Fonte: Aptos Labs

Desde o advento da tecnologia de computação, engenheiros e pesquisadores têm explorado continuamente como impulsionar os recursos de computação para os seus limites de desempenho, procurando maximizar a eficiência e minimizar 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 os 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 a sua introdução em 1964 com o IBM System/360 [1], tem sido o cerne do design de sistemas de alta performance, impulsionando discussões e inovações-chave no campo.

A tecnologia de pipeline não é apenas aplicada em hardware, mas também amplamente utilizada em bases de dados. Por exemplo, Jim Gray introduziu o método paralelo de pipeline no seu trabalho Sistemas de Base de Dados de Alto Desempenho [2]. Este método decompõe consultas complexas de bases de dados em múltiplos estágios e executa-os em simultâneo, melhorando assim a eficiência e o desempenho. A tecnologia de pipeline também é crucial em inteligência artificial, especialmente no framework de deep learning amplamente utilizado TensorFlow. Ele utiliza o paralelismo de pipeline de dados para lidar com a preparação e carregamento de dados, garantindo um fluxo de dados suave para treino e inferência, tornando os fluxos de trabalho de IA mais rápidos e eficientes [3].

Blockchain não é exceção. Sua funcionalidade principal é semelhante a bancos de dados, processando transações e atualizando estados, mas com o desafio adicional do consenso tolerante a falhas bizantinas. Aumentar o rendimento da blockchain (transações por segundo) e reduzir a latência (tempo para confirmação final) passa por otimizar as interações entre diferentes etapas—classificação, execução, submissão e sincronização de transações—sob cargas elevadas. Este desafio é particularmente crítico em cenários de alto rendimento, já que os designs tradicionais têm dificuldade em 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 dos blocos de blockchain - e por que designs de próxima geração como Zaptos[8] estão impulsionando o desempenho do blockchain para novos patamares.

Da Fábrica de Carros para Blockchain

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

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

· Minimize latency: Reduzir o tempo necessário para construir cada carro.

Agora, imagine três tipos de fábricas:

Fábrica Simples

Numa 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 de produção é baixa porque ninguém está a trabalhar em diferentes partes do mesmo carro simultaneamente.

Fábrica Ford

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

O que acontece? Vários carros estão em diferentes fases 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 espera por carro permanece inalterado.

Fábrica Mágica

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

Qual é o resultado? Os carros são montados a uma velocidade recorde, com cada etapa ocorrendo em sincronia. Este é o cenário ideal para resolver tanto problemas de throughput quanto de latência.

Agora, com a discussão sobre a fábrica de carros resolvida, o que dizer sobre a 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 do validador

· Carros = Um bloco

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

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

Evolução da Pipeline Blockchain

Arquitetura Tradicional: Blockchain Sequencial

Imagine um 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 consenso sobre esse estado.

4. Persistir o estado na base 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 que a anterior termine 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, ao mesmo tempo que adota um design de pipeline para o consenso em si.

· Execução e Submissão Assíncronas [5]: Os validadores primeiro alcançam consenso sobre um bloco, em seguida 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 do 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 permitindo que diferentes blocos estejam em diferentes estágios simultaneamente, reduzindo significativamente o tempo do bloco para apenas dois atrasos de mensagem. No entanto, o design baseado em líder 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 já não depende de um líder único 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 concorrente. Este design utiliza a largura de banda total de todos os validadores, eliminando eficazmente o gargalo do líder no consenso.

Ilustração: Como a Loja Quorum equilibra a utilização de recursos com base no protocolo de consenso baseado no líder.

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 série do pipeline de blocos na blockchain Aptos. Os validadores podem dividir em estágios diferentes os blocos consecutivos para maximizar a utilização de recursos e aumentar o rendimento.

Embora a capacidade seja crucial, a latência de ponta a ponta - o tempo desde a submissão da transação até à confirmação final - é igualmente importante. Para aplicações como pagamentos, finanças descentralizadas (DeFi) e jogos, cada milissegundo conta. Muitos utilizadores têm experienciado atrasos durante eventos de alto tráfego 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 elevada, etapas como execução e sincronização do nó completo adicionam mais atraso.

Ilustração: Arquitetura de pipeline da blockchain Aptos. O diagrama mostra o cliente Ci, o nó completo Fi e o 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 global, cada carro ainda tem de passar por cada trabalhador sequencialmente, pelo que o tempo de conclusão é maior. Para realmente impulsionar o desempenho da Blockchain ao máximo, precisamos de construir uma “fábrica mágica”—onde essas etapas funcionam em paralelo.

Zaptos: A Caminho da Latência Ótima do Blockchain

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

· Execução otimista: Reduz a latência do pipeline ao iniciar a execução imediatamente após receber uma proposta de bloco. Os validadores adicionam imediatamente o bloco ao pipeline e especulam sobre a execução após o bloco pai ser concluído. Os nós completos também realizam uma 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 certifica eventualmente 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 de consenso final, sem esperar que o consenso esteja completo. Esta otimização normalmente reduz a latência do pipeline em uma rodada em cenários comuns.

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

Através destas otimizações, Zaptos esconde eficazmente a latência de outras fases do pipeline dentro da fase de consenso. Como resultado, se a blockchain adotar um protocolo de consenso com latência ótima, a latência geral da blockchain também pode atingir o seu máximo!

Conversa vazia é inútil; Os dados falam por si

Avaliámos o desempenho de ponta a ponta do Zaptos através de experiências geograficamente distribuídas, utilizando Aptos como referência de alto desempenho. Para mais detalhes, consulte o artigo [8].

Na Google Cloud, simulamos uma rede global descentralizada composta por 100 validadores e 30 nós completos, distribuídos por 10 regiões, usando máquinas de grau comercial semelhantes às usadas na implementação do Aptos.

Throughput-Latency

Ilustração: Comparação de Desempenho dos 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, o Zaptos mostra consistentemente uma latência mais estável antes de atingir a taxa máxima de transferência, reduzindo a latência em 160 milissegundos sob baixa carga e mais de 500 milissegundos sob alta carga.

De forma impressionante, Zaptos alcança latência inferior a um segundo a 20k TPS num ambiente de mainnet de nível de produção - esta inovação torna as aplicações do mundo real que requerem velocidade e escalabilidade uma realidade.

Desagregação da Latência

Ilustração: Desagregação da Latência da Blockchain Aptos.

Ilustração: Desagregação de latência de Zaptos.

O diagrama de desagregação 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 do Zaptos é quase idêntica à sua latência de consenso, uma vez que as fases de execução otimista, validação e submissão otimista estão efetivamente 'ocultas' dentro da fase de consenso.

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

Conclusão

A evolução da arquitetura da blockchain é semelhante à transformação na produção - de fluxos de trabalho sequenciais simples para linhas de montagem altamente paralelizadas. A abordagem de pipeline da Aptos aumenta significativamente a capacidade de produção, enquanto o Zaptos leva mais longe, reduzindo a latência para níveis de sub-segundo, mantendo um alto TPS. Assim como as arquiteturas de computação modernas aproveitam o paralelismo para maximizar a eficiência, as blockchains devem otimizar continuamente seus designs para eliminar a latência desnecessária. Ao otimizar totalmente o pipeline da blockchain para a menor latência, o Zaptos abre caminho para aplicações de blockchain do mundo real que exigem velocidade e escalabilidade.

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