Shoal çerçevesi: Aptos üzerindeki Bullshark gecikme süresini nasıl azaltabiliriz?

Genel Bakış

Aptos laboratuvarları, DAG BFT'deki iki önemli açık sorunu çözdü, gecikme süresini büyük ölçüde azalttı ve ilk kez belirli gerçek protokoller için duraklama gereksinimini ortadan kaldırdı. Genel olarak, hatasız durumlarda Bullshark'ın gecikme süresini %40, arızalı durumlarda ise %80 oranında iyileştirdi.

Shoal, Narwhal tabanlı konsensüs protokolünü geliştirmek için bir akış hattı ve lider itibarı güçlendiren bir çerçevedir. Akış hattı, her turda referans noktaları tanıtarak DAG sıralama gecikmesini azaltır, lider itibarı ise referans noktalarının en hızlı doğrulama düğümleri ile ilişkilendirilmesini sağlayarak gecikmeyi daha da iyileştirir. Ayrıca, lider itibarı, Shoal'ın tüm senaryolardaki zaman aşımını ortadan kaldırmak için asenkron DAG yapısını kullanmasına olanak tanır. Bu, Shoal'ın genellikle gereken iyimser yanıtları içeren evrensel yanıt verme özellikleri sunmasını sağlar.

Bu teknoloji oldukça basittir ve temel protokollerin birden fazla örneğinin sıralı bir şekilde çalıştırılmasını içerir. Bullshark ile örneklendiğinde, sanki bir grup "köpekbalığı" bayrak yarışı yapıyormuş gibi.

Motivasyon

Blok zinciri ağlarının yüksek performansını hedeflerken, insanlar iletişim karmaşıklığını azaltmaya odaklandılar. Ancak, bu yaklaşım önemli bir şekilde throughput'u artırmadı. Örneğin, Diem'in erken sürümünde uygulanan Hotstuff yalnızca 3500 TPS sağladı, bu da 100k+ TPS hedefine çok uzaktı.

Son dönemdeki atılım, veri iletiminin liderlik protokollerine dayanan ana darboğaz olduğunu anlamaktan kaynaklanmaktadır ve paralelleşmeden fayda sağlayabilir. Narwhal sistemi veri iletimini ana konsensüs mantığından ayırarak, tüm doğrulayıcıların aynı anda veri ilettiği ve konsensüs bileşeninin yalnızca az sayıda meta veriyi sıraladığı bir mimari önermektedir. Narwhal belgesi, 160,000 TPS'lik bir verimlilik rapor etmektedir.

Daha önce tanıtılan Quorum Store, verilerin yayılmasını ve konsensüsü ayırarak mevcut konsensüs protokolü Jolteon'u ölçeklendirmek için kullanılır. Jolteon, Tendermint'in lineer hızlı yolunu ve PBFT tarzı görünüm değişikliklerini birleştiren lider tabanlı bir protokoldür ve Hotstuff gecikmesini %33 oranında azaltabilir. Ancak, lider tabanlı konsensüs protokolleri, Narwhal'ın verimlilik potansiyelini tam olarak kullanamaz.

Bu nedenle, sıfır iletişim maliyeti olan bir konsensüs protokolü olan Bullshark'ı Narwhal DAG üzerinde dağıtmaya karar verildi. Ancak Bullshark'ın DAG yapısı %50 gecikme süresi getirdi.

Bu makalede Shoal'ın Bullshark gecikme süresini nasıl önemli ölçüde azalttığı anlatılmaktadır.

DAG-BFT Arka Planı

Narwhal DAG'daki her bir tepe noktası bir tur ile ilişkilidir. r. tura girdiğinde, doğrulayıcılar r-1. turdaki n-f tepe noktasını elde etmelidir. Her doğrulayıcı her turda bir tepe noktasını yayınlayabilir ve her tepe noktası en az bir önceki turdaki n-f tepe noktasını referans almalıdır. Ağın asenkronluğu nedeniyle, farklı doğrulayıcılar herhangi bir anda DAG'ın farklı yerel görünümlerini gözlemleyebilir.

