Phân tích chuyên sâu về công nghệ EVM song song của Bitroot: Thiết kế và triển khai kiến trúc blockchain hiệu suất cao

Nguồn gốc: Bitroot

Giới thiệu: Những đột phá công nghệ trong việc khắc phục các điểm nghẽn hiệu suất của Blockchain

Trong hơn mười năm phát triển của công nghệ blockchain, các điểm nghẽn hiệu suất luôn là rào cản cốt lõi cản trở ứng dụng quy mô lớn của nó. Ethereum chỉ có thể xử lý 15 giao dịch mỗi giây, với thời gian xác nhận dài tới 12 giây. Hiệu suất như vậy rõ ràng không thể đáp ứng nhu cầu ứng dụng ngày càng tăng. Chế độ thực thi nối tiếp và sức mạnh tính toán hạn chế của các blockchain truyền thống hạn chế nghiêm trọng thông lượng hệ thống. Bitroot được tạo ra để phá vỡ bế tắc này. Thông qua bốn cải tiến công nghệ chính—cơ chế đồng thuận Pipeline BFT, EVM song song lạc quan, phân mảnh trạng thái và tổng hợp chữ ký BLS—Bitroot đạt được đột phá hiệu suất với thời gian xác nhận cuối cùng là 400 mili giây và 25.600 TPS, cung cấp một giải pháp kỹ thuật được thiết kế cho ứng dụng công nghệ blockchain quy mô lớn. Bài viết này sẽ trình bày một cách có hệ thống về khái niệm thiết kế kiến trúc kỹ thuật cốt lõi, các đổi mới thuật toán và kinh nghiệm thực hành kỹ thuật của Bitroot, cung cấp một bản thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho các hệ thống blockchain hiệu suất cao.

I. Kiến trúc kỹ thuật: Triết lý kỹ thuật của thiết kế phân lớp

1.1 Hệ thống kiến trúc năm lớp

Bitroot áp dụng mô hình kiến trúc phân lớp cổ điển, xây dựng năm lớp cốt lõi với các chức năng rõ ràng và trách nhiệm riêng biệt từ dưới lên trên. Thiết kế này không chỉ đạt được sự tách rời mô-đun tốt mà còn đặt nền tảng vững chắc cho khả năng mở rộng và bảo trì của hệ thống.

Lớp lưu trữ, là nền tảng của toàn bộ hệ thống, đảm nhận nhiệm vụ lưu trữ dữ liệu trạng thái. Nó sử dụng cấu trúc Merkle Patricia Trie được cải tiến để triển khai quản lý cây trạng thái, hỗ trợ cập nhật gia tăng và tạo bằng chứng trạng thái nhanh chóng. Để giải quyết vấn đề phình to trạng thái thường gặp của blockchain, Bitroot giới thiệu một hệ thống lưu trữ phân tán, lưu trữ các phân đoạn dữ liệu lớn trên toàn mạng, chỉ lưu trữ các tham chiếu băm trên chuỗi. Thiết kế này giúp giảm bớt áp lực lưu trữ trên các nút đầy đủ, cho phép phần cứng thông thường tham gia vào quá trình xác minh mạng.

Lớp mạng xây dựng một cơ sở hạ tầng giao tiếp ngang hàng mạnh mẽ.

