Fonte: Aptos Labs

Desde o advento da tecnologia de computação, engenheiros e pesquisadores têm continuamente explorado como impulsionar os recursos de computação aos seus limites de desempenho, buscando maximizar a eficiência enquanto minimizam a latência das tarefas computacionais. Alta performance e baixa latência sempre foram os dois pilares que moldam o desenvolvimento da ciência da computação, influenciando uma ampla gama de áreas, incluindo CPU, FPGA, sistemas de banco de dados, bem como avanços recentes na infraestrutura de inteligência artificial e sistemas blockchain. Na busca de alta performance, a tecnologia de pipeline tornou-se uma ferramenta indispensável. Desde sua introdução em 1964 com o IBM System/360 [1], ela tem sido o núcleo do design de sistemas de alta performance, impulsionando discussões e inovações-chave no campo.

A tecnologia de pipeline não é aplicada apenas em hardware, mas também é amplamente utilizada em bancos de dados. Por exemplo, Jim Gray introduziu o método paralelo de pipeline em seu trabalho Sistemas de Banco de Dados de Alto Desempenho [2]. Este método decompõe consultas de banco de dados complexas em várias etapas e as executa simultaneamente, melhorando assim a eficiência e o desempenho. A tecnologia de pipeline também é crucial em inteligência artificial, especialmente no amplamente utilizado framework de aprendizado profundo TensorFlow. Ele utiliza paralelismo de pipeline de dados para lidar com o pré-processamento e carregamento de dados, garantindo um fluxo de dados suave para treinamento e inferência, tornando os fluxos de trabalho de IA mais rápidos e eficientes [3].

Blockchain não é exceção. Sua funcionalidade principal é semelhante à de bancos de dados, processando transações e atualizando estados, mas com o desafio adicional do consenso tolerante a falhas bizantinas. Aumentar o throughput da blockchain (transações por segundo) e reduzir a latência (tempo para confirmação final) está na otimização das interações entre diferentes estágios—classificação, execução, submissão e sincronização de transações—sob cargas elevadas. Esse desafio é particularmente crítico em cenários de alto throughput, pois os designs tradicionais lutam para manter baixa latência.

Para explorar essas ideias, vamos revisitar uma analogia familiar: a fábrica automotiva. Compreender como a linha de montagem revolucionou a fabricação nos ajuda a apreciar a evolução das pipelines de blockchain e por que designs de próxima geração como Zaptos[8] estão levando o desempenho do blockchain a novos patamares.

Da Fábrica de Carros para o Blockchain

Imagine que você é o proprietário de uma fábrica automotiva com dois objetivos principais:

· Maximizar o rendimento: Montar o maior número possível de carros todos os dias.

· Minimize a latência: Diminuir o tempo necessário para construir cada carro.

Agora, imagine três tipos de fábricas:

Fábrica Simples

Em uma fábrica simples, um grupo de trabalhadores versáteis monta um carro passo a passo. Um trabalhador monta o motor, o próximo instala as rodas e assim por diante, produzindo um carro de cada vez.

Qual é o problema? Alguns trabalhadores estão frequentemente ociosos e a eficiência geral da produção é baixa porque ninguém está trabalhando em diferentes partes do mesmo carro simultaneamente.

Fábrica da Ford

Entre na linha de montagem da Ford [4]! Aqui, cada trabalhador se concentra em uma única tarefa. O carro se move ao longo de uma esteira transportadora e, à medida que passa, cada trabalhador especializado adiciona suas próprias peças.

O que acontece? Vários carros estão em diferentes estágios de montagem simultaneamente, e todos os trabalhadores estão ocupados. A produção aumenta significativamente, mas cada carro ainda tem que passar por cada trabalhador um por um, o que significa que o tempo de atraso por carro permanece inalterado.

Fábrica Mágica

Agora, imagine uma fábrica mágica onde todos os trabalhadores podem trabalhar no mesmo carro ao mesmo tempo! Não há necessidade de mover o carro de uma estação para a próxima; cada parte do carro está sendo construída simultaneamente.

Qual é o resultado? Os carros são montados em alta velocidade, com cada etapa ocorrendo em sincronia. Este é o cenário ideal para resolver problemas de throughput e latência.

Agora, com a discussão da fábrica de carros fora do caminho, e quanto à blockchain? Acontece que projetar uma blockchain de alto desempenho não é tão diferente de otimizar uma linha de montagem.

