Orijinal kaynak: Aptos Labs

Bilgisayar teknolojisinin doğuşundan bu yana, mühendisler ve araştırmacılar, bilgi işlem kaynaklarını performans sınırlarına kadar nasıl zorlayacaklarını sürekli olarak araştırıyor, bilgi işlem görevlerindeki gecikmeyi en aza indirirken verimliliği en üst düzeye çıkarmaya çalışıyorlar. Yüksek performans ve düşük gecikmenin ikili temelleri, bilgisayar biliminin gelişimini şekillendirmeye devam ediyor ve CPU'lardan ve FPGA'lardan veritabanı sistemlerine ve son zamanlarda yapay zeka altyapısından blok zinciri sistemlerine kadar çok çeşitli alanları etkiliyor. Yüksek performans arayışında boru hattı teknolojisi vazgeçilmez bir araç haline geliyor. 1964 yılında IBM System/360'ta tanıtılmasından bu yana [1], boru hattı, yüksek performanslı sistem tasarımının merkezinde yer almış ve bu alanda kritik tartışmaları ve yenilikleri yönlendirmiştir.

Boru hattı teknolojisi yalnızca donanımda değil, veritabanı alanında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, Jim Gray, Yüksek Performanslı Veritabanı Sistemleri [2] adlı kitabında boru hattı paralelliğini tanıttı. Bu yaklaşım, karmaşık veritabanı sorgularını birden fazla aşamaya böler ve bunları aynı anda çalıştırır, böylece verimlilik ve performans artar. Yapay zeka alanında, özellikle de yaygın olarak kullanılan derin öğrenme çerçevesi TensorFlow'da, boru hattı oluşturma (pipelining) da büyük önem taşıyor. Veri ön işleme ve yüklemeyi paralel hale getirmek için veri hatları kullanır, eğitim ve çıkarım arasında sorunsuz veri akışı sağlayarak yapay zeka iş akışlarını daha hızlı ve daha verimli hale getirir [3].

Blockchain de bir istisna değil. Temel işlevi bir veritabanınınkine benzer; işlemleri işler ve durumu günceller, ancak Bizans hata toleranslı fikir birliğinin ek zorluğuyla birlikte gelir. Blok zinciri verimini (saniye başına işlem) artırmanın ve gecikmeyi (son onaya kadar geçen süre) azaltmanın anahtarı, yüksek yük altında farklı aşamaların (işlemleri sipariş etme, yürütme, onaylama ve senkronize etme) etkileşimini optimize etmekte yatmaktadır. Bu zorluk, özellikle yüksek verimli senaryolarda kritik öneme sahiptir, çünkü geleneksel tasarımların düşük gecikmeyi sürdürmesi zordur.

Bu fikirleri keşfetmek için bilindik bir benzetmeyi hatırlamak faydalı olabilir: otomobil fabrikası. Montaj hatlarının üretimi nasıl devrim niteliğinde değiştirdiğini anlamak, blok zinciri montaj hatlarının evrimini anlamamıza yardımcı olur ve Zaptos[8] gibi yeni nesil tasarımların blok zinciri yeteneklerini neden yeni zirvelere taşıdığını gösterir.

Otomobil Fabrikalarından Blockchain'e

İki ana hedefi olan bir otomobil fabrikasının sahibi olduğunuzu düşünün:

· Verimi en üst düzeye çıkarın: Her gün mümkün olduğunca çok sayıda otomobil monte edin.

· Gecikmeleri en aza indirin: Her bir arabanın inşa süresini azaltın.

Şimdi, üç tip fabrika hayal edin:

Basit Fabrika

Basit bir fabrikada, çok becerili bir grup işçi adım adım bir arabayı bir araya getiriyor. Bir işçi motoru monte ediyor, diğeri tekerlekleri takıyor ve bu şekilde teker teker arabaları monte ediyor.

Sorun ne? Bazı işçiler sıklıkla bekletiliyordu ve aynı anda aynı aracın farklı parçaları üzerinde kimse çalışmadığı için genel verimlilik düşüktü.

