Source : Aptos Labs

Depuis l'avènement de la technologie informatique, les ingénieurs et les chercheurs ont continuellement exploré comment pousser les ressources informatiques à leurs limites de performance, s'efforçant de maximiser l'efficacité tout en minimisant la latence des tâches computationnelles. La haute performance et la faible latence ont toujours été les deux piliers qui façonnent le développement de l'informatique, influençant un large éventail de domaines, y compris le CPU, le FPGA, les systèmes de base de données, ainsi que les récents progrès dans l'infrastructure de l'intelligence artificielle et les systèmes de blockchain. Dans la recherche de haute performance, la technologie des pipelines est devenue un outil indispensable. Depuis son introduction en 1964 avec le IBM System/360 [1], elle a été au cœur de la conception des systèmes haute performance, stimulant des discussions clés et des innovations dans le domaine.

La technologie de pipeline n'est pas seulement appliquée dans le matériel mais est également largement utilisée dans les bases de données. Par exemple, Jim Gray a introduit la méthode parallèle de pipeline dans son ouvrage High-Performance Database Systems [2]. Cette méthode décompose les requêtes de base de données complexes en plusieurs étapes et les exécute simultanément, améliorant ainsi l'efficacité et les performances. La technologie de pipeline est également cruciale en intelligence artificielle, en particulier dans le framework de deep learning largement utilisé TensorFlow. Il utilise le parallélisme de pipeline de données pour gérer la prétraitement des données et le chargement, assurant un flux de données fluide pour la formation et l'inférence, rendant les flux de travail de l'IA plus rapides et plus efficaces [3].

La Blockchain ne fait pas exception. Sa fonction principale est similaire à celle des bases de données, traitant les transactions et mettant à jour les états, mais avec le défi supplémentaire du consensus tolérant aux fautes byzantines. Améliorer le débit de la blockchain (transactions par seconde) et réduire la latence (temps de confirmation finale) réside dans l'optimisation des interactions entre différentes étapes - tri, exécution, soumission et synchronisation des transactions - sous des charges élevées. Ce défi est particulièrement critique dans les scénarios à haut débit, car les conceptions traditionnelles peinent à maintenir une faible latence.

Pour explorer ces idées, revenons à une analogie familière : l'usine automobile. Comprendre comment la chaîne de montage a révolutionné la fabrication nous aide à apprécier l'évolution des pipelines blockchain - et pourquoi des conceptions de nouvelle génération comme Zaptos[8] poussent les performances de la blockchain à de nouveaux sommets.

De l'usine automobile à la Blockchain

Imaginez que vous êtes le propriétaire d'une usine automobile avec deux objectifs principaux:

· Maximiser le débit: Assembler autant de voitures que possible chaque jour.

· Minimiser la latence: Réduire le temps nécessaire pour construire chaque voiture.

Maintenant, imaginez trois types d'usines:

Usine Simple

Dans une usine simple, un groupe de travailleurs polyvalents assemble une voiture étape par étape. Un ouvrier assemble le moteur, le suivant installe les roues, et ainsi de suite, produisant une voiture à la fois.

Quel est le problème? Certains travailleurs sont souvent inactifs, et l'efficacité globale de la production est faible car personne ne travaille simultanément sur différentes parties de la même voiture.

Usine Ford

Entrez dans la chaîne de montage Ford [4] ! Ici, chaque ouvrier se concentre sur une tâche unique. La voiture avance le long d'un tapis roulant, et à mesure qu'elle avance, chaque ouvrier spécialisé ajoute ses propres pièces.

Que se passe-t-il ? Plusieurs voitures sont à des stades d'assemblage différents simultanément, et tous les travailleurs sont occupés. Le débit augmente de manière significative, mais chaque voiture doit toujours passer devant chaque travailleur un par un, ce qui signifie que le temps de retard par voiture reste inchangé.

Usine Magique

Maintenant, imaginez une usine magique où tous les travailleurs peuvent travailler sur la même voiture en même temps! Pas besoin de déplacer la voiture d'une station à l'autre; chaque partie de la voiture est construite simultanément.

Quel est le résultat? Les voitures sont assemblées à une vitesse record, chaque étape se déroulant en synchronisation. C'est le scénario idéal pour résoudre à la fois les problèmes de débit et de latence.

Maintenant, avec la discussion sur l'usine de voitures réglée, que dire de la blockchain ? Il s'avère que concevoir une blockchain haute performance n'est pas si différent d'optimiser une chaîne de montage.

Blockchain comme une usine de voitures

Dans la blockchain, traiter un bloc est similaire à assembler une voiture. L'analogie est la suivante :

· Workers = Ressources du validateur

· Voitures = Un bloc

· Les tâches d'assemblage = Étapes telles que consensus, exécution et soumission

Tout comme une usine simple traite une voiture à la fois, si une blockchain traite un bloc à la fois, cela conduit à une sous-utilisation des ressources. En revanche, les conceptions de blockchain modernes visent à fonctionner comme la chaîne de montage Ford - gérant différents stades de plusieurs blocs simultanément. C'est là que la technologie de pipeline entre en jeu.