Blockchain como uma Fábrica de Carros

Na blockchain, processar um bloco é semelhante a montar um carro. A analogia é a seguinte:

· Trabalhadores = Recursos de validação

· Carros = Um bloco

· Tarefas de montagem = Estágios como consenso, execução e submissão

Assim como uma fábrica simples processa um carro de cada vez, se um blockchain processa um bloco de cada vez, isso leva à subutilização de recursos. Em contraste, os designs modernos de blockchain têm como objetivo funcionar como a linha de montagem da Ford - lidando com diferentes estágios de vários blocos simultaneamente. É aqui que a tecnologia de pipeline entra em jogo.

Evolução do Pipeline Blockchain

Arquitetura Tradicional: Blockchain Sequencial

Imagine uma Blockchain que processa blocos sequencialmente. Os validadores precisam:

1. Receber a proposta de bloco.

2. Executar o bloco para atualizar o estado da blockchain.

3. Continuar o consenso sobre esse estado.

4. Persistir o estado para o banco de dados.

5. Iniciar consenso para o próximo bloco.

Qual é o problema?

· A execução e a submissão estão no caminho crítico do processo de consenso.

· Cada instância de consenso deve esperar a anterior terminar antes de começar.

Esta configuração é como uma fábrica da era pré-Ford: os trabalhadores (recursos) frequentemente estão ociosos ao focar em um bloco (carro) de cada vez. Infelizmente, muitas blockchains existentes ainda pertencem a esta categoria, resultando em baixa capacidade de processamento e alta latência.

Aptos: Desempenho Paralelizado

Diem introduziu uma arquitetura de pipeline que desacopla a execução e submissão da fase de consenso, enquanto também adota um design de pipeline para o próprio consenso.

· Execução Assíncrona e Submissão [5]: Os validadores primeiro alcançam consenso sobre um bloco, depois executam o bloco com base no estado do bloco pai. Uma vez assinado pelo número necessário de validadores, o estado é persistido no armazenamento.

· Consenso de Pipeline (Jolteon[6]): Novas instâncias de consenso podem começar antes que a anterior esteja completa, muito parecido com uma linha de montagem em movimento.

Isso aumenta a capacidade de processamento, permitindo que blocos diferentes estejam em estágios diferentes simultaneamente, reduzindo significativamente o tempo de bloco para apenas dois atrasos de mensagem. No entanto, o design baseado em líderes do Jolteon poderia causar gargalos, já que o líder fica sobrecarregado durante a distribuição de transações.

Aptos otimizou ainda mais o pipeline com Quorum Store[7], um mecanismo que desacopla a distribuição de dados do consenso. Quorum Store não mais depende de um único líder para transmitir grandes blocos de dados no protocolo de consenso, mas separa a distribuição de dados da ordenação de metadados, permitindo que os validadores distribuam dados de forma assíncrona e simultânea. Este design utiliza a largura de banda total de todos os validadores, eliminando efetivamente o gargalo do líder no consenso.

Ilustração: Como o Quorum Store equilibra a utilização de recursos com base no protocolo de consenso baseado em líderes.

Com isso, a blockchain Aptos criou a “fábrica Ford” da blockchain. Assim como a linha de montagem da Ford revolucionou a produção de carros—diferentes estágios de diferentes carros acontecendo simultaneamente—Aptos processa diferentes estágios de diferentes blocos simultaneamente. Os recursos de cada validador são totalmente utilizados, garantindo que nenhuma parte do processo fique esperando. Essa orquestração inteligente resulta em um sistema de alto rendimento, tornando o Aptos uma plataforma poderosa para processar transações de blockchain de forma eficiente e escalável.

Ilustração: Processamento em pipeline de blocos consecutivos na blockchain Aptos. Os validadores podem encadear diferentes estágios de blocos consecutivos para maximizar a utilização de recursos e aumentar a taxa de transferência.

Embora a capacidade seja crucial, a latência de ponta a ponta — o tempo desde a submissão da transação até a confirmação final — é igualmente importante. Para aplicações como pagamentos, finanças descentralizadas (DeFi) e jogos, cada milissegundo conta. Muitos usuários têm experimentado atrasos durante eventos de alta demanda porque cada transação deve passar por uma série de etapas sequencialmente: comunicação cliente - nó completo - validador, consenso, execução, validação de estado, submissão e sincronização do nó completo. Sob carga alta, etapas como execução e sincronização do nó completo adicionam mais atraso.

Ilustração: Arquitetura de pipeline da blockchain Aptos. O diagrama mostra o cliente Ci, nó completo Fi e validador Vi. Cada caixa representa uma etapa em que um bloco de transações na blockchain passa da esquerda para a direita. O pipeline consiste em cinco etapas: consenso (incluindo distribuição e ordenação), execução, validação, submissão e sincronização do nó completo.

É como a fábrica da Ford: embora a linha de montagem maximize o rendimento geral, cada carro ainda tem que passar por cada trabalhador sequencialmente, então o tempo de conclusão é mais longo. Para realmente impulsionar o desempenho do blockchain ao limite, precisamos construir uma “fábrica mágica” - onde essas etapas funcionem em paralelo.

