Làm thế nào để xây dựng một blockchain hiệu suất cao

Nguồn gốc: Aptos Labs

Kể từ khi công nghệ máy tính ra đời, các kỹ sư và nhà nghiên cứu đã không ngừng khám phá cách đẩy tài nguyên máy tính đến giới hạn hiệu suất của chúng, nỗ lực tối đa hóa hiệu quả trong khi giảm thiểu độ trễ trong các tác vụ tính toán. Hai trụ cột song song là hiệu suất cao và độ trễ thấp tiếp tục định hình sự phát triển của khoa học máy tính, tác động đến nhiều lĩnh vực từ CPU và FPGA đến hệ thống cơ sở dữ liệu và gần đây hơn là cơ sở hạ tầng AI và hệ thống blockchain. Trong quá trình theo đuổi hiệu suất cao, công nghệ đường ống trở thành phương tiện không thể thiếu. Kể từ khi được giới thiệu trong IBM System/360 năm 1964 [1], đường ống đã trở thành trọng tâm của thiết kế hệ thống hiệu suất cao, thúc đẩy các cuộc thảo luận và đổi mới quan trọng trong lĩnh vực này.

Công nghệ đường ống không chỉ được sử dụng trong phần cứng mà còn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ sở dữ liệu. Ví dụ, Jim Gray đã giới thiệu về chủ nghĩa song song đường ống trong cuốn sách Hệ thống cơ sở dữ liệu hiệu suất cao [2] của ông. Phương pháp này chia nhỏ các truy vấn cơ sở dữ liệu phức tạp thành nhiều giai đoạn và chạy chúng đồng thời, do đó cải thiện hiệu quả và hiệu suất. Kỹ thuật đường ống cũng rất quan trọng trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là trong khuôn khổ học sâu được sử dụng rộng rãi TensorFlow. Nó sử dụng các đường ống dữ liệu để song song hóa quá trình xử lý và tải dữ liệu trước, đảm bảo luồng dữ liệu trôi chảy giữa quá trình đào tạo và suy luận, giúp quy trình làm việc của AI nhanh hơn và hiệu quả hơn [3].

Blockchain cũng không ngoại lệ. Chức năng cốt lõi của nó tương tự như chức năng của cơ sở dữ liệu, xử lý giao dịch và cập nhật trạng thái, nhưng có thêm thách thức là sự đồng thuận chịu lỗi Byzantine. Chìa khóa để tăng thông lượng blockchain (giao dịch mỗi giây) và giảm độ trễ (thời gian xác nhận cuối cùng) nằm ở việc tối ưu hóa sự tương tác của các giai đoạn khác nhau — sắp xếp, thực hiện, cam kết và đồng bộ hóa giao dịch — trong điều kiện tải cao. Thách thức này đặc biệt quan trọng trong các tình huống có thông lượng cao vì các thiết kế truyền thống gặp khó khăn trong việc duy trì độ trễ thấp.

Để khám phá những ý tưởng này, chúng ta hãy nhớ lại một phép so sánh quen thuộc: nhà máy sản xuất ô tô. Hiểu được cách dây chuyền lắp ráp cách mạng hóa sản xuất giúp chúng ta hiểu được sự phát triển của dây chuyền lắp ráp blockchain—và lý do tại sao các thiết kế thế hệ tiếp theo như Zaptos[8] đang đưa khả năng blockchain lên tầm cao mới.

Từ nhà máy sản xuất ô tô đến Blockchain

Hãy tưởng tượng bạn là chủ sở hữu của một nhà máy sản xuất ô tô với hai mục tiêu chính:

· Tối đa hóa thông lượng: lắp ráp càng nhiều ô tô càng tốt mỗi ngày.

· Giảm thiểu sự chậm trễ: Giảm thời gian thi công của mỗi toa xe.

Bây giờ, hãy tưởng tượng ba loại nhà máy:

Nhà máy đơn giản

Trong một nhà máy đơn giản, một nhóm công nhân có nhiều kỹ năng đang lắp ráp một chiếc ô tô theo từng bước. Một công nhân lắp ráp động cơ, người tiếp theo lắp bánh xe, v.v.—lần lượt từng chiếc xe.