Évolution du pipeline Blockchain

Architecture Traditionnelle: Blockchain Séquentielle

Imaginez une blockchain qui traite les blocs séquentiellement. Les validateurs ont besoin:

1. Recevoir la proposition de bloc.

2. Exécutez le bloc pour mettre à jour l'état de la blockchain.

3. Continuer le consensus sur cet état.

4. Persister l'état dans la base de données.

5. Commencer le consensus pour le prochain bloc.

Quel est le problème?

· L'exécution et la soumission sont sur le chemin critique du processus de consensus.

· Chaque instance de consensus doit attendre que la précédente se termine avant de commencer.

Ce setup est comme une usine de l'époque pré-Ford : les travailleurs (ressources) sont souvent inactifs lorsqu'ils se concentrent sur un bloc (voiture) à la fois. Malheureusement, de nombreuses blockchains existantes appartiennent encore à cette catégorie, entraînant un débit faible et une latence élevée.

Aptos: Performance parallélisée

Diem a introduit une architecture de pipeline qui découple l'exécution et la soumission de la phase de consensus, tout en adoptant également une conception de pipeline pour le consensus lui-même.

· Exécution et soumission asynchrones [5]: Les validateurs parviennent d'abord à un consensus sur un bloc, puis exécutent le bloc en fonction de l'état du bloc parent. Une fois signé par le nombre requis de validateurs, l'état est persisté dans le stockage.

Consensus en pipeline (Jolteon[6]): De nouvelles instances de consensus peuvent commencer avant que la précédente ne soit complète, tout comme une chaîne de montage en mouvement.

Cela augmente le débit en permettant à différents blocs d'être à des stades différents simultanément, réduisant considérablement le temps de bloc à seulement deux retards de message. Cependant, la conception basée sur le leader de Jolteon pourrait causer des goulets d'étranglement, car le leader est surchargé pendant la distribution des transactions.

Aptos a encore optimisé le pipeline avec Quorum Store[7], un mécanisme qui découple la distribution des données du consensus. Quorum Store ne repose plus sur un seul leader pour diffuser de gros blocs de données dans le protocole de consensus mais sépare la distribution des données de l'ordonnancement des métadonnées, permettant aux validateurs de distribuer les données de manière asynchrone et concurrente. Cette conception utilise la bande passante totale de tous les validateurs, éliminant efficacement le goulot d'étranglement du leader dans le consensus.

Illustration: Comment le magasin Quorum équilibre l'utilisation des ressources en fonction du protocole de consensus basé sur le leader.

Avec cela, la blockchain Aptos a créé la “Ford factory” de la blockchain. Tout comme la chaîne de montage de Ford a révolutionné la production automobile - différentes étapes de différentes voitures se déroulant simultanément - Aptos traite différentes étapes de différents blocs simultanément. Les ressources de chaque validateur sont pleinement utilisées, garantissant qu'aucune partie du processus ne reste en attente. Cette orchestration intelligente se traduit par un système à haut débit, faisant d'Aptos une plateforme puissante pour le traitement efficace et évolutif des transactions blockchain.

Illustration : Traitement en pipeline des blocs consécutifs dans la blockchain Aptos. Les validateurs peuvent traiter en pipeline différentes étapes des blocs consécutifs pour maximiser l'utilisation des ressources et augmenter le débit.

Bien que le débit soit crucial, la latence de bout en bout - c'est-à-dire le temps écoulé entre la soumission de la transaction et sa confirmation finale - est tout aussi importante. Pour des applications telles que les paiements, la finance décentralisée (DeFi) et les jeux, chaque milliseconde compte. De nombreux utilisateurs ont subi des retards lors d'événements à fort trafic car chaque transaction doit passer par une série d'étapes de manière séquentielle : communication client - nœud complet - validateur, consensus, exécution, validation de l'état, soumission et synchronisation du nœud complet. En cas de charge élevée, des étapes comme l'exécution et la synchronisation du nœud complet ajoutent davantage de retard.

Illustration: Architecture de pipeline de la blockchain Aptos. Le diagramme montre le client Ci, le nœud complet Fi et le validateur Vi. Chaque boîte représente une étape qu'un bloc de transaction dans la blockchain traverse de gauche à droite. Le pipeline se compose de cinq étapes : consensus (y compris la distribution et l'ordonnancement), exécution, validation, soumission et synchronisation du nœud complet.

C'est comme l'usine Ford : bien que la chaîne de montage maximise le débit global, chaque voiture doit quand même passer par chaque travailleur séquentiellement, donc le temps de réalisation est plus long. Pour pousser réellement les performances de la blockchain à ses limites, nous devons construire une "usine magique" - où ces étapes s'exécutent en parallèle.

Zaptos: Se déplaçant vers une latence optimale du Blockchain

Zaptos[8] réduit la latence grâce à trois optimisations clés sans sacrifier le débit.