Zaptos: Movendo-se em direção à latência ótima da Blockchain

Zaptos[8] reduz a latência através de três otimizações-chave sem sacrificar o rendimento.

· Execução otimista: Reduz a latência do pipeline iniciando a execução imediatamente após receber uma proposta de bloco. Os validadores imediatamente adicionam o bloco ao pipeline e especulam sobre a execução após o bloco pai ser concluído. Nós completos também realizam a execução otimista ao receber a proposta do validador para verificar a prova de estado.

· Submissão otimista: Escreve o estado no armazenamento imediatamente após a execução do bloco, mesmo antes da validação do estado. Quando o validador eventualmente certifica o estado, apenas atualizações mínimas são necessárias para concluir a submissão. Se um bloco não for finalmente ordenado, o estado submetido de forma otimista é revertido para manter a consistência.

· Validação Rápida: Os validadores iniciam a validação do estado dos blocos executados em paralelo durante a rodada final de consenso, sem esperar o consenso ser concluído. Essa otimização normalmente reduz a latência do pipeline em uma rodada em cenários comuns.

Ilustração: A arquitetura de pipeline paralelo do Zaptos. Todas as etapas, exceto o consenso, estão efetivamente ocultas dentro da etapa de consenso, reduzindo a latência de ponta a ponta.

Através dessas otimizações, Zaptos esconde efetivamente a latência de outras etapas do pipeline dentro da etapa de consenso. Como resultado, se a blockchain adotar um protocolo de consenso com latência ótima, a latência geral da blockchain também pode atingir seu ótimo!

Conversa Vazia É Inútil; Os Dados Falam Por Si Mesmos

Avaliamos o desempenho de ponta a ponta do Zaptos por meio de experimentos geograficamente distribuídos, usando Aptos como referência de alto desempenho. Para mais detalhes, consulte o artigo [8].

No Google Cloud, simulamos uma rede globalmente descentralizada composta por 100 validadores e 30 nós completos, distribuídos em 10 regiões, usando máquinas de qualidade comercial semelhantes às usadas na implantação do Aptos.

Throughput-Latency

Ilustração: Comparação de Desempenho entre Blockchains Zaptos e Aptos.

O gráfico acima compara a relação entre a latência de ponta a ponta e a taxa de transferência para ambos os sistemas. Ambos experimentam um aumento gradual na latência à medida que a carga aumenta, com picos acentuados na capacidade máxima. No entanto, Zaptos mostra consistentemente uma latência mais estável antes de atingir o pico de taxa de transferência, reduzindo a latência em 160 milissegundos sob baixa carga e mais de 500 milissegundos sob alta carga.

Impressionantemente, Zaptos alcança latência sub-segundo em 20k TPS em um ambiente de mainnet de produção - esse avanço torna as aplicações do mundo real que necessitam de velocidade e escalabilidade uma realidade.

Divisão da Latência

Ilustração: Decomposição da Latência da Blockchain Aptos.

Ilustração: Desagregação da Latência do Zaptos.

O diagrama de decomposição de latência fornece uma visão detalhada da duração de cada estágio do pipeline para validadores e nós completos. As principais informações incluem:

· Até 10k TPS: A latência geral da Zaptos é quase idêntica à sua latência de consenso, já que as etapas de execução otimista, validação e submissão otimista são efetivamente "ocultadas" dentro da etapa de consenso.

· Acima de 10k TPS: À medida que o tempo para a execução otimista e a sincronização completa do nó aumentam, as etapas não-consensuais se tornam mais significativas. No entanto, o Zaptos reduz significativamente a latência geral ao sobrepor a maioria das etapas. Por exemplo, a 20k TPS, a latência total de referência é de 1,32 segundos (consenso 0,68 segundos, outras etapas 0,64 segundos), enquanto o Zaptos alcança 0,78 segundos (consenso 0,67 segundos, outras etapas 0,11 segundos).

Conclusão

A evolução da arquitetura blockchain é semelhante à transformação na fabricação - de fluxos de trabalho sequenciais simples para linhas de montagem altamente paralelizadas. A abordagem de pipeline da Aptos aumenta significativamente o throughput, enquanto o Zaptos leva adiante ao reduzir a latência para níveis subsegundos, mantendo altas TPS. Assim como as arquiteturas de computação modernas aproveitam o paralelismo para maximizar a eficiência, as blockchains devem otimizar continuamente seus designs para eliminar latências desnecessárias. Ao otimizar completamente o pipeline blockchain para a menor latência, o Zaptos abre caminho para aplicações blockchain do mundo real que exigem velocidade e escalabilidade.

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