai vấn đề về thông lượng và độ trễ.

Bây giờ, với cuộc thảo luận về nhà máy ô tô đã qua—thì sao về blockchain? Hóa ra việc thiết kế một blockchain hiệu suất cao không khác biệt nhiều so với việc tối ưu hóa một dây chuyền lắp ráp.

Blockchain như một Nhà máy ô tô

Trong Blockchain, xử lý một khối tương tự như việc lắp ráp một chiếc xe. Phản ung như sau:

· Workers = Tài nguyên xác thực viên

· Xe hơi = Một khối

· Công việc lắp ráp = Các giai đoạn như sự đồng thuận, thực thi và nộp

Chỉ cần một nhà máy đơn giản xử lý một chiếc ô tô mỗi lần, nếu một blockchain xử lý một khối mỗi lần, điều này dẫn đến sự sử dụng không hiệu quả của tài nguyên. Ngược lại, các thiết kế blockchain hiện đại nhằm mục đích hoạt động giống như dây chuyền lắp ráp của Ford - xử lý các giai đoạn khác nhau của nhiều khối đồng thời. Đây là nơi công nghệ ống dẫn vào trò chơi.

Tiến hóa của Dây chuyền Blockchain

Kiến trúc truyền thống: Khối Blockchain Tuần tự

Hãy tưởng tượng một Blockchain xử lý các khối theo thứ tự. Người xác thực cần:

1. Nhận đề xuất khối.
2. Thực thi khối để cập nhật trạng thái Blockchain.
3. Tiếp tục đồng thuận về trạng thái đó.
4. Lưu trạng thái vào cơ sở dữ liệu.
5. Bắt đầu sự thống nhất cho khối tiếp theo.

Có vấn đề gì vậy?

· Việc thực hiện và nộp đồ án nằm trên con đường quyết định của quá trình đồng thuận.

· Mỗi trường hợp đồng thuận phải chờ đợi trường hợp trước đó hoàn thành trước khi bắt đầu.

Bố trí này giống như một nhà máy thời kỳ trước Ford: công nhân (tài nguyên) thường rảnh rỗi khi tập trung vào một khối (xe ô tô) vào một thời điểm. Thật không may, nhiều blockchain hiện có vẫn thuộc loại này, dẫn đến sản lượng thấp và độ trễ cao.

Aptos: Hiệu suất song song

Diem giới thiệu một kiến trúc ống dẫn mà phân rã việc thực thi và nộp hồ sơ khỏi giai đoạn đồng thuận, đồng thời cũng áp dụng một thiết kế ống dẫn cho chính giai đoạn đồng thuận.

· Thực thi và Nộp bài không đồng bộ [5]: Các nhà xác thực đầu tiên đạt được sự nhất quán về một khối, sau đó thực thi khối dựa trên trạng thái của khối cha. Khi đã được ký bởi số lượng nhà xác thực cần thiết, trạng thái được lưu trữ.

· Pipeline Consensus (Jolteon[6]): Các trường hợp đồng thuận mới có thể bắt đầu trước khi trường hợp trước đó hoàn thành, giống như một dây chuyền lắp ráp di động.

Điều này tăng cường thông lượng bằng cách cho phép các khối khác nhau ở các giai đoạn khác nhau đồng thời, giảm thời gian khối đáng kể chỉ còn hai sự trễ tin nhắn. Tuy nhiên, thiết kế dựa trên nguyên tắc của Jolteon có thể gây ra các ch bottlenecks, vì người lãnh đạo trở nên quá tải trong quá trình phân phối giao dịch.

Aptos tiếp tục tối ưu hóa đường ống với Quorum Store[7], một cơ chế giải kỳ quyết dữ liệu từ sự đồng thuận. Quorum Store không còn phụ thuộc vào một nhà lãnh đạo duy nhất để phát sóng các khối dữ liệu lớn trong giao thức đồng thuận mà tách riêng việc phân phối dữ liệu từ việc sắp xếp siêu dữ liệu, cho phép các validator phân phối dữ liệu một cách không đồng bộ và đồng thời. Thiết kế này sử dụng băng thông tổng của tất cả các validator, loại bỏ hiệu quả chướng ngại vật của nhà lãnh đạo trong đồng thuận.

Minh họa: Làm thế nào Quorum Store cân bằng việc sử dụng tài nguyên dựa trên giao thức đồng thuận dựa trên nguyên tắc lãnh đạo.