Có vấn đề gì vậy? Một số công nhân thường xuyên phải chờ đợi và năng suất chung thấp vì không ai làm việc ở các bộ phận khác nhau của cùng một chiếc xe cùng một lúc.

Nhà máy Ford

Giới thiệu dây chuyền lắp ráp Ford [4]! Ở đây, mỗi công nhân tập trung vào một nhiệm vụ duy nhất. Những chiếc xe di chuyển dọc theo băng chuyền, và khi mỗi chiếc xe đi qua, một công nhân chuyên trách sẽ lắp thêm các bộ phận của xe vào.

Kết quả là gì? Nhiều chiếc xe đang ở các giai đoạn lắp ráp khác nhau cùng một lúc và tất cả công nhân đều bận rộn. Năng suất được cải thiện đáng kể - nhưng mỗi xe vẫn phải đi qua từng công nhân theo lượt, nghĩa là độ trễ của mỗi xe vẫn như nhau.

Nhà máy ma thuật

Hãy tưởng tượng một nhà máy ma thuật nơi tất cả công nhân có thể cùng làm việc trên một chiếc ô tô cùng một lúc! Thay vì di chuyển ô tô từ nơi làm việc này sang nơi làm việc khác, mọi bộ phận của ô tô đều được chế tạo cùng lúc.

Kết quả là gì? Chiếc xe được lắp ráp trong thời gian kỷ lục, với từng bước được thực hiện đồng bộ. Đây là kịch bản lý tưởng để giải quyết các vấn đề về thông lượng và độ trễ.

Được rồi, nói về nhà máy sản xuất ô tô đủ rồi, còn blockchain thì sao? Thực ra, việc thiết kế một blockchain hiệu suất cao không khác mấy so với việc tối ưu hóa dây chuyền lắp ráp.

Blockchain giống như một nhà máy sản xuất ô tô

Trong blockchain, xử lý một khối tương tự như lắp ráp một chiếc ô tô. Sau đây là một phép so sánh: · Công nhân = tài nguyên xác thực · Xe = một khối · Nhiệm vụ lắp ráp = giai đoạn đồng thuận, thực thi và cam kết · Giống như một nhà máy đơn giản chỉ xử lý một chiếc xe tại một thời điểm, một blockchain chỉ xử lý một khối tại một thời điểm sẽ bị ảnh hưởng bởi tình trạng tài nguyên không được sử dụng hết. Thay vào đó, thiết kế blockchain hiện đại hướng đến việc giống như dây chuyền lắp ráp của Ford - xử lý các giai đoạn khác nhau của nhiều khối cùng lúc. Đây chính là lúc công nghệ dây chuyền lắp ráp phát huy tác dụng.

Sự phát triển của chuỗi khối Blockchain

Kiến trúc truyền thống: Blockchain tuần tự

Hãy tưởng tượng một blockchain xử lý các khối theo trình tự. Người xác thực cần phải:

1. Nhận đề xuất khối.

2. Thực hiện khối để cập nhật trạng thái blockchain.

3. Tiếp tục đạt được sự đồng thuận về tình trạng.

4. Lưu trạng thái vào cơ sở dữ liệu.

5. Bắt đầu đạt được sự đồng thuận về khối tiếp theo.

Có vấn đề gì vậy?

· Thực hiện và đệ trình là con đường quan trọng của quá trình đồng thuận.

· Mỗi phiên đồng thuận phải đợi phiên trước hoàn tất trước khi có thể bắt đầu.

Thiết lập này giống như một nhà máy thời tiền Ford: công nhân (nguồn lực) thường nhàn rỗi khi chỉ tập trung vào một khối (ô tô) tại một thời điểm. Thật không may, nhiều blockchain hiện tại vẫn rơi vào trường hợp này, dẫn đến thông lượng thấp và độ trễ cao.

Aptos: Hiệu suất song song

Diem giới thiệu một kiến trúc đường ống tách biệt việc thực thi và gửi dữ liệu khỏi giai đoạn đồng thuận, trong khi bản thân giai đoạn đồng thuận cũng áp dụng thiết kế đường ống.

· Thực thi và gửi không đồng bộ [5]: Đầu tiên, người xác thực đạt được sự đồng thuận về một khối, sau đó thực thi khối đó dựa trên trạng thái của khối cha. Sau khi được đủ số người xác thực ký và xác thực, trạng thái sẽ được lưu vào bộ nhớ.

