Geleneksel sıralı işlemden Aptos’un paralel tasarımına ve nihayetinde Zaptos’un optimal gecikme modeline kadar, blok zinciri sistemlerindeki boru hattı mimarisinin evrimine odaklanmakta; blockchain performans optimizasyonu için temel teknolojik yolları ve mühendislik uygulamalarını sergilemektedir.

Kaynak: Aptos Labs

Bilgi teknolojisinin ortaya çıkmasından bu yana mühendisler ve araştırmacılar, hesaplama kaynaklarını performans sınırlarına kadar zorlamanın yollarını keşfetmeye çalıştılar. Amaç, görevlerin gecikmesini en aza indirirken verimliliği maksimize etmekti. Yüksek performans ve düşük gecikme, bilgisayar biliminin gelişimini şekillendiren iki temel unsur olmuş; CPU, FPGA, veritabanı sistemleri ve yapay zeka altyapısındaki son gelişmeler dahil olmak üzere birçok alanı etkilemiştir. Bu hedef doğrultusunda, boru hattı teknolojisi vazgeçilmez bir araç haline gelmiştir. 1964 yılında IBM System/360 ile tanıtıldığından beri yüksek performanslı sistem tasarımının merkezinde yer almış, alandaki temel tartışmaları ve yenilikleri yönlendirmiştir.

Boru hattı teknolojisi yalnızca donanımda değil, aynı zamanda veritabanlarında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, Jim Gray’in “Yüksek Performanslı Veritabanı Sistemleri” adlı çalışmasında boru hattı paralel yöntemi tanıtılmıştır. Bu yöntem, karmaşık veritabanı sorgularını birden fazla aşamaya ayırır ve bunları eş zamanlı çalıştırarak verimliliği ve performansı artırır. Boru hattı teknolojisi yapay zeka alanında da büyük önem taşır. Özellikle yaygın kullanılan derin öğrenme çerçevesi TensorFlow, veri boru hattı paralelizmini kullanarak veri ön işleme ve yükleme işlemlerini yönetir. Bu sayede eğitim ve çıkarım süreçleri için kesintisiz veri akışı sağlanarak AI iş akışları daha hızlı ve verimli hale getirilir.

Blok zinciri de bu konuda bir istisna değildir. Temel işlevi veritabanlarına benzer şekilde işlemleri işlemek ve durumları güncellemektir; ancak buna Byzantine hataya dayanıklı uzlaşı zorluğu da eklenir. Blok zinciri verimliliğini artırmak (saniyedeki işlem sayısı) ve gecikmeyi azaltmak (son onay süresi), farklı aşamalar arasındaki etkileşimleri optimize etmeyi gerektirir: yük altındaki işlemlerin sıralanması, yürütülmesi, gönderilmesi ve senkronize edilmesi. Bu zorluk özellikle yüksek işlem hızında daha belirgindir, çünkü geleneksel tasarımlar düşük gecikmeyi korumakta yetersiz kalabilir.

Bu fikirleri daha iyi anlamak için tanıdık bir benzetmeye başvurabiliriz: otomotiv fabrikası. Montaj hattı üretim süreçlerinde nasıl devrim yarattıysa, blok zinciri boru hatlarının evrimini incelemek ve Zaptos gibi yeni nesil tasarımların neden blok zinciri performansını üst seviyelere taşıdığını görmek de benzer bir anlayış sunar.

Otomotiv Fabrikasından Blockchain Mimarisine

Hayal edin, bir otomotiv fabrikasının sahibisiniz ve iki ana hedefiniz var:

• Throughput’u maksimize etmek, yani her gün mümkün olduğunca fazla araç üretmek
• Gecikmeyi en aza indirmek, yani her aracın inşa edilme süresini kısaltmak

Şimdi üç farklı fabrika modelini düşünelim.

Basit Fabrika

Basit bir fabrikada çok yönlü bir grup işçi, bir aracı adım adım monte eder. Bir işçi motoru yerleştirir, bir sonraki tekerlekleri takar ve bu şekilde süreç ilerler.

Sorun şu ki bazı işçiler sık sık boşta kalır. Genel üretim verimliliği düşüktür çünkü aynı araç üzerinde farklı işçiler aynı anda çalışamaz.

Ford Fabrikası

Şimdi Ford montaj hattına geçelim. Bu modelde her işçi tek bir göreve odaklanır. Araçlar bir konveyör bandı üzerinde ilerlerken her işçi sırayla kendi görevini yerine getirir.

Sonuç olarak, birden fazla araç aynı anda farklı montaj aşamalarındadır ve tüm işçiler aktif çalışır. Üretim hızı ciddi şekilde artar. Ancak, her aracın tüm işçilerin önünden sırayla geçmesi gerektiği için gecikme süresi değişmeden kalır.

