Aptos Dibongkar: Meningkatkan Skala Tanpa Batas

Industri blockchain berkembang pesat, dengan meningkatnya kebutuhan akan sistem yang dapat menangani lonjakan permintaan untuk bertransaksi dan berinteraksi dengan aplikasi on-chain. Namun, meningkatkan skala jaringan blockchain sambil mempertahankan desentralisasi dan keamanan tetap menjadi tantangan signifikan. 

Aptos telah membuat kemajuan dalam mengatasi tantangan ini melalui pendekatan inovatifnya terhadap skala horizontal. Dalam penelitian ini, kami membahas dua inovasi terbaru yang diperkenalkan oleh Aptos untuk meningkatkan skala blockchain: Zaptos dan Shardines.

Arsitektur Berpipa

Arsitektur blockchain berpipa Aptos berkontribusi pada peningkatan throughput keseluruhan jaringan. Transaksi yang diajukan melalui empat tahap utama:

1. Konsensus: Menangani penyebaran payload dan pengurutan transaksi.
2. Eksekusi: Menjalankan transaksi dalam satu blok.
3. Sertifikasi: Mengesahkan validitas blok yang baru dieksekusi.
4. Komit: Menyimpan blok yang telah disertifikasi ke dalam penyimpanan.

Arsitektur blockchain berpipa Aptos memungkinkan tahap pemrosesan yang berbeda dari blok terpisah untuk tumpang tindih, sehingga memaksimalkan pemanfaatan sumber daya melalui paralelisasi dan meningkatkan throughput blockchain secara keseluruhan.

Zaptos

Pengenalan Zaptos oleh Aptos menampilkan tiga optimasi utama yang bertujuan untuk lebih mengurangi latensi transaksi end-to-end dalam arsitektur blockchain berpipa, yaitu waktu yang dibutuhkan untuk transaksi yang diajukan untuk melewati semua empat tahap pemrosesan.

Eksekusi Optimis

Alih-alih menunggu pengurutan transaksi diselesaikan di antara validator, Zaptos memungkinkan transaksi dalam blok yang diusulkan untuk dieksekusi secara spekulatif segera setelah blok sebelumnya dieksekusi. Eksekusi optimis mengurangi latensi dan mempercepat pemrosesan transaksi.

Komit Optimis

Seperti eksekusi optimis, komit optimis mengurangi latensi dengan memungkinkan blok dari eksekusi optimis untuk disimpan ke penyimpanan sebelum sertifikasi penuh. Jika status yang disimpan tidak sesuai dengan urutan transaksi yang disepakati dari konsensus, mereka akan dibatalkan dari penyimpanan. 

Optimasi Sertifikasi

Optimasi ketiga memungkinkan validator untuk memulai proses sertifikasi dari blok yang dieksekusi secara optimis lebih awal daripada menunggu transaksi diurutkan secara formal. Ini memungkinkan tahap sertifikasi berjalan paralel dengan putaran akhir konsensus, lebih lanjut mengurangi latensi. 

Dengan menerapkan optimasi ini, Zaptos secara signifikan mengurangi latensi pipeline sambil memaksimalkan pemanfaatan sumber daya untuk mencapai throughput tinggi. Dalam lingkungan pengujian, Zaptos mengurangi latensi sebesar 40% di bawah beban 20.000 transaksi per detik (tps).

Sharding Modular

Sharding adalah teknik yang sering dibahas dalam peningkatan skala blockchain. Ini melibatkan pembagian data blockchain menjadi segmen-segmen yang lebih kecil yang disebut "shard," yang masing-masing dapat diproses secara paralel. Ini mengurangi beban pada node individu, memungkinkan pemrosesan transaksi lebih cepat dan secara signifikan meningkatkan throughput jaringan secara keseluruhan.

Walaupun secara teori menjanjikan, sharding menghadirkan beberapa tantangan yang melekat. Masalah paling signifikan termasuk kompleksitas dalam mengelola komunikasi dan koordinasi antara shard

s sambil memastikan bahwa jaringan tetap aman dan konsisten di berbagai shard. 

Aptos telah mengembangkan pendekatan modular untuk penskalaan dengan membagi blockchain-nya menjadi tiga lapisan inti—penyimpanan, konsensus, dan eksekusi. Alih-alih menerapkan sharding ke seluruh arsitektur blockchain secara keseluruhan, Aptos memisahkan masing-masing komponen ini dan mengoptimalkannya secara independen.

Dengan memecah sistem yang kompleks menjadi modul-modul yang lebih kecil, Aptos dapat menerapkan penskalaan pada setiap lapisan dengan lebih mudah.

Lapisan Penyimpanan

Lapisan penyimpanan bertanggung jawab untuk menyimpan data yang terkait dengan blockchain dalam database RocksDB, termasuk kontrak pintar dan status. Data ini disimpan dalam bentuk Jellyfish Merkle Tree (JMT), yang merupakan varian dari pohon Merkle jarang yang dirancang untuk memfasilitasi sharding dan memastikan distribusi beban data yang merata di berbagai shard.

Lapisan Konsensus

Lapisan konsensus menjalankan mesin konsensus blockchain, membawa semua node ke dalam kesepakatan pada satu status jaringan. Aptos menerapkan Quorum Store berbasis Narwhal, yang memisahkan penyebaran data dari pengurutan transaksi. Pendekatan ini memungkinkan validator untuk menyebarkan data secara asinkron secara paralel, mengurangi latensi yang disebabkan oleh kemacetan pemimpin. 