· Đồng thuận dây chuyền lắp ráp (Jolteon[6]): Một phiên bản đồng thuận mới có thể bắt đầu trước khi phiên bản trước đó hoàn tất, tương tự như dây chuyền lắp ráp đang di chuyển.

Điều này cải thiện thông lượng bằng cách cho phép các khối khác nhau ở các giai đoạn khác nhau cùng một lúc và giảm đáng kể thời gian khối xuống chỉ còn 2 độ trễ tin nhắn. Tuy nhiên, thiết kế dựa trên người dẫn đầu của Jolteon có thể tạo ra tình trạng tắc nghẽn khi các người dẫn đầu bị quá tải trong quá trình phân phối giao dịch.

Aptos tối ưu hóa hơn nữa đường ống thông qua Quorum Store[7], một cơ chế tách biệt việc phân phối dữ liệu khỏi sự đồng thuận. Thay vì dựa vào một người đứng đầu duy nhất để phát các khối dữ liệu lớn trong giao thức đồng thuận, Quorum Store tách biệt việc phân phối dữ liệu khỏi việc sắp xếp siêu dữ liệu, cho phép trình xác thực phân phối dữ liệu không đồng bộ và song song. Thiết kế này tận dụng tổng băng thông của tất cả trình xác thực, giúp loại bỏ hiệu quả tình trạng tắc nghẽn của người dẫn đầu trong quá trình đồng thuận.

Hình: Cách Quorum Store cân bằng việc sử dụng tài nguyên dựa trên giao thức đồng thuận của người dẫn đầu.

Cho đến nay, Aptos Blockchain đã tạo ra “Nhà máy Ford” của blockchain. Cũng giống như dây chuyền lắp ráp của Ford đã cách mạng hóa sản xuất ô tô - các giai đoạn khác nhau của những chiếc xe khác nhau được thực hiện cùng lúc - Aptos xử lý các giai đoạn khác nhau của những khối khác nhau cùng lúc. Mỗi tài nguyên của trình xác thực đều được sử dụng đầy đủ, đảm bảo không có phần nào của quy trình bị bỏ sót. Sự phối hợp thông minh này tạo ra một hệ thống có thông lượng cao, biến Aptos thành một nền tảng mạnh mẽ để xử lý các giao dịch blockchain một cách hiệu quả và có khả năng mở rộng.

Sơ đồ: Xử lý đường ống các khối liên tiếp trong chuỗi khối Aptos. Trình xác thực có thể xử lý các giai đoạn khác nhau của các khối liên tiếp để tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên và tăng thông lượng.

Mặc dù thông lượng rất quan trọng, nhưng độ trễ đầu cuối — thời gian từ khi gửi giao dịch đến khi xác nhận cuối cùng — cũng quan trọng không kém. Đối với các ứng dụng như thanh toán, tài chính phi tập trung (DeFi) và trò chơi, mỗi mili giây đều có giá trị. Nhiều người dùng gặp phải sự chậm trễ trong các sự kiện lưu lượng truy cập cao vì mỗi giao dịch phải trải qua một loạt các giai đoạn theo trình tự: giao tiếp máy khách-nút đầy đủ-trình xác thực, sự đồng thuận, thực hiện, chứng nhận trạng thái, xác nhận và đồng bộ hóa toàn nút. Khi tải cao, các giai đoạn như thực thi và đồng bộ hóa toàn bộ nút sẽ gây ra độ trễ lớn hơn.

Hình: Kiến trúc đường ống của chuỗi khối Aptos. Sơ đồ hiển thị máy khách Ci, nút đầy đủ Fi và trình xác thực Vi. Mỗi ô đại diện cho một giai đoạn trong chuỗi khối mà khối giao dịch cần phải trải qua từ trái sang phải. Quy trình này bao gồm năm giai đoạn: đồng thuận (bao gồm phân phối và đặt hàng), thực hiện, chứng nhận, gửi và đồng bộ hóa toàn nút.

Giống như nhà máy của Ford: mặc dù dây chuyền lắp ráp có thể tối đa hóa năng suất chung, nhưng mỗi xe vẫn phải lần lượt qua tay từng công nhân, do đó mất nhiều thời gian để hoàn thành. Để thực sự đẩy hiệu suất blockchain đến giới hạn của nó, chúng ta cần xây dựng một "nhà máy ma thuật" - nhà máy cho phép các giai đoạn này chạy song song.