Với điều này, blockchain Aptos đã tạo ra ‘nhà máy Ford’ của blockchain. Giống như dây chuyền lắp ráp của Ford đã cách mạng hóa sản xuất ô tô - các giai đoạn khác nhau của các chiếc xe diễn ra đồng thời - Aptos xử lý các giai đoạn khác nhau của các khối đồng thời. Tài nguyên của mỗi người xác minh được sử dụng đầy đủ, đảm bảo không có phần nào của quy trình bị chờ đợi. Bản hòa âm thông minh này dẫn đến một hệ thống xử lý có công suất lớn, biến Aptos thành một nền tảng mạnh mẽ để xử lý giao dịch blockchain một cách hiệu quả và có khả năng mở rộng.

Minh họa: Xử lý đường ống của các khối liên tiếp trong blockchain Aptos. Các máy chủ xác thực có thể xử lý đường ống các giai đoạn khác nhau của các khối liên tiếp để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và tăng cường hiệu suất.

Mặc dù tốc độ xử lý là quan trọng, nhưng độ trễ từ đầu đến cuối - thời gian từ việc gửi giao dịch đến xác nhận cuối cùng - cũng quan trọng không kém. Đối với các ứng dụng như thanh toán, tài chính phi tập trung (DeFi) và trò chơi, mỗi mili giây đều quan trọng. Nhiều người dùng đã gặp trục trặc trong các sự kiện có lưu lượng cao vì mỗi giao dịch phải trải qua một loạt các giai đoạn theo thứ tự: truyền thông khách hàng - nút đầy đủ - truyền thông validator, đồng thuận, thực thi, xác nhận trạng thái, gửi và đồng bộ hóa nút đầy đủ. Dưới tải cao, các giai đoạn như thực thi và đồng bộ hóa nút đầy đủ tạo thêm sự trễ.

Minh họa: Kiến trúc đường ống của blockchain Aptos. Sơ đồ cho thấy khách hàng Ci, nút đầy đủ Fi và người xác thực Vi. Mỗi hộp đại diện cho một giai đoạn mà một khối giao dịch trong blockchain đi qua từ trái qua phải. Đường ống bao gồm năm giai đoạn: đồng thuận (bao gồm phân phối và sắp xếp), thực thi, xác thực, nộp và đồng bộ nút đầy đủ.

Đó giống như nhà máy Ford: mặc dù dây chuyền lắp ráp tối đa hóa tổng lưu lượng, mỗi chiếc xe vẫn phải đi qua từng công nhân một cách tuần tự, vì vậy thời gian hoàn thành là lâu hơn. Để thực sự đẩy hiệu suất blockchain đến giới hạn của nó, chúng ta cần xây dựng một “nhà máy ma thuật”—nơi những giai đoạn này chạy song song.

Zaptos: Di chuyển Đến Độ Trễ Blockchain Tối Ưu

Zaptos[8] giảm độ trễ thông qua ba tối ưu hóa chính mà không ảnh hưởng đến công suất.

· Thực thi lạc quan: Giảm độ trễ của đường ống bằng cách bắt đầu thực thi ngay sau khi nhận đề xuất khối. Các validator ngay lập tức thêm khối vào đường ống và đầu tư vào việc thực thi sau khi khối cha hoàn thành. Các nút đầy đủ cũng thực hiện thực thi lạc quan sau khi nhận đề xuất từ validator để xác minh chứng cứ trạng thái.

· Gửi Điều Lạc Quan: Viết trạng thái vào bộ nhớ lưu trữ ngay sau khi thực thi khối — ngay cả trước khi xác minh trạng thái. Khi người xác minh cuối cùng chứng nhận trạng thái, chỉ cần thực hiện các cập nhật tối thiểu để hoàn thành việc gửi điều. Nếu một khối cuối cùng không được sắp xếp, trạng thái được gửi điều lạc quan sẽ được quay trở lại để duy trì tính nhất quán.

· Xác thực Nhanh: Những người xác thực bắt đầu xác thực trạng thái của các khối đã thực thi một cách song song trong vòng xác nhận cuối cùng, mà không cần chờ đợi xác nhận hoàn tất. Tối ưu hóa này thường giảm độ trễ của đường ống điều khiển điều khiển một vòng trong các tình huống thông thường.

Minh hoạ: Kiến trúc đường ống song song của Zaptos. Tất cả các giai đoạn ngoại trừ sự đồng thuận đều được ẩn hiệu quả trong giai đoạn đồng thuận, giảm thiểu độ trễ từ đầu đến cuối.

Thông qua những tối ưu hóa này, Zaptos hiệu quả che giấu độ trễ của các giai đoạn đường ống khác trong giai đoạn đồng thuận. Kết quả là, nếu blockchain áp dụng một giao thức đồng thuận với độ trễ tối ưu, thì tổng độ trễ của blockchain cũng có thể đạt đến mức tối ưu của nó!