Büyülü Fabrika

Şimdi de tüm işçilerin aynı anda aynı araç üzerinde çalışabildiği sihirli bir fabrikayı hayal edin. Araç, istasyonlar arasında taşınmaz; her parçası aynı anda monte edilir.

Sonuç olarak, araçlar rekor sürede tamamlanır. Tüm adımlar eşzamanlı gerçekleştiğinden hem verimlilik hem de gecikme açısından en ideal senaryo oluşur.

Peki, bu araba fabrikası örneklerini bitirdiğimize göre, blok zinciri hakkında ne düşünüyorsunuz? Yüksek performanslı bir blok zinciri tasarlamak, montaj hattını optimize etmekten pek de farklı görünmüyor.

Blok Zinciri Bir Araba Fabrikası Gibi Nasıl Çalışır?

Blok zincirinde bir bloğu işlemek, bir araba monte etmeye benzer. Benzetme şöyle kurulabilir:

• Çalışanlar \= Doğrulayıcı kaynaklar
• Arabalar \= Bir blok
• Montaj görevleri \= Konsensüs, yürütme ve sunum gibi aşamalar

Sadece basit bir fabrikanın tek seferde bir araba işlemesi gibi, bir blok zinciri yalnızca bir bloğu işlediğinde kaynaklar verimli kullanılmaz. Bunun yerine, modern blok zinciri tasarımları, Ford montaj hattı gibi çalışmayı hedefler – aynı anda birden fazla bloğun farklı aşamalarını işlemek üzere. İşte bu noktada boru hattı teknolojisi devreye girer.

Geleneksel Mimari: Sıralı Blok Zinciri

Sıralı şekilde blok işleyen bir blok zinciri düşünelim. Doğrulayıcılar şu adımları izler:

• Blok teklifini almak
• Blok zinciri durumunu güncellemek için bloğu yürütmek
• Uzlaşma sürecini sürdürmek
• Durumu veritabanına kaydetmek
• Sonraki blok için uzlaşı başlatmak

Sorun nedir?

• Yürütme ve gönderme, uzlaşma sürecinin kritik yolundadır
• Her onay örneği, bir öncekisi bitmeden başlayamaz

Bu yapı, kaynakların çoğu zaman bir blok üzerine yoğunlaştığı, işçilerin sıklıkla boşta kaldığı pre-Ford dönemi fabrikasına benzer. Maalesef pek çok mevcut blok zinciri hala bu kategoridedir; bu da düşük verimlilik ve yüksek gecikme anlamına gelir.

Aptos: Paralel Performans

Diem, yürütme ve sunum aşamalarını uzlaşıdan ayıran bir boru hattı mimarisi tanıttı. Aynı zamanda uzlaşı için de bir boru hattı tasarımı benimsendi.

• Asenkron Yürütme ve Gönderme: Doğrulayıcılar önce blok üzerinde uzlaşır, ardından bloğu ebeveyn bloğun durumuna göre yürütür. Yeterli sayıda doğrulayıcı tarafından imzalandıktan sonra durum kalıcı olarak depolanır.
• Boru Hattı Uzlaşması (Jolteon): Yeni uzlaşı örnekleri, öncekiler tamamlanmadan başlayabilir. Bu da montaj hattı modeline benzer bir yapı sunar.

Bu sistem sayesinde farklı bloklar aynı anda farklı aşamalarda işlenebilir, işlem hızı artar ve blok süresi iki ileti gecikmesine kadar düşer. Ancak Jolteon’un lider tabanlı tasarımı, işlem dağıtımı sırasında lider doğrulayıcının aşırı yüklenmesine neden olabilir ve bu durum darboğazlar yaratır.

Aptos, bu noktada Quorum Mağazası adlı mekanizma ile süreci daha da optimize etti. Bu sistem, veri dağıtımını uzlaşıdan ayırır. Artık büyük veri bloklarının yayınlanması için tek bir lidere ihtiyaç yoktur. Veri dağıtımı ile meta veri sıralaması ayrılarak doğrulayıcılar verileri eşzamanlı şekilde dağıtabilir. Bu sayede tüm doğrulayıcıların toplam bant genişliği kullanılır ve konsensüsdeki lider darboğazı ortadan kalkar.

Görsel: Quorum Mağazası’nın, lider tabanlı bir konsensüs protokolünde kaynak kullanımını nasıl dengelediğini gösterir.