Ford Fabrikası

Ford Montaj Hattını Tanıtıyoruz [4]! Burada her çalışan tek bir göreve odaklanıyor. Vagonlar bir taşıma bandı üzerinde hareket ediyor ve her vagon geçtiğinde, görevli bir çalışan vagonun kendi parçalarını ekliyor.

Sonuç nedir? Birden fazla araç aynı anda farklı montaj aşamalarındadır ve tüm işçiler yoğun bir şekilde çalışmaktadır. Verimlilik önemli ölçüde iyileştirildi - ancak her aracın yine de sırayla her işçiyi geçmesi gerekiyor, bu da her araç için gecikmenin aynı kalacağı anlamına geliyor.

Sihir Fabrikası

Tüm işçilerin aynı anda tek bir araba üzerinde çalışabildiği bir sihir fabrikası hayal edin! Aracı bir iş istasyonundan diğerine taşımak yerine, aracın her parçası aynı anda üretiliyor.

Sonuç nedir? Otomobil, her aşaması senkronize bir şekilde yürütülerek rekor sürede bir araya getirildi. Bu, verim ve gecikme sorunlarını çözmek için ideal bir senaryodur.

Tamam, otomobil fabrikaları hakkında yeterince konuştuk, peki ya blockchain? Yüksek performanslı bir blok zinciri tasarlamanın, bir montaj hattını optimize etmekten çok da farklı olmadığı ortaya çıktı.

Blockchain bir otomobil fabrikasına benzer

Blockchain'de bir bloğu işlemek bir otomobili birleştirmeye benzer. İşte bir benzetme: · İşçi = doğrulayıcı kaynaklar · Araba = bir blok · Montaj görevi = fikir birliği, yürütme ve onaylama aşamaları · Aynı anda yalnızca bir araba işleyen basit bir fabrika gibi, aynı anda yalnızca bir bloğu işleyen bir blok zinciri de yeterince kullanılmayan kaynaklardan muzdarip olacaktır. Bunun yerine, modern blok zinciri tasarımı Ford montaj hattına benzemeye çalışır; birden fazla bloğun farklı aşamalarını aynı anda işler. İşte montaj hattı teknolojisinin devreye girdiği yer burasıdır.

Blockchain Boru Hattının Evrimi

Geleneksel Mimari: Sıralı Blockchain

Blokları sıralı olarak işleyen bir blockchain hayal edin. Doğrulayıcıların şunları yapması gerekir:

1. Blok teklifleri alın.

2. Blok zincirinin durumunu güncellemek için bloğu yürütün.

3. Durum üzerinde mutabakat sağlamaya devam edin.

4. Durumu veritabanına kaydedin.

5. Bir sonraki blokta fikir birliğini başlat.

Sorun ne?

· Uygulama ve teslimiyet, mutabakat sürecinin kritik yolundadır.

· Her fikir birliği örneği, başlamadan önce bir öncekinin tamamlanmasını beklemelidir.

Bu düzenleme Fordizm öncesi bir fabrikaya benziyor: işçiler (kaynaklar) genellikle tek seferde sadece bir bloğa (araba) odaklanarak boşta kalıyorlar. Ne yazık ki, mevcut blok zincirlerinin çoğu hâlâ bu kategoriye giriyor ve bu da düşük verim ve yüksek gecikmeye neden oluyor.

Aptos: Paralelleştirilmiş Performans

Diem, yürütme ve gönderimi fikir birliği aşamasından ayıran bir boru hattı mimarisi sunarken, fikir birliği aşamasının kendisi de bir boru hattı tasarımını benimsiyor.

· Eşzamansız yürütme ve gönderim [5]: Doğrulayıcılar önce bir blok üzerinde fikir birliğine varır ve ardından bloğu ana bloğun durumuna göre yürütür. Doğrulayıcılardan oluşan bir çoğunluk tarafından imzalanıp doğrulandıktan sonra durum depolamaya kalıcı hale getirilir.

· Montaj hattı fikir birliği (Jolteon[6]): Yeni bir fikir birliği örneği, hareketli bir montaj hattına benzer şekilde, bir önceki tamamlanmadan önce başlayabilir.

Bu, farklı blokların aynı anda farklı aşamalarda olmasına izin vererek verimi artırır ve blok süresini önemli ölçüde yalnızca 2 mesaj gecikmesine düşürür. Ancak Jolteon'un lider tabanlı tasarımı, işlem dağıtımı sırasında liderlerin aşırı yüklenmesi nedeniyle darboğazlar yaratabilir.

Aptos, veri dağıtımını fikir birliğinden ayıran bir mekanizma olan Quorum Store[7] aracılığıyla veri hattını daha da optimize eder. Konsensüs protokolünde büyük veri bloklarını yayınlamak için tek bir lidere güvenmek yerine, Quorum Store veri dağıtımını meta veri sıralamasından ayırır ve doğrulayıcıların verileri eş zamanlı ve paralel olarak dağıtmasına olanak tanır. Bu tasarım, tüm doğrulayıcıların toplam bant genişliğini kullanarak, fikir birliğinde lider darboğazını etkili bir şekilde ortadan kaldırır.

Şekil: Quorum Store'un lider fikir birliği protokolüne dayalı kaynak kullanımını nasıl dengelediği.

Aptos Blockchain şu ana kadar blockchain'in "Ford Fabrikası"nı yarattı. Tıpkı Ford'un montaj hattının otomobil üretiminde devrim yaratması gibi (farklı otomobillerin farklı aşamaları aynı anda gerçekleştiriliyordu), Aptos da farklı blokların farklı aşamalarını aynı anda ele alıyor. Her doğrulayıcının kaynakları tam olarak kullanılır ve sürecin hiçbir bölümünün beklemede kalmaması sağlanır. Bu akıllı düzenleme, yüksek verimli bir sistemle sonuçlanarak Aptos'u blok zinciri işlemlerini verimli ve ölçeklenebilir bir şekilde işlemek için güçlü bir platform haline getiriyor.

Diyagram: Aptos blok zincirinde ardışık blokların boru hattı işlenmesi. Doğrulayıcılar, kaynak kullanımını en üst düzeye çıkarmak ve verimi artırmak için ardışık blokların farklı aşamalarını boru hattına bağlayabilir.

Verimlilik kritik öneme sahip olsa da, uçtan uca gecikme (işlem gönderiminden son onaya kadar geçen süre) de aynı derecede önemlidir. Ödemeler, merkezi olmayan finans (DeFi) ve oyun gibi uygulamalar için her milisaniye önemlidir. Birçok kullanıcı, her işlemin sırayla bir dizi aşamadan geçmesi gerektiği için yoğun trafikli olaylar sırasında gecikmeler yaşamıştır: istemci-tam düğüm-doğrulayıcı iletişimi, fikir birliği, yürütme, durum sertifikasyonu, onaylama ve tam düğüm senkronizasyonu. Yüksek yük altında, yürütme ve tam düğüm senkronizasyonu gibi aşamalar daha fazla gecikmeye neden olacaktır.

Şekil: Aptos blok zincirinin boru hattı mimarisi. Diyagramda istemci Ci, tam düğüm Fi ve doğrulayıcı Vi gösterilmektedir. Her kutu, bir işlem bloğunun soldan sağa doğru geçmesi gereken blok zincirindeki bir aşamayı temsil eder. Boru hattı beş aşamadan oluşur: fikir birliği (dağıtım ve sipariş dahil), yürütme, sertifikasyon, gönderim ve tam düğüm senkronizasyonu.

Bir Ford fabrikasına benziyor: montaj hattı genel verimi en üst düzeye çıkarsa da, her araç sırayla her işçinin elinden geçmek zorunda, bu yüzden tamamlanması uzun zaman alıyor. Blockchain performansını gerçekten sınırlarına kadar zorlamak için, bu aşamaların paralel olarak çalışmasına izin veren bir "sihirli fabrika" inşa etmemiz gerekiyor.

Zaptos: Optimum Blockchain Gecikmesine Doğru

Zaptos[8], üç temel optimizasyon yoluyla verimden ödün vermeden gecikmeyi daha da azaltır.

· İyimser yürütme: Bir blok teklifi aldıktan hemen sonra yürütmeyi başlatarak işlem hattı gecikmesini azaltın. Doğrulayıcılar, blokları hemen işlem hattına ekler ve ana blok tamamlandıktan sonra bunları varsayımsal olarak yürütürler. Doğrulayıcıdan gelen öneriyi aldıktan sonra, tam düğüm durum kanıtını doğrulamak için iyimser yürütme de gerçekleştirir.

· İyimser onaylama: Blok yürütüldükten hemen sonra durumu depolamaya yaz - durum onaylanmadan önce bile. Doğrulayıcı nihayet durumu onayladığında, işlemi tamamlamak için yalnızca asgari düzeyde güncellemeler gerekir. Eğer bir blok sıra dışı kalırsa, tutarlılığı korumak için iyimser olarak taahhüt edilmiş durumu geri alınır.

· Hızlı kimlik doğrulama: Doğrulayıcılar, son fikir birliği turunda fikir birliğinin tamamlanmasını beklemeden, paralel olarak kimlik doğrulama mesajları göndererek yürütülen blokların durumunu önceden doğrulamaya başlar. Bu optimizasyon, yaygın durumlarda boru hattı gecikmesini etkili bir şekilde bir tur azaltır.

Şekil: Zaptos'un paralel işlem hattı mimarisi. Mutabakat haricindeki diğer aşamalar aslında mutabakat aşamasının içinde gizlidir, böylece uçtan uca gecikme azaltılır.

Bu optimizasyonlar sayesinde Zaptos, fikir birliği aşaması içindeki diğer işlem hattı aşamalarının gecikmesini etkili bir şekilde gizler. Dolayısıyla, eğer blockchain optimum gecikmeye sahip bir konsensüs protokolünü benimserse, genel blockchain gecikmesi de optimize edilebilir!

Konuşmak işe yaramaz, veriler konuşur

Aptos'u yüksek performanslı bir temel çizgi olarak kullanarak, coğrafi olarak dağıtılmış deneyler yoluyla Zaptos'un uçtan uca performansını değerlendirdik. Daha fazla ayrıntı için [8] numaralı makaleye bakın.

Google Cloud'da, Aptos dağıtımına benzer şekilde, 10 bölgeye dağıtılmış 100 doğrulayıcı ve 30 tam düğümden oluşan küresel, merkezi olmayan bir ağ simüle ettik.

Verimlilik-Gecikme

Şekil: Zaptos ve Aptos blok zincirlerinin ortak performansı.

Yukarıdaki şekil, iki sistemin uçtan uca gecikme ve verim ilişkisini karşılaştırmaktadır. Her ikisi de yük arttıkça gecikmede kademeli bir artış yaşarken, maksimum kapasitede keskin artışlar görülür; ancak Zaptos, düşük yüklerde 160 ms ve yüksek yüklerde 500 ms'nin üzerinde gecikme azaltımıyla en yüksek verime kadar daha kararlı bir gecikme süresi gösterir.

Etkileyici bir şekilde, Zaptos üretim düzeyindeki ana ağ ortamında 20k TPS'de bir saniyenin altındaki gecikmeye ulaşıyor. Bu, hız ve ölçeklenebilirlik gerektiren gerçek dünya uygulamalarına olanak tanıyan bir atılım.

Gecikmeli Ayrıştırma

​​

Diyagram: Aptos blok zincirinin gecikmeli ayrıştırması.

Grafik: Zaptos'un gecikmiş ayrışması.

Gecikme dökümü çizelgesi, doğrulayıcıların ve tam düğümlerin her işlem hattı aşamasında harcadıkları süreyi ayrıntılı olarak gösterir. Önemli içgörüler şunlardır:

· 10k TPS'ye kadar: Zaptos'un genel gecikmesi, iyimser yürütme, doğrulama ve iyimser onaylama aşamaları fikir birliği aşaması içinde etkili bir şekilde "gizli" olduğundan, fikir birliği gecikmesine neredeyse aynıdır.

· 10k TPS'nin ötesinde: İyimser yürütme ve artan tam düğüm senkronizasyon süresi nedeniyle fikir birliğine varılmayan aşamalar daha önemli hale gelir. Bununla birlikte Zaptos, aşamaların çoğunu örtüştürerek genel gecikmeyi önemli ölçüde azaltır. Örneğin, 20k TPS'de, temel toplam gecikme 1,32 saniyedir (konsensüs için 0,68 saniye, diğer fazlar için 0,64 saniye), Zaptos'ta ise 0,78 saniyedir (konsensüs için 0,67 saniye, diğer fazlar için 0,11 saniye).

Sonuç

Blok zinciri mimarisinin evrimi, üretim sektörünün dönüşümüne benzer; basit ardışık iş akışlarından son derece paralel montaj hatlarına. Aptos'un veri hattı yaklaşımı, verimi önemli ölçüde artırırken, Zaptos ise bir adım öteye giderek yüksek TPS'yi korurken gecikmeyi saniyenin altındaki seviyelere indiriyor. Tıpkı modern bilgi işlem mimarilerinin verimliliği en üst düzeye çıkarmak için paralellikten yararlanması gibi, blok zincirleri de gereksiz gecikmeleri ortadan kaldırmak için tasarımlarını sürekli olarak optimize etmelidir. Zaptos, en düşük gecikmeyi sağlayacak şekilde blockchain hattını tamamen optimize ederek, hız ve ölçek gerektiren gerçek dünya blockchain uygulamalarının önünü açıyor.

Referanslar

[1] Gene M. Amdahl, Gerrit A. Blaauw ve Frederick P. Brooks. 1964. "IBM System/360'ın Mimarisi." IBM Araştırma ve Geliştirme Dergisi. https://doi.org/10.1147/rd.82.0087

[2] David DeWitt ve Jim Gray. 1992. "Paralel Veritabanı Sistemleri: Yüksek Performanslı Veritabanı Sistemlerinin Geleceği." ACM İletişimleri. https://doi.org/10.1145/129888.129894

[3] Martín Abadi, Paul Barham, Jianmin Chen, Zhifeng Chen, Andy Davis, Jeffrey Dean, Matthieu Devin ve diğerleri. 2016. "TensorFlow: Büyük Ölçekli Makine Öğrenmesi için Bir Sistem." 12. USENIX işletim sistemleri tasarımı ve uygulaması sempozyumunda (OSDI). https://arxiv.org/abs/1605.08695

[4] Hareketli Montaj Hattı ve Beş Dolarlık İş Günü. https://corporate.ford.com/articles/history/moving-assembly-line.html

[5] Zekun Li ve Yu Xia. 2021. DIP-213 - Ayrık Yürütme. https://github.com/diem/dip/blob/7dc44ee57bb7efe76559f05dcc6851d97e2d3149/dips/dip-213.md

[6] Rati Gelashvili, Lefteris Kokoris-Kogias, Alberto Sonnino, Alexander Spiegelman ve Zhuolun Xiang. 2022. "Jolteon ve Ditto: Eşzamansız Geri Dönüşle Ağa Uyarlanabilir Verimli Mutabakat." Uluslararası finansal kriptografi ve veri güvenliği (FC) konferansında. https://arxiv.org/abs/2106.10362

[7] Quorum Store: Mutabakatın Aptos Blockchain'de Yatay Olarak Nasıl Ölçeklendiği. https://medium.com/aptoslabs/quorum-store-how-consensus-horizontally-scales-on-the-aptos-blockchain-988866f6d5b0

[8] Zhuolun Xiang, Zekun Li, Balaji Arun, Teng Zhang ve Alexander Spiegelman. 202 2025. "Zaptos: Optimum Blockchain Gecikmesine Doğru." arXiv ön baskı arXiv:2501.10612. https://arxiv.org/abs/2501.10612 Bu makale bir katkıdır ve BlockBeats'in görüşlerini temsil etmemektedir.

BlockBeats Resmi Topluluğuna Katılın:

Telegram Abonelik Grubu: https://t.me/theblockbeats

Telegram Sohbet Grubu: https://t.me/BlockBeats_App

Twitter Resmi Hesabı: https://twitter.com/BlockBeatsAsia