Nói phóng đại là vô ích; Dữ liệu nói lên tất cả

Chúng tôi đã đánh giá hiệu suất từ đầu đến cuối của Zaptos thông qua các thí nghiệm phân phối địa lý, sử dụng Aptos như cơ sở hiệu suất cao. Để biết thêm chi tiết, vui lòng tham khảo bài báo [8].

Trên Google Cloud, chúng tôi đã mô phỏng một mạng lưới phân cấp toàn cầu bao gồm 100 validator và 30 nút đầy đủ, phân tán trên 10 vùng, sử dụng các máy cấp thương mại tương tự như các máy được sử dụng trong việc triển khai Aptos.

Số lượng-Delay

Minh họa: So sánh hiệu suất giữa Blockchain Zaptos và Aptos.

Biểu đồ ở trên so sánh mối quan hệ giữa độ trễ từ đầu đến cuối và thông lượng cho cả hai hệ thống. Cả hai hệ thống đều trải qua sự tăng độ trễ dần dần khi tải tăng lên, với những cú nhảy đột ngột ở dung lượng tối đa. Tuy nhiên, Zaptos luôn thể hiện độ trễ ổn định hơn trước khi đạt đến thông lượng cao nhất, giảm độ trễ 160 mili giây dưới tải nhẹ và hơn 500 mili giây dưới tải cao.

Đáng ấn tượng, Zaptos đạt độ trễ dưới một giây ở 20k giao dịch mỗi giây trong môi trường mainnet cấp sản xuất—điều đột phá này khiến các ứng dụng thế giới thực cần tốc độ và khả năng mở rộng trở thành hiện thực.

Phân tích độ trễ

Minh họa: Phân tích độ trễ của Blockchain Aptos.

Illustration: Phân tích Độ trễ của Zaptos.

Biểu đồ phân rã độ trễ cung cấp một cái nhìn chi tiết về thời gian kéo dài của mỗi giai đoạn đường ống cho các nhà xác minh và các nút đầy đủ. Các thông tin quan trọng bao gồm:

· Lên đến 10k TPS: Độ trễ tổng thể của Zaptos gần như giống như độ trễ của sự nhất trí của nó, vì việc thực thi lạc quan, xác thực, và các giai đoạn nộp lạc quan được hiệu quả “ẩn” trong giai đoạn nhất trí.

· Trên 10k TPS: Khi thời gian thực hiện lạc quan và đồng bộ toàn bộ nút tăng lên, các giai đoạn không đồng thuận trở nên quan trọng hơn. Tuy nhiên, Zaptos giảm đáng kể độ trễ tổng thể bằng cách chồng chéo hầu hết các giai đoạn. Ví dụ, ở 20k TPS, độ trễ tổng thể cơ sở là 1,32 giây (đồng thuận 0,68 giây, các giai đoạn khác 0,64 giây), trong khi Zaptos đạt được 0,78 giây (đồng thuận 0,67 giây, các giai đoạn khác 0,11 giây).

Kết luận

Sự tiến hoá của kiến trúc Blockchain tương đương với sự biến đổi trong sản xuất—từ quy trình tuần tự đơn giản đến các dây chuyền lắp ráp song song rất phức tạp. Phương pháp ống dẫn của Aptos tăng đáng kể khả năng xử lý, trong khi Zaptos đưa nó xa hơn bằng cách giảm thiểu độ trễ xuống mức thấp, duy trì TPS cao. Giống như các kiến trúc máy tính hiện đại tận dụng song song để tối đa hóa hiệu suất, các blockchain phải liên tục tối ưu hóa thiết kế của mình để loại bỏ độ trễ không cần thiết. Bằng cách tối ưu hoá hoàn toàn ống dẫn blockchain cho độ trễ thấp nhất, Zaptos mở đường cho các ứng dụng blockchain thực tế yêu cầu cả tốc độ và khả năng mở rộng.

Miễn trách nhiệm:

1. Bài viết này được tái bản từ [KhốiKhốiBeats], and the copyright belongs to the original author [Aptos Labs]. Nếu bạn có bất kỳ ý kiến nào về việc sao chép, vui lòng liên hệ với Gate Họcđội, và đội sẽ xử lý nó càng sớm càng tốt theo các thủ tục liên quan.
2. Tuyên bố từ chối: Các quan điểm và ý kiến được thể hiện trong bài viết này chỉ đại diện cho quan điểm cá nhân của tác giả và không hình thành bất kỳ lời khuyên đầu tư nào.
3. Các phiên bản ngôn ngữ khác của bài viết được dịch bởi nhóm Gate Learn. Bài viết dịch có thể không được sao chép, phân phối hoặc đạo văn mà không có việc đề cập Gate.io.