DAG'ın bir ana özelliği belirsiz olmamasıdır: Eğer iki doğrulayıcı düğüm DAG'ın yerel görünümünde aynı v tepe noktasına sahipse, o zaman tamamen aynı v nedensel geçmişine sahiptirler.

Toplam Sıra

DAG'daki tüm düğümlerin toplam sırası, ek iletişim maliyeti olmadan bir araya getirilebilir. DAG-Rider, Tusk ve Bullshark'taki doğrulayıcılar DAG yapısını bir konsensüs protokolü olarak yorumlar, düğümler önerileri temsil eder, kenarlar ise oylamayı temsil eder.

Tüm mevcut Narwhal tabanlı konsensüs protokolleri aşağıdaki yapıya sahiptir:

1. Önceden belirlenmiş köşe noktası: Her birkaç turda önceden belirlenmiş bir lider vardır, liderin zirvesine köşe noktası denir.

2. Sıralama Ankraj Noktaları: Doğrulayıcılar, bağımsız ancak belirleyici bir şekilde hangi ankraj noktalarının sıralanacağına ve hangi ankraj noktalarının atlanacağına karar verir.

3. Sıralı nedensel tarih: Doğrulayıcılar, sıralı ankraj noktası listesini birer birer işler ve her ankraj noktasının nedensel tarihindeki tüm önceki düzensiz zirveleri sıralar.

Güvenliğin sağlanmasının anahtarı, adım 2'de tüm dürüst doğrulayıcı düğümlerin sıralı bir referans noktası listesi oluşturmasını ve tüm listelerin aynı öneki paylaşmasını sağlamaktır. Shoal'da, tüm doğrulayıcıların ilk sıralı referans noktasında hemfikir olduğunu gözlemledik.

Bullshark gecikme süresi

Bullshark'ın gecikme süresi, DAG içindeki sıralı ankrajlar arasındaki döngü sayısına bağlıdır. Bazı senkron sürümler, asenkron sürümlere göre daha iyi gecikme sunsa da, kesinlikle en iyi değildir.

Başlıca iki sorun var:

1. Ortalama blok gecikme süresi: Genel durumlarda, tek sayılı tur zirve noktalarının sıralanması için üç tur, çift sayılı tur ise köprü olmayan zirve noktalarının sıralanması için dört tura ihtiyaç duyar.

2. Arıza durumu gecikme süresi: Eğer bir lider turu, zamanında referans noktasını yayımlayamıyorsa, önceki sıralanmamış zirveler bir sonraki referans noktasının sıralanmasını beklemek zorundadır, bu da coğrafi çoğaltma ağının performansını önemli ölçüde azaltır.

Shoal çerçevesi

Shoal, Bullshark'ı bir hat ile güçlendirerek her turda bir bağlantı noktası olmasına izin veriyor ve tüm bağlantı noktası olmayan düğümlerin gecikme süresini üç tura indiriyor. Shoal ayrıca hızlı liderleri seçme eğiliminde olan sıfır maliyetli lider itibarı mekanizmasını tanıtıyor.

Zorluk

DAG protokolünde, sıralı işleme ve liderin itibarı zor sorunlar olarak kabul edilmektedir:

1. Önceki akış hattı, çekirdek Bullshark mantığını değiştirmeye çalıştı, ancak bu esasen mümkün görünmüyor.

2. Liderlerin itibarı tamamen farklı sıralamalarla sonuçlanabilir ve doğrulayıcıların gelecekteki referans noktalarını seçmek için sıralı geçmiş üzerinde uzlaşmaları gerekir.

Sorun zorluğunun kanıtı olarak, mevcut üretim ortamındaki Bullshark uygulamaları bu özellikleri desteklememektedir.

