Shoal框架:如何降低Aptos上的Bullshark延迟

概述

Aptos Labs解决了DAG BFT中两个重要的开放问题,大幅降低了延迟,并首次消除了确定性共识协议中对超时的需求。总体上,Shoal在无故障情况下将Bullshark的延迟改进了40%,在故障情况下改进了80%。

Shoal是一个通过流水线和领导者声誉来增强基于Narwhal的共识协议(如DAG-Rider、Tusk、Bullshark)的框架。流水线通过每轮引入一个锚点来减少DAG排序延迟,领导者声誉通过确保锚点与最快的验证节点关联来进一步改善延迟问题。此外,领导者声誉使Shoal能够利用异步DAG构建来消除所有场景中的超时。这使得Shoal可以提供普遍响应的属性,它包含了通常需要的乐观响应。

Shoal的技术非常简单,涉及按顺序一个接一个地运行底层协议的多个实例。当使用Bullshark实例化时,我们得到了一群正在进行接力赛的"鲨鱼"。

背景与动机

近年来,区块链网络性能提升主要关注降低通信复杂性,但并未带来显著的吞吐量提升。直到Narwhal系统将数据传播与核心共识逻辑分离,提出了一种所有验证者同时传播数据的架构,共识组件仅订购少量元数据。这使得吞吐量达到了16万TPS。

然而,基于领导者的共识协议如Hotstuff/Jolteon无法充分利用Narwhal的吞吐量潜力。因此Aptos决定在Narwhal DAG之上部署Bullshark,一种零通信开销的共识协议。但Bullshark的DAG结构也带来了50%的延迟代价。

Shoal旨在大幅降低Bullshark的延迟。它通过流水线技术在每轮引入锚点,并使用领导者声誉机制来偏向选择快速的领导者。

Shoal框架

Shoal通过流水线技术增强了Bullshark,允许每轮都有一个锚点,将DAG中所有非锚点顶点的延迟减少到三轮。它还引入了零开销的领导者声誉机制,使选择偏向于快速领导者。

Shoal的核心思路是按顺序组合多个Bullshark实例进行流水线处理,以第一个有序锚点作为实例的切换点,并使用锚点的因果历史来计算领导者声誉。

这使得Shoal在最佳情况下可以每轮订购一个锚点。领导者声誉机制则通过重新计算轮次到领导者的映射,来偏向选择得分高的领导者。

消除超时

Shoal利用DAG构建提供的"网络速度时钟",消除了对超时的需求。只要有足够的诚实验证者继续向DAG添加顶点,轮次就会继续前进。结合领导者声誉机制,可以在所有实际场景中以网络速度运行。

普遍响应性

Shoal提供了比乐观响应更好的普遍响应属性。即使在领导者失败或网络异步的情况下,Shoal也能以网络速度继续运行一定轮数。这在异步期间和领导者故障时提供了严格更好的进度保证。

评估结果

评估显示,Shoal极大地改善了Bullshark的延迟:

• 在无故障情况下,Shoal将延迟降低了约40%
• 在有50个验证节点、16次失败的情况下,Shoal的延迟比基准Bullshark低65%
• Shoal可以扩展到更多验证节点,并实现更高吞吐量

总的来说,Shoal通过简单而有效的技术,显著提升了基于DAG的共识协议的性能,为高性能区块链的发展提供了新的可能。