Aptos解密：突破極限的擴展

區塊鏈行業正在迅速發展，對能夠應對鏈上應用交易和互動需求激增的系統需求日益增加。然而，在保持去中心化和安全性的同時擴展區塊鏈網絡仍然是一個重大挑戰。 

Aptos 通過其創新的水平擴展方法在解決這一挑戰方面取得了進展。在這篇研究文章中，我們深入探討了 Aptos 為擴展區塊鏈而引入的兩項最新創新： Zaptos 和 Shardines。

流水線架構

Aptos 的流水線區塊鏈架構有助於擴展網絡的整體吞吐量。提交的交易經歷四個主要階段：

1. 共識：處理有效負載的傳播和交易排序。
2. 執行：在區塊中執行交易。
3. 認證：認證新執行區塊的有效性。
4. 提交：將認證的區塊提交到存儲中。

Aptos 的流水線區塊鏈架構使不同區塊的處理階段可以重疊，從而通過並行化最大化資源利用率並提高整體區塊鏈吞吐量。

Zaptos

Aptos 引入的 Zaptos 包含三個關鍵優化，旨在進一步降低其流水線區塊鏈架構中的端到端交易延遲，即提交的交易通過所有四個處理階段所需的時間。

樂觀執行

Zaptos 允許在前一個區塊執行後，立即對提議區塊中的交易進行推測性執行，而不是等待驗證者最終確定交易排序。樂觀執行減少了延遲並加速了交易處理。

樂觀提交

與樂觀執行類似，樂觀提交通過允許來自樂觀執行的區塊在完全認證之前提交到存儲中來減少延遲。如果提交的狀態與共識達成的交易順序不匹配，則會從存儲中恢復。 

認證優化

第三個優化使驗證者能夠在不等待交易正式排序的情況下提前開始對樂觀執行的區塊進行認證過程。這使得認證階段可以與最終的共識輪次並行運行，進一步減少延遲。 

通過實施這些優化，Zaptos 顯著降低了流水線延遲，同時最大化資源利用率以實現高吞吐量。在測試環境中，Zaptos 在每秒 20,000 筆交易（tps）的負載下將延遲減少了 40%。

模塊化分片

分片是區塊鏈擴展中常被討論的技術。它涉及將區塊鏈的數據分成稱為“分片”的較小段，每個分片可以並行處理。這減少了單個節點的負載，允許更快的交易處理並顯著提高整體網絡吞吐量。

雖然理論上很有前景，但分片存在一些固有的挑戰。最重要的問題包括管理分片之間的通信和協調的複雜性。

同時確保網絡在不同分片之間保持安全和一致。

Aptos 開發了一種模組化的擴展方法，將其區塊鏈分為三個核心層——存儲、共識和執行。與其將分片實施到整個區塊鏈架構中，Aptos 將每個組件分離並獨立優化。

通過將複雜系統分解為較小的模塊，Aptos 可以更輕鬆地在每一層實施擴展。

存儲層

存儲層負責在 RocksDB 數據庫中保存與區塊鏈相關的數據，包括智能合約和狀態。這些數據以 Jellyfish Merkle Tree (JMT) 的形式存儲，這是一種稀疏 Merkle 樹的變體，旨在促進分片並確保數據負載在各個分片之間均勻分佈。

共識層

共識層運行區塊鏈的共識引擎，使所有節點就單一網絡狀態達成一致。Aptos 實施了一種基於 Narwhal 的 Quorum Store，將數據傳播與交易排序分離。這種方法允許驗證者以異步並行的方式傳播數據，減少由領導者瓶頸引起的延遲。

執行層

執行層使用 Block-STM 引擎執行交易。在執行環境中實施分片面臨幾個關鍵挑戰，包括衝突處理和跨分片通信引起的延遲。

當來自不同分片的兩個交易嘗試同時修改相同狀態時（即寫-寫衝突），或當一個交易讀取的狀態隨後被另一個交易修改時（即寫-讀衝突），可能會發生衝突。

Shardines

Aptos 引入了 Shardines，一種新穎的分片執行引擎，具有多項關鍵創新，旨在實現高吞吐量、減少跨分片通信延遲並有效處理衝突。

超圖分區算法

Shardines 採用超圖分區算法來最小化必要的跨分片通信及其相關的等待時間。該算法分析交易之間的衝突，並以減少節點之間資源傳輸的方式組織它們，最終減少分片之間耗時的數據傳輸需求。

換句話說，通過更智能地劃分交易，Aptos 優化了資源使用並減少了通常困擾跨分片通信的延遲。

Shardines 下的分片是動態的，這意味著資源訪問的分片會隨著每個區塊的變化而變化，適應交易執行的動態環境。

微批處理與流水線

Shardines 的另一個特點是其新穎的微批處理和流水線策略。區塊內的交易被分成較小的批次，然後這些交易批次通過各種執行階段進行流水線處理：

1. 將交易批次從協調節點傳輸到分片節點。
2. 獲取批次中交易的數據和依賴關係。
3. 執行批次中的交易。
5. 將執行結果傳送到包含相依交易的其他分片。
6. 將執行結果傳送到協調器。

微批處理有助於分解大型數據包，減少與序列化和反序列化大塊數據相關的延遲。結合管線化，這種方法能夠有效利用資源，允許交易批次在不等待所有其他批次到達的情況下執行（圖6中的階段3）。

換句話說，這種方法通過允許不同交易批次的不同執行階段重疊來實現並行執行和高吞吐量。

增量聚合

增量聚合是Shardines的另一個關鍵特性。當多個交易修改共享資源（即寫寫衝突），例如影響總代幣供應的鑄幣事件時，Shardines在執行過程中並行計算每筆交易的狀態變化（即增量），並在執行階段結束時聚合結果。

通過避免即使在遇到衝突交易時也需要順序執行，Shardines確保有效處理受多筆交易影響的資源而不會造成瓶頸。

這些特性使Aptos能夠隨著分片數量的增加實現接近線性的吞吐量擴展，在測試環境中使用30個分片達到超過1百萬tps的非衝突交易。

即使在有衝突交易的情況下，其吞吐量仍超過500,000 tps，展示了其在許多區塊鏈用戶與相同鏈上資源互動的更現實條件下的韌性。這鞏固了Aptos作為區塊鏈行業並行處理先驅的地位。

要點

總之，Aptos開發了兩項突破性技術——Zaptos和Shardines，解決了擴展區塊鏈網絡的挑戰。

• Zaptos通過在Aptos的管線化區塊鏈架構中實施並行化和樂觀操作策略來減少端到端交易延遲。
• Shardines通過智能分區、管線化和高效的衝突解決增強執行層，大幅提升吞吐量，同時將跨分片通信降至最低。

這些創新共同使Aptos能夠有效擴展，將其定位於區塊鏈並行處理的前沿。通過實現高吞吐量和低延遲，Aptos為去中心化應用和服務的廣泛採用鋪平了道路，能夠以最小的延遲處理大量交易。