Bu yapı sayesinde Aptos, blok zincirinin “Ford fabrikasını” kurmuş oldu. Ford’un montaj hattı nasıl otomobil üretiminde devrim yarattıysa, Aptos da farklı blokların farklı aşamalarını eş zamanlı işleyerek benzer bir devrim yarattı. Her doğrulayıcı maksimum kaynak kullanımı sağlar, hiçbir işlem aşaması bekletilmez. Bu da Aptos’u yüksek verimli ve ölçeklenebilir bir blok zinciri platformu haline getirir.

Aptos blok zincirinde ardışık blokların boru hattı işlemesi örneği: Doğrulayıcılar, ardışık blokların farklı aşamalarını boru hattına alarak kaynak kullanımını en üst düzeye çıkarır ve verimliliği artırır.

Verimlilik önemli olsa da, uçtan uca gecikme de – yani bir işlemin gönderilmesinden nihai onayına kadar geçen süre – en az onun kadar kritiktir. Ödemeler, merkeziyetsiz finans (DeFi) ve oyun uygulamaları için her milisaniye değerlidir. Yoğun ağ trafiği sırasında, işlemler sırayla birçok aşamadan geçmek zorunda kalır: istemci – tam düğüm – doğrulayıcı iletişimi, fikir birliği, yürütme, durum doğrulama, gönderme ve tam düğüm senkronizasyonu. Bu yük altında, yürütme ve tam düğüm senkronizasyonu gibi aşamalar gecikmeleri artırır.

Resim: Aptos blok zincirinin boru hattı mimarisi. Diyagramda istemci (Ci), tam düğüm (Fi) ve doğrulayıcı (Vi) gösterilmektedir. Her kutu, bir blok işleminin geçtiği aşamaları temsil eder. Bu boru hattı beş aşamadan oluşur: uzlaşma (dağıtım ve sıralama dahil), yürütme, doğrulama, gönderme ve tam düğüm senkronizasyonu.

Bu yapı, Ford fabrikasına benzer: montaj hattı genel verimliliği artırsa da, her araç hâlâ her işçinin önünden sırayla geçer. Gerçek anlamda blok zinciri performansını maksimuma çıkarmak için bu aşamaların paralel çalıştığı bir “sihirli fabrika”ya ihtiyaç vardır.

Zaptos: Blok Zincirinde Gecikmeyi Minimize Etme Yolu

Zaptos, verimlilikten ödün vermeden gecikmeyi üç temel optimizasyonla azaltır:

• İyimser Yürütme: Bir blok önerisi alındıktan hemen sonra yürütmeye başlanarak boru hattı gecikmesi azaltılır. Doğrulayıcılar, bloğu doğrudan boru hattına alır ve ebeveyn blok tamamlandığında yürütmeyi spekülatif şekilde gerçekleştirir. Tam düğümler ise, doğrulayıcıdan durum kanıtını aldıktan sonra iyimser şekilde yürütmeye geçer.
• İyimser Gönderim: Durum doğrulandıktan hemen sonra — hatta bazı durumlarda önce — depolamaya yazılır. Doğrulayıcı nihai onayı verdiğinde, gönderimi tamamlamak için yalnızca küçük bir güncelleme yeterlidir. Eğer blok sonunda sıralanmazsa, daha önce iyimser şekilde gönderilen durum geri alınarak tutarlılık korunur.
• Hızlı Doğrulama: Doğrulayıcılar, konsensüsün nihai uzlaşma turunun tamamlanmasını beklemeden, yürütülen blokların durum doğrulamasına paralel şekilde başlar. Bu sayede boru hattı gecikmesi, yaygın senaryolarda bir tur azaltılır.

Şekil: Zaptos’un paralel boru hattı mimarisi. Uzlaşma dışındaki tüm aşamalar, uzlaşma aşaması içinde etkili biçimde gizlenerek uçtan uca gecikme azaltılır.

Bu optimizasyonlar sayesinde Zaptos, uzlaşma aşamasındaki diğer boru hattı adımlarının gecikmesini etkili biçimde gizler. Böylece, blok zinciri optimum gecikmeye sahip bir uzlaşma protokolünü benimserse, genel sistem gecikmesi de optimum seviyeye ulaşabilir.

Az Laf, Çok İş

Zaptos’un uçtan uca performansı, coğrafi olarak dağıtılmış deneylerle değerlendirildi ve yüksek performanslı referans olarak Aptos kullanıldı. Daha fazla ayrıntı için [8] numaralı çalışmaya bakılabilir.

Google Cloud üzerinde, Aptos dağıtımında kullanılan ticari sınıf makinelerle benzer şekilde yapılandırılmış, 10 bölgeye dağılmış 100 doğrulayıcı ve 30 tam düğümden oluşan küresel, merkeziyetsiz bir ağ simüle edildi.

Throughput-Gecikme

Şekil: Zaptos ve Aptos blok zincirlerinin performans karşılaştırması.