· Exécution optimiste : réduit la latence du pipeline en démarrant l'exécution immédiatement après la réception d'une proposition de bloc. Les validateurs ajoutent immédiatement le bloc au pipeline et spéculent sur l'exécution après que le bloc parent est complet. Les nœuds complets effectuent également une exécution optimiste lorsqu'ils reçoivent la proposition du validateur pour vérifier la preuve de l'état.

· Soumission optimiste: écrit l'état dans le stockage immédiatement après l'exécution du bloc, même avant la validation de l'état. Lorsque le validateur certifie finalement l'état, seules des mises à jour minimales sont nécessaires pour compléter la soumission. Si un bloc n'est finalement pas ordonné, l'état soumis de manière optimiste est annulé pour maintenir la cohérence.

· Validation rapide: Les validateurs commencent la validation de l'état des blocs exécutés en parallèle pendant le dernier tour de consensus, sans attendre que le consensus soit complet. Cette optimisation réduit généralement la latence du pipeline d'une ronde dans les scénarios courants.

Illustration: L'architecture en pipeline parallèle de Zaptos. Toutes les étapes sauf le consensus sont efficacement cachées dans l'étape du consensus, réduisant ainsi la latence de bout en bout.

Grâce à ces optimisations, Zaptos masque efficacement la latence des autres étapes du pipeline au sein de l'étape de consensus. Par conséquent, si la blockchain adopte un protocole de consensus avec une latence optimale, la latence globale de la blockchain peut également atteindre son optimum!

Les paroles vides sont futiles; les données parlent d'elles-mêmes

Nous avons évalué les performances de bout en bout de Zaptos à travers des expériences géographiquement distribuées, en utilisant Aptos comme référence haute performance. Pour plus de détails, veuillez vous référer à l'article [8].

Sur Google Cloud, nous avons simulé un réseau décentralisé mondial composé de 100 validateurs et de 30 nœuds complets, répartis dans 10 régions, en utilisant des machines de qualité commerciale similaires à celles utilisées dans le déploiement d'Aptos.

Débit-Latence

Illustration: Comparaison des performances des blockchains Zaptos et Aptos.

Le graphique ci-dessus compare la relation entre la latence de bout en bout et le débit pour les deux systèmes. Les deux connaissent une augmentation progressive de la latence à mesure que la charge augmente, avec des pics brusques à capacité maximale. Cependant, Zaptos montre systématiquement une latence plus stable avant d'atteindre le débit maximal, réduisant la latence de 160 millisecondes sous faible charge et de plus de 500 millisecondes sous forte charge.

Impressionnant, Zaptos atteint une latence inférieure à la seconde à 20k TPS dans un environnement mainnet de qualité de production, cette percée rend les applications du monde réel nécessitant vitesse et évolutivité une réalité.

Délai de décomposition

Illustration: Découpage de la latence du Blockchain Aptos.

Illustration: Délai de latence de Zaptos.

Le diagramme de décomposition de la latence fournit une vue détaillée de la durée de chaque étape du pipeline pour les validateurs et les nœuds complets. Les principaux points incluent :

· Jusqu'à 10k TPS : La latence globale de Zaptos est presque identique à sa latence de consensus, car les étapes d'exécution optimiste, de validation et de soumission optimiste sont efficacement "cachées" dans l'étape de consensus.

· Au-dessus de 10k TPS : À mesure que le temps d'exécution optimiste et la synchronisation complète des nœuds augmentent, les étapes non-consensus deviennent plus significatives. Néanmoins, Zaptos réduit considérablement la latence globale en chevauchant la plupart des étapes. Par exemple, à 20k TPS, la latence totale de base est de 1,32 secondes (consensus 0,68 secondes, autres étapes 0,64 secondes), tandis que Zaptos atteint 0,78 secondes (consensus 0,67 secondes, autres étapes 0,11 secondes).

Conclusion

L'évolution de l'architecture de la blockchain est semblable à la transformation dans la fabrication, passant de flux de travail séquentiels simples à des chaînes de montage hautement parallélisées. L'approche en pipeline d'Aptos augmente significativement le débit, tandis que Zaptos va plus loin en réduisant la latence à des niveaux sub-secondes, maintenant un haut TPS. Tout comme les architectures informatiques modernes tirent parti du parallélisme pour maximiser l'efficacité, les blockchains doivent continuellement optimiser leurs conceptions pour éliminer les latences inutiles. En optimisant pleinement le pipeline de la blockchain pour la latence la plus faible, Zaptos ouvre la voie aux applications blockchain du monde réel nécessitant à la fois vitesse et évolutivité.

Avertissement :

1. Cet article est repris de [ BlocBattements], et les droits d'auteur appartiennent à l'auteur original [Aptos Labs]. If you have any objections to the reprint, please contact the Porte Apprendrel'équipe, et l'équipe s'en chargera dès que possible selon les procédures pertinentes.

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