Protokol

Shoal, DAG üzerinde yerel hesaplama gerçekleştirerek önceki tur bilgilerini saklama ve yeniden yorumlama yeteneği kazanmıştır. Tüm doğrulayıcıların ilk sıralı referans noktasını kabul etme anlayışını kullanarak, Shoal birden fazla Bullshark örneğini sıralı bir şekilde birleştirerek boru hattı işlemeyi sağlar, bu da:

1. İlk sıralı referans noktası örneğin geçiş noktasıdır.
2. Referans noktasının nedensel tarihi, liderlerin itibarını hesaplamak için kullanılır.

montaj hattı

Shoal, birer birer Bullshark örnekleri çalıştırır, her bir örnek bir ankraj sipariş eder ve bir sonraki örneğe geçişi tetikler.

Başlangıçta, Shoal DAG'ın ilk turunda ilk Bullshark örneğini başlattı, ilk sıralı bağlantı noktası ( kesinleşene kadar çalıştı, örneğin r. turda ). Tüm doğrulayıcılar bu bağlantı noktasında hemfikir olduklarından, r+1. turdan itibaren DAG'ı yeniden yorumlamayı kesin bir şekilde kabul edebilirler. Shoal r+1. turda yeni bir Bullshark örneği başlatır.

İdeal koşullarda, bu Shoal'ın her turda bir boşluk siparişi vermesine izin verir.

lider itibarı

Bullshark, değer noktalarını atladığında gecikme süresi artar. Shoal, her doğrulayıcı düğümüne puan atamak için bir itibar mekanizması kullanır, bu da gelecekte yavaş liderlerin seçilme olasılığını azaltır.

Her puan güncellemesinde, yüksek puanlı liderlere yönelerek, turlardan liderlere olan F haritalamasını deterministik bir şekilde yeniden hesaplayın. Doğrulayıcıların yeni haritalama üzerinde uzlaşabilmesi için puan üzerinde uzlaşmaları gerekir.

Akış hattı ve liderlik itibarı doğal olarak bir araya gelebilir, çünkü her ikisi de ilk sıralı sabit noktada uzlaşmaya varıldıktan sonra DAG'ı yeniden yorumlamak için aynı temel teknolojiyi kullanır.

gereksiz gecikme süresi

Zaman aşımı, lider tabanlı belirleyici kısmi senkron BFT uygulamasında kritik bir rol oynamaktadır, ancak karmaşıklığı artırmakta ve gecikme süresini önemli ölçüde artırmaktadır.

Shoal, DAG yapısının ağ hızını tahmin eden bir "saat" sunduğunu gözlemledi. n-f kadar dürüst doğrulayıcı, DAG'a köşe eklemeye devam ettikçe, turlar devam edecektir. Sonunda, hatasız lider yeterince hızlı bir şekilde referans noktalarını yayınladığında, referans noktasının tüm nedensel geçmişi sıralanacaktır.

Zaman aşımını önlemek, liderlik itibarıyla yakından ilişkilidir. Yavaş liderleri tekrar tekrar beklemek gecikme süresini artırır ve itibar mekanizması yavaş doğrulayıcıların lider olarak seçilmesini engeller.

Genel Tepki

Shoal, liderin başarısızlığı veya ağın asenkron olması durumunda bile, ağ hızında çalışabilen genel bir yanıt özelliği sunar. Bu, Hotstuff'un iyimser yanıt kavramından üstündür.

Değerlendirme

Bullshark ve Shoal'ı gerçekleştirdi ve Jolteon ile karşılaştırdı. Ana bulgular:

1. Süresiz Baseline Bullshark, arıza anında en iyi şekilde performans gösterir.

2. Shoal'un iş akışı ve liderlik itibar mekanizması, Bullshark gecikme süresini önemli ölçüde iyileştirmiştir.

3. 50 başarısızlıktan 16'sında, Shoal'ın gecikme süresi Baseline Bullshark'tan %65 daha düşüktür.

4. Jolteon, 20'den fazla doğrulama düğümüne genişleyemez ve işlem hacmi Bullshark/Shoal'un yaklaşık yarısıdır.

Genel olarak, Shoal Bullshark gecikme süresini büyük ölçüde iyileştirdi, yüksek yük altında Jolteon'un uçtan uca gecikme süresi ile eşleşebilmelidir.