Lapisan Eksekusi

Lapisan eksekusi menjalankan transaksi menggunakan mesin Block-STM. Menerapkan sharding dalam lingkungan eksekusi menghadapi beberapa tantangan utama, termasuk penanganan konflik dan latensi yang timbul dari komunikasi antar-shard.

Konflik dapat terjadi ketika dua transaksi dari shard yang berbeda mencoba memodifikasi status yang sama secara bersamaan (yaitu, konflik tulis-tulis) atau ketika sebuah transaksi membaca status yang kemudian dimodifikasi oleh transaksi lain (yaitu, konflik tulis-baca).

Shardines

Aptos memperkenalkan Shardines, mesin eksekusi sharded baru yang menampilkan beberapa inovasi kunci yang dirancang untuk mencapai throughput tinggi, mengurangi latensi komunikasi antar-shard, dan menangani konflik secara efisien. 

Algoritma Partisi Hypergraph

Shardines menggunakan algoritma partisi hypergraph untuk meminimalkan jumlah komunikasi antar-shard yang diperlukan dan waktu tunggu yang terkait. Algoritma ini menganalisis konflik antara transaksi dan mengaturnya sedemikian rupa sehingga mengurangi jumlah transmisi sumber daya antar node, yang pada akhirnya mengurangi kebutuhan untuk transfer data yang memakan waktu antar shard.

Dengan kata lain, dengan mempartisi transaksi lebih cerdas, Aptos mengoptimalkan penggunaan sumber daya dan mengurangi penundaan yang biasanya mengganggu komunikasi antar-shard.

Shard di bawah Shardines bersifat dinamis, artinya shard dari mana sumber daya diakses bervariasi dari blok ke blok, beradaptasi dengan lingkungan dinamis eksekusi transaksi.

Micro-batching & Pipelining

Fitur lain dari Shardines adalah strategi micro-batching dan pipelining yang baru. Transaksi dalam sebuah blok dibagi menjadi batch yang lebih kecil, dan batch transaksi ini kemudian diproses melalui berbagai tahap eksekusi: 

1. Mengirimkan batch transaksi dari node koordinator ke node shard.
2. Mengambil data dan ketergantungan untuk transaksi dalam batch.
3. Menjalankan transaksi dalam batch.
5. Mengirimkan hasil eksekusi ke shard lain yang berisi transaksi yang bergantung.
6. Mengirimkan hasil eksekusi ke koordinator.

Micro-batching membantu memecah paket data besar, mengurangi latensi yang terkait dengan serialisasi dan deserialisasi data dalam jumlah besar. Dikombinasikan dengan pipelining, pendekatan ini memungkinkan pemanfaatan sumber daya yang efisien, memungkinkan batch transaksi dieksekusi (tahap 3 dalam Gambar 6) tanpa menunggu semua batch lainnya tiba (tahap 1). 

Dengan kata lain, metode ini mencapai eksekusi paralel dan throughput tinggi dengan memungkinkan tahap eksekusi yang berbeda dari batch transaksi yang berbeda untuk saling tumpang tindih.

Agregasi Delta

Agregasi delta adalah fitur penting lainnya dari Shardines. Ketika beberapa transaksi memodifikasi sumber daya bersama (yaitu, konflik tulis-tulis), seperti peristiwa pencetakan yang mempengaruhi total pasokan token, Shardines menghitung perubahan status (yaitu, delta) untuk setiap transaksi selama eksekusi secara paralel dan mengagregasi hasilnya di akhir tahap eksekusi.

Dengan menghindari kebutuhan untuk eksekusi berurutan bahkan ketika menghadapi transaksi yang bertentangan, Shardines memastikan penanganan sumber daya yang efisien yang dipengaruhi oleh beberapa transaksi tanpa menciptakan hambatan. 

Fitur-fitur ini memungkinkan Aptos mencapai skala throughput hampir linear dengan peningkatan jumlah shard, mencapai lebih dari 1 juta tps dengan 30 shard dalam lingkungan pengujian dengan transaksi yang tidak bertentangan.

Bahkan dalam skenario dengan transaksi yang bertentangan, throughputnya masih melebihi 500.000 tps, menunjukkan ketahanannya dalam kondisi yang lebih realistis di mana banyak pengguna blockchain berinteraksi dengan sumber daya on-chain yang sama. Ini mengukuhkan posisi Aptos sebagai pelopor paralelisme dalam industri blockchain.

Poin Penting

Singkatnya, Aptos telah mengembangkan dua teknologi terobosan—Zaptos dan Shardines—yang mengatasi tantangan penskalaan jaringan blockchain.

• Zaptos mengurangi latensi transaksi end-to-end dengan menerapkan strategi paralelisasi dan operasi optimis dalam arsitektur blockchain pipelined Aptos. 
• Shardines meningkatkan lapisan eksekusi melalui partisi cerdas, pipelining, dan resolusi konflik yang efisien, secara dramatis meningkatkan throughput sambil meminimalkan komunikasi antar-shard.

Bersama-sama, inovasi ini memungkinkan Aptos untuk skala secara efisien, menempatkannya di garis depan paralelisme blockchain. Dengan mencapai throughput tinggi dan latensi rendah, Aptos membuka jalan bagi adopsi luas aplikasi dan layanan terdesentralisasi yang mampu menangani volume transaksi besar dengan penundaan minimal.