Zaptos: Hướng tới độ trễ Blockchain tối ưu

Zaptos[8] tiếp tục giảm độ trễ mà không làm giảm thông lượng thông qua ba tối ưu hóa chính.

· Thực hiện lạc quan: Giảm độ trễ của đường ống bằng cách bắt đầu thực hiện ngay sau khi nhận được đề xuất khối. Trình xác thực sẽ thêm các khối vào đường ống ngay lập tức và thực thi chúng theo suy đoán sau khi khối cha hoàn tất. Sau khi nhận được đề xuất từ trình xác thực, nút đầy đủ cũng thực hiện thực thi lạc quan để xác minh bằng chứng trạng thái.

· Cam kết lạc quan: ghi trạng thái vào bộ nhớ ngay sau khi khối được thực thi - thậm chí trước khi trạng thái được chứng nhận. Khi trình xác thực cuối cùng xác nhận trạng thái, chỉ cần cập nhật tối thiểu để hoàn tất xác nhận. Nếu một khối không có thứ tự, trạng thái cam kết lạc quan của nó sẽ được khôi phục để duy trì tính nhất quán.

· Xác thực nhanh: Trình xác thực bắt đầu xác thực trạng thái của các khối đã thực thi trước bằng cách gửi tin nhắn xác thực song song trong vòng đồng thuận cuối cùng, mà không cần chờ quá trình đồng thuận hoàn tất. Tối ưu hóa này có hiệu quả trong việc giảm độ trễ đường truyền xuống một vòng trong những trường hợp thông thường.

Hình: Kiến trúc đường ống song song của Zaptos. Các giai đoạn khác ngoại trừ sự đồng thuận thực sự được ẩn trong giai đoạn đồng thuận, do đó làm giảm độ trễ từ đầu đến cuối.

Thông qua các tối ưu hóa này, Zaptos có thể ẩn hiệu quả độ trễ của các giai đoạn đường ống khác trong giai đoạn đồng thuận. Do đó, nếu blockchain áp dụng giao thức đồng thuận có độ trễ tối ưu thì độ trễ tổng thể của blockchain cũng có thể được tối ưu hóa!

Nói suông thì vô ích, dữ liệu mới lên tiếng

Chúng tôi đã đánh giá hiệu suất đầu cuối của Zaptos thông qua các thử nghiệm phân bổ theo địa lý, sử dụng Aptos làm cơ sở hiệu suất cao. Để biết thêm chi tiết, hãy xem bài báo [8].

Trên Google Cloud, chúng tôi đã mô phỏng một mạng lưới phi tập trung toàn cầu gồm 100 trình xác thực và 30 nút đầy đủ, phân bổ trên 10 khu vực, sử dụng các máy móc cấp độ hàng hóa tương tự như triển khai Aptos.

Thông lượng-Độ trễ

Hình: Hiệu suất chung của chuỗi khối Zaptos và Aptos.

Hình trên so sánh mối quan hệ giữa độ trễ đầu cuối và thông lượng của hai hệ thống. Cả hai đều có độ trễ tăng dần khi tải tăng, với các mức tăng đột biến ở công suất tối đa, nhưng Zaptos cho thấy độ trễ ổn định hơn cho đến khi đạt thông lượng đỉnh, với độ trễ giảm 160ms ở mức tải thấp và hơn 500ms ở mức tải cao.

Thật ấn tượng, Zaptos đạt được độ trễ dưới một giây ở mức 20k TPS trong môi trường mạng chính cấp độ sản xuất - một bước đột phá cho phép các ứng dụng thực tế đòi hỏi tốc độ và khả năng mở rộng.

Phân rã chậm

​​

Biểu đồ: Phân rã chậm của chuỗi khối Aptos.

Đồ họa: Phân hủy chậm trễ của Zaptos.

Biểu đồ phân tích độ trễ nêu chi tiết khoảng thời gian mà trình xác thực và nút đầy đủ dành cho từng giai đoạn đường ống. Những hiểu biết sâu sắc chính bao gồm:

· Đến 10k TPS: Độ trễ tổng thể của Zaptos gần như giống hệt với độ trễ đồng thuận, vì các giai đoạn thực thi lạc quan, xác thực và cam kết lạc quan thực sự được "ẩn" trong giai đoạn đồng thuận.

