Shoalフレームワーク: Aptos上のBullsharkレイテンシーをドロップする方法

概要

Aptos LabsはDAG BFTにおける2つの重要なオープン問題を解決し、レイテンシーを大幅にドロップし、初めて決定論的コンセンサスプロトコルにおけるタイムアウトの必要性を排除しました。全体として、Shoalは無故障の場合にBullsharkのレイテンシーを40%改善し、故障の場合には80%改善しました。

Shoalは、Narwhalベースのコンセンサスプロトコル(を強化するために、パイプラインとリーダーの評判を通じて、DAG-Rider、Tusk、Bullshark)のフレームワークを提供します。パイプラインは、各ラウンドでアンカーを導入することでDAGソートのレイテンシーを低下させ、リーダーの評判は、アンカーと最も速い検証ノードを関連付けることでレイテンシーの問題をさらに改善します。さらに、リーダーの評判により、Shoalは非同期DAG構築を利用して、すべてのシナリオにおけるタイムアウトを排除できます。これにより、Shoalは一般的な応答属性を提供し、通常必要とされる楽観的な応答を含みます。

Shoalの技術は非常にシンプルで、順番に一つずつ基盤プロトコルの複数のインスタンスを実行することを含みます。Bullsharkをインスタンス化すると、接力を行っている「サメ」のグループが得られます。

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背景と動機

近年、ブロックチェーンネットワークの性能向上は主に通信の複雑性をドロップすることに焦点を当ててきましたが、顕著なスループットの向上はもたらされていませんでした。Narwhalシステムがデータの伝播とコアコンセンサスロジックを分離し、すべてのバリデーターが同時にデータを伝播するアーキテクチャを提案するまで、コンセンサスコンポーネントは少量のメタデータのみを注文することになりました。これにより、スループットは16万TPSに達しました。

しかし、リーダーに基づくコンセンサスプロトコルであるHotstuff/Jolteonは、Narwhalのスループット潜在能力を十分に活用できません。そのため、AptosはNarwhal DAGの上にBullsharkを展開することを決定しました。Bullsharkはゼロ通信オーバーヘッドのコンセンサスプロトコルですが、BullsharkのDAG構造は50%のレイテンシーコストももたらします。

ShoalはBullsharkのレイテンシーを大幅にドロップすることを目的としています。各ラウンドでパイプライン技術を使用してアンカーを導入し、リーダーの評判メカニズムを使用して迅速なリーダーを選択することに偏っています。

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Shoalフレームワーク

Shoalはパイプライン技術を通じてBullsharkを強化し、各ラウンドにアンカーポイントを持たせることで、DAG内のすべての非アンカーポイント頂点のレイテンシーを三ラウンドに削減しました。また、迅速なリーダーを選択するバイアスを持つゼロコストのリーダー評判メカニズムを導入しました。

Shoalのコアの考え方は、順番に複数のBullsharkインスタンスを組み合わせてパイプライン処理を行い、最初の順序付けられたアンカーポイントをインスタンスの切り替えポイントとして使用し、アンカーポイントの因果的履歴を利用してリーダーの評判を計算することです。

これにより、Shoalは最適な状況で各ラウンドに1つのアンカーポイントを注文できるようになります。リーダーの評判メカニズムは、ラウンドからリーダーへのマッピングを再計算することによって、得点の高いリーダーを選択する傾向があります。

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タイムアウトを排除

ShoalはDAGを利用して提供された"ネットワーク速度時計"を構築し、タイムアウトの必要性を排除しました。十分な誠実な検証者がDAGに頂点を追加し続ける限り、ラウンドは進行し続けます。リーダーの評判メカニズムと組み合わせることで、すべての実際のシナリオでネットワーク速度で動作することができます。

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ユニバーサルな応答性

Shoalは、楽観的な応答よりも優れた一般的な応答特性を提供します。リーダーが失敗したりネットワークが非同期の状態でも、Shoalはネットワークの速度で一定のラウンドを実行し続けることができます。これは非同期期間やリーダーの障害時に厳密に優れた進行保証を提供します。

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結果を評価する

評価は、ShoalがBullsharkのレイテンシーを大幅に改善したことを示しています:

• 障害がない場合、Shoalはレイテンシーを約40%ドロップしました
• 50のバリデーションノードがあり、16回の失敗があった場合、Shoalのレイテンシーは基準のBullsharkより65%低い。
• Shoalはより多くの検証ノードに拡張でき、より高いスループットを実現します。

全体的に見ると、Shoalはシンプルで効果的な技術を通じて、DAGベースのコンセンサスプロトコルのパフォーマンスを大幅に向上させ、高性能ブロックチェーンの開発に新たな可能性を提供しました。

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