Việc khám phá nút được thực hiện bằng bảng băm phân tán Kademlia và việc truyền tin nhắn được xử lý thông qua giao thức GossipSub, đảm bảo việc truyền tải thông tin hiệu quả trên toàn mạng. Đáng chú ý, đối với nhu cầu truyền dữ liệu quy mô lớn, lớp mạng có cơ chế truyền gói dữ liệu lớn được tối ưu hóa đặc biệt, hỗ trợ truyền dữ liệu phân mảnh và khôi phục điểm dừng, cải thiện đáng kể hiệu quả đồng bộ hóa dữ liệu. Lớp đồng thuận là cốt lõi của bước đột phá về hiệu suất của Bitroot. Bằng cách tích hợp cơ chế đồng thuận Pipeline BFT và công nghệ tổng hợp chữ ký BLS, một quy trình đồng thuận theo đường ống đã đạt được. Không giống như các blockchain truyền thống vốn gắn kết chặt chẽ giữa đồng thuận và thực thi, Bitroot đạt được sự tách biệt hoàn toàn—mô-đun đồng thuận tập trung vào việc nhanh chóng xác định thứ tự giao dịch, trong khi mô-đun thực thi xử lý logic giao dịch song song ở chế độ nền. Thiết kế này cho phép đồng thuận liên tục tiến triển mà không cần chờ quá trình thực thi giao dịch hoàn tất, cải thiện đáng kể thông lượng hệ thống.Lớp giao thức đại diện cho đỉnh cao của những đổi mới công nghệ của Bitroot. Nó không chỉ đạt được khả năng tương thích EVM hoàn toàn, đảm bảo việc di chuyển liền mạch các hợp đồng thông minh trong hệ sinh thái Ethereum, mà quan trọng hơn, nó còn triển khai một công cụ thực thi song song. Thông qua cơ chế phát hiện xung đột ba pha, nó khắc phục những hạn chế về luồng đơn của EVM truyền thống, giải phóng hoàn toàn tiềm năng tính toán của bộ xử lý đa lõi. Lớp ứng dụng cung cấp cho các nhà phát triển một bộ công cụ và SDK phong phú, giúp giảm thiểu rào cản gia nhập cho việc phát triển ứng dụng blockchain. Cho dù đó là giao thức DeFi, thị trường NFT hay hệ thống quản trị DAO, các nhà phát triển có thể nhanh chóng xây dựng ứng dụng thông qua các giao diện được chuẩn hóa mà không cần phải đào sâu vào các chi tiết kỹ thuật cơ bản.

đồ thị TB đồ thị con "Kiến trúc năm lớp Bitroot" A[Lớp ứng dụng
Giao thức DeFi, Thị trường NFT, Quản trị DAO
Chuỗi công cụ, SDK] B[Lớp giao thức
Khả năng tương thích EVM, Công cụ thực thi song song
Phát hiện xung đột ba pha] C[Lớp đồng thuận
Đường ống BFT
Tổng hợp chữ ký BLS] D[Lớp mạng
Kademlia DHT
Giao thức GossipSub] E[Lớp lưu trữ
Merkle Patricia Trie
Lưu trữ phân tán] hết A --> B B --> C C --> D D --> E kiểu A điền:#e1f5fe kiểu B điền:#f3e5f5 kiểu C điền:#e8f5e8 kiểu D fill:#fff3e0 style E fill:#fce4ec

1.2 Triết lý Thiết kế: Tìm kiếm Giải pháp Tối ưu Thông qua Sự Đánh đổi

Trong quá trình thiết kế kiến trúc, nhóm Bitroot đã phải đối mặt với vô số sự đánh đổi về mặt kỹ thuật, mỗi quyết định đều ảnh hưởng sâu sắc đến hình thức cuối cùng của hệ thống.

Sự cân bằng giữa hiệu suất và tính phi tập trung là một chủ đề muôn thuở trong thiết kế blockchain. Các chuỗi công khai truyền thống thường hy sinh hiệu suất để theo đuổi tính phi tập trung tối ưu; trong khi các chuỗi liên kết hiệu suất cao lại phải trả giá bằng tính tập trung. Bitroot đã tìm ra một điểm cân bằng thông minh thông qua mô hình đặt cược nhóm kép: nhóm xác thực chịu trách nhiệm về sự đồng thuận và bảo mật mạng, đảm bảo tính phi tập trung của cơ chế cốt lõi; nhóm máy tính tập trung vào việc thực hiện các tác vụ tính toán, cho phép nó chạy trên các nút có hiệu suất tốt hơn. Việc chuyển đổi động giữa hai nhóm đảm bảo cả tính bảo mật và tính phi tập trung của hệ thống đồng thời tận dụng tối đa sức mạnh tính toán của các nút hiệu suất cao.

Sự đánh đổi giữa khả năng tương thích và đổi mới cũng thử thách trí tuệ thiết kế. Khả năng tương thích EVM hoàn toàn đồng nghĩa với việc tích hợp liền mạch với hệ sinh thái Ethereum, nhưng nó cũng đi kèm với những hạn chế của thiết kế EVM. Bitroot đã chọn một con đường đổi mới dần dần—duy trì khả năng tương thích hoàn toàn với bộ lệnh EVM cốt lõi để đảm bảo việc di chuyển các hợp đồng thông minh hiện có không mất phí; đồng thời giới thiệu các khả năng mới bằng cách mở rộng bộ lệnh, dành nhiều không gian cho sự phát triển công nghệ trong tương lai. Thiết kế này giúp giảm chi phí di chuyển hệ sinh thái và mở ra cánh cửa cho sự đổi mới công nghệ. Sự cân bằng giữa bảo mật và hiệu quả đặc biệt quan trọng trong các tình huống thực thi song song. Mặc dù thực thi song song có thể cải thiện đáng kể hiệu suất, nhưng nó cũng đặt ra những thách thức bảo mật mới như xung đột truy cập trạng thái và tình trạng tranh chấp. Bitroot sử dụng cơ chế phát hiện xung đột ba giai đoạn, thực hiện phát hiện và xác minh trước, trong và sau khi thực thi để đảm bảo hệ thống duy trì tính nhất quán và bảo mật trạng thái ngay cả trong môi trường song song cao. Cơ chế bảo vệ nhiều lớp này đảm bảo Bitroot theo đuổi hiệu suất tối ưu mà không ảnh hưởng đến bảo mật.

II. Sự đồng thuận BFT đường ống: Phá vỡ ràng buộc tuần tự hóa

2.1 Những vấn đề nan giải về hiệu suất của BFT truyền thống

Kể từ khi được Lamport và cộng sự đề xuất vào năm 1982, cơ chế đồng thuận Chịu lỗi Byzantine (BFT) đã trở thành nền tảng lý thuyết của khả năng chịu lỗi trong các hệ thống phân tán. Tuy nhiên, bên cạnh việc theo đuổi tính bảo mật và tính nhất quán, kiến trúc BFT cổ điển cũng bộc lộ ba hạn chế cơ bản về hiệu suất.

Tuần tự hóa là nút thắt cổ chai chính. BFT truyền thống yêu cầu mỗi khối phải đợi khối trước đó được xác nhận đầy đủ trước khi quá trình đồng thuận có thể bắt đầu. Lấy Tendermint làm ví dụ, sự đồng thuận của nó bao gồm ba giai đoạn: Đề xuất, Bỏ phiếu trước và Cam kết trước. Mỗi giai đoạn yêu cầu phải đợi hơn hai phần ba số nút xác thực bỏ phiếu và các khối được tuần tự hóa nghiêm ngặt. Ngay cả khi các nút được trang bị phần cứng hiệu suất cao và băng thông mạng đủ, những tài nguyên này cũng không thể được sử dụng để tăng tốc quá trình đồng thuận.

PoS của Ethereum cần 12 giây để hoàn thành một vòng xác nhận. Trong khi Solana giảm thời gian tạo khối xuống còn 400 mili giây thông qua cơ chế PoH, thì việc xác nhận cuối cùng vẫn mất 2-3 giây. Thiết kế tuần tự này về cơ bản hạn chế tiềm năng cải thiện hiệu quả đồng thuận. Độ phức tạp của giao tiếp tăng theo cấp số nhân với số lượng nút. Trong một mạng có n nút xác thực, mỗi vòng đồng thuận yêu cầu truyền tin nhắn O(n²)—mỗi nút cần gửi tin nhắn đến tất cả các nút khác và nhận tin nhắn từ tất cả các nút cùng một lúc. Khi mạng mở rộng lên 100 nút, một vòng đồng thuận duy nhất yêu cầu xử lý gần 10.000 tin nhắn. Nghiêm trọng hơn, mỗi nút cần xác minh chữ ký O(n) và chi phí xác minh tăng tuyến tính theo số lượng nút. Trong các mạng quy mô lớn, các nút dành một lượng thời gian đáng kể cho việc xử lý tin nhắn và xác minh chữ ký thay vì tính toán chuyển đổi trạng thái thực tế.Việc sử dụng tài nguyên thấp cản trở việc tối ưu hóa hiệu suất. Các máy chủ hiện đại thường được trang bị CPU đa lõi và mạng băng thông cao, nhưng triết lý thiết kế của BFT truyền thống bắt nguồn từ kỷ nguyên lõi đơn của những năm 1980. Trong khi các nút chờ tin nhắn mạng, CPU phần lớn ở trạng thái nhàn rỗi; ngược lại, trong quá trình tính toán chuyên sâu để xác minh chữ ký, băng thông mạng không được sử dụng hết. Việc sử dụng tài nguyên không đồng đều này dẫn đến hiệu suất tổng thể không tối ưu—ngay cả với phần cứng tốt hơn, việc cải thiện hiệu suất vẫn rất hạn chế. 2.2 Pipelining: Nghệ thuật Xử lý Song song Cải tiến cốt lõi của Pipeline BFT nằm ở việc pipelining quy trình đồng thuận, cho phép các khối có độ cao khác nhau đạt được sự đồng thuận song song. Thiết kế này được lấy cảm hứng từ công nghệ pipelining lệnh của các bộ xử lý hiện đại—khi một lệnh đang trong giai đoạn thực thi, lệnh tiếp theo có thể được giải mã đồng thời và lệnh sau đó nằm trong giai đoạn tìm nạp. Cơ chế song song bốn giai đoạn là nền tảng của Pipeline BFT. Quy trình đồng thuận được chia thành bốn giai đoạn độc lập: Đề xuất, Bỏ phiếu trước, Cam kết trước và Cam kết. Đổi mới chính nằm ở việc thực hiện chồng chéo bốn giai đoạn này: khi khối N-1 bước vào giai đoạn Cam kết, khối N đồng thời trải qua giai đoạn Tiền cam kết; khi khối N bước vào giai đoạn Tiền cam kết, khối N+1 đồng thời trải qua Giai đoạn bỏ phiếu trước; và khi khối N+1 bước vào giai đoạn Bỏ phiếu trước, khối N+2 có thể bắt đầu Đề xuất. Thiết kế này cho phép quá trình đồng thuận hoạt động liên tục như một dây chuyền lắp ráp, với nhiều khối được xử lý song song ở các giai đoạn khác nhau tại bất kỳ thời điểm nào. Trong giai đoạn Đề xuất, nút dẫn đầu đề xuất một khối mới, bao gồm danh sách các giao dịch, hàm băm khối và tham chiếu đến khối trước đó. Để đảm bảo tính công bằng và ngăn ngừa các điểm lỗi đơn lẻ, nút dẫn đầu được bầu thông qua Hàm ngẫu nhiên có thể xác minh (VRF). Tính ngẫu nhiên của VRF dựa trên giá trị băm của khối trước đó, đảm bảo rằng không ai có thể dự đoán hoặc thao túng kết quả bầu chọn nút dẫn đầu. Giai đoạn Bỏ phiếu trước xác minh sự chấp nhận ban đầu của khối được đề xuất bởi các nút xác thực. Sau khi nhận được đề xuất, nút sẽ xác minh tính hợp lệ của khối—liệu chữ ký giao dịch có hợp lệ, quá trình chuyển đổi trạng thái có chính xác và băm khối có khớp hay không. Nếu xác minh thành công, nút sẽ phát một thông báo bỏ phiếu trước có chứa băm khối và chữ ký của chính nó. Giai đoạn này về cơ bản là