· Trên 10k TPS: Các giai đoạn không đạt được sự đồng thuận trở nên quan trọng hơn do thực hiện lạc quan và tăng thời gian đồng bộ hóa toàn nút. Tuy nhiên, Zaptos làm giảm đáng kể độ trễ tổng thể bằng cách chồng chéo hầu hết các giai đoạn. Ví dụ, ở 20k TPS, độ trễ tổng thể ban đầu là 1,32 giây (0,68 giây cho sự đồng thuận, 0,64 giây cho các giai đoạn khác), trong khi Zaptos là 0,78 giây (0,67 giây cho sự đồng thuận, 0,11 giây cho các giai đoạn khác).

Kết luận

Sự phát triển của kiến trúc blockchain tương tự như sự chuyển đổi của sản xuất - từ quy trình làm việc tuần tự đơn giản sang dây chuyền lắp ráp song song cao. Phương pháp tiếp cận theo đường ống của Aptos cải thiện đáng kể thông lượng và Zaptos tiến xa hơn một bước, giảm độ trễ xuống mức dưới một giây trong khi vẫn duy trì TPS cao. Cũng giống như kiến trúc máy tính hiện đại tận dụng tính song song để tối đa hóa hiệu quả, blockchain phải liên tục tối ưu hóa thiết kế để loại bỏ độ trễ không cần thiết. Bằng cách tối ưu hóa hoàn toàn đường truyền blockchain để có độ trễ thấp nhất, Zaptos mở đường cho các ứng dụng blockchain thực tế đòi hỏi tốc độ và khả năng mở rộng.

Tài liệu tham khảo

[1] Gene M. Amdahl, Gerrit A. Blaauw và Frederick P. Brooks. 1964. "Kiến trúc của IBM System/360." Tạp chí nghiên cứu và phát triển của IBM. https://doi.org/10.1147/rd.82.0087

[2] David DeWitt và Jim Gray. 1992. "Hệ thống cơ sở dữ liệu song song: Tương lai của hệ thống cơ sở dữ liệu hiệu suất cao." Truyền thông của ACM. https://doi.org/10.1145/129888.129894

[3] Martín Abadi, Paul Barham, Jianmin Chen, Zhifeng Chen, Andy Davis, Jeffrey Dean, Matthieu Devin và cộng sự. 2016. "TensorFlow: Hệ thống học máy quy mô lớn." Trong hội thảo USENIX lần thứ 12 về thiết kế và triển khai hệ điều hành (OSDI). https://arxiv.org/abs/1605.08695

[4] Dây chuyền lắp ráp di động và ngày làm việc năm đô la. https://corporate.ford.com/articles/history/moving-assembly-line.html

[5] Zekun Li và Yu Xia. 2021. DIP-213 - Thực hiện tách biệt. https://github.com/diem/dip/blob/7dc44ee57bb7efe76559f05dcc6851d97e2d3149/dips/dip-213.md

[6] Rati Gelashvili, Lefteris Kokoris-Kogias, Alberto Sonnino, Alexander Spiegelman và Zhuolun Xiang. 2022. "Jolteon và Ditto: Sự đồng thuận hiệu quả thích ứng với mạng với khả năng dự phòng không đồng bộ." Trong Hội nghị quốc tế về mật mã tài chính và bảo mật dữ liệu (FC). https://arxiv.org/abs/2106.10362

[7] Quorum Store: Cách thức đồng thuận mở rộng theo chiều ngang trên Aptos Blockchain. https://medium.com/aptoslabs/quorum-store-how-consensus-horizontally-scales-on-the-aptos-blockchain-988866f6d5b0

[8] Zhuolun Xiang, Zekun Li, Balaji Arun, Teng Zhang, và Alexander Spiegelman. 202 2025. "Zaptos: Hướng tới độ trễ Blockchain tối ưu." bản in trước arXiv arXiv:2501.10612. https://arxiv.org/abs/2501.10612 Bài viết này là một bài viết đóng góp và không đại diện cho quan điểm của BlockBeats.