Yukarıdaki grafik, her iki sistemin uçtan uca gecikme ile verimlilik arasındaki ilişkiyi karşılaştırmaktadır. Her iki sistem de yük arttıkça gecikmede kademeli bir artış yaşar; ancak maksimum kapasiteye ulaşırken keskin sıçramalar görülür. Zaptos, zirve verimliliğe ulaşmadan önce daha istikrarlı bir gecikme performansı sunar; düşük yük altında 160 milisaniye, yüksek yük altında ise 500 milisaniyenin üzerinde gecikme azaltımı sağlar.

Etkileyici olan, Zaptos’un üretim kalitesindeki bir ana ağ ortamında 20.000 TPS ile alt saniye gecikme elde etmesidir. Bu başarı, yüksek hız ve ölçeklenebilirlik gerektiren gerçek dünya uygulamalarını mümkün kılar.

Gecikme Ayrışımı ve Zaptos’un Avantajı

Resim: Aptos Blok Zincirinin Gecikme Ayrışması.

Şekil: Zaptos’un Gecikme Ayrıntıları.

Gecikme ayrışım diyagramları, doğrulayıcılar ve tam düğümler için her boru hattı aşamasının süresini ayrıntılı şekilde gösterir. Elde edilen temel içgörüler şunlardır:

• 10k TPS’ye kadar: İyimser yürütme, doğrulama ve iyimser gönderim aşamaları, konsensüs süreci içinde etkili biçimde “gizlendiğinden” Zaptos’un genel gecikmesi, neredeyse yalnızca konsensüs gecikmesine eşittir.
• 10k TPS’nin üzerinde: İyimser yürütme süresi ve tam düğüm senkronizasyonu artmaya başlar; böylece uzlaşma dışı aşamalar toplam gecikme üzerinde daha belirleyici hale gelir. Ancak Zaptos, çoğu aşamayı eşzamanlı işleyerek bu gecikmeyi önemli ölçüde azaltır. Örneğin 20k TPS’de:
  • Geleneksel mimaride toplam gecikme 1,32 saniyedir (uzlaşma 0,68 saniye, diğer aşamalar 0,64 saniye)
  • Zaptos’ta bu değer 0,78 saniyeye iner (uzlaşma 0,67 saniye, diğer aşamalar yalnızca 0,11 saniye)

Sonuç

Blok zinciri mimarisinin evrimi, basit ardışık iş akışlarından yüksek paralel montaj hatlarına dönüşümle paralellik gösterir. Aptos’un boru hattı yaklaşımı verimliliği belirgin şekilde artırırken, Zaptos bu modeli daha ileri taşıyarak gecikmeyi saniyenin altına indirirken yüksek TPS değerini korur.

Modern bilgi işlem mimarileri verimliliği maksimize etmek için nasıl paralellikten faydalanıyorsa, blok zincirleri de gereksiz gecikmeleri ortadan kaldırmak adına tasarımlarını sürekli optimize etmelidir. Gecikmeyi minimize etmek adına blok zinciri boru hattının tamamen optimize edilmesi, Zaptos’un hız ve ölçeklenebilirlik gerektiren gerçek dünya uygulamaları için uygun bir altyapı sunduğunu gösterir.

Yasal Uyarı

Bu makale, Theblockbeats.info kaynağından alıntılanmıştır. İçeriğin tüm telif hakları yazarı Aptos Labs’e aittir. Telif haklarına ilişkin sorularınız için bizimle iletişime geçebilirsiniz.

Bu içerik yalnızca bilgilendirme amacı taşımaktadır ve yazarın kişisel görüşlerini yansıtır. Gate.TR’nin resmi görüşlerini yansıtmamaktadır. İçerikte yer alan marka, kurum, kuruluş veya kişilerle Gate.TR’nin herhangi bir ilişkisi bulunmamaktadır.

Bu içerik, yatırım tavsiyesi niteliğinde değildir. Dijital varlık alım-satımını teşvik etmeyi amaçlamaz, yalnızca bilgilendirme amaçlıdır.

Kripto varlıklar yüksek risk içerir ve ciddi fiyat dalgalanmalarına maruz kalabilir. Yatırım kararı vermeden önce kendi finansal durumunuzu değerlendirmeli ve kararınızı bağımsız olarak vermelisiniz.

Makalede yer alan veriler ve grafikler yalnızca genel bilgilendirme amacıyla sunulmuştur. Tüm içerikler özenle hazırlanmış olsa da, olası hata veya eksikliklerden dolayı sorumluluk kabul edilmez.

Gate Akademi ekibi bu içeriği farklı dillere çevirebilir. Hiçbir çeviri makale; kopyalanamaz, çoğaltılamaz veya izinsiz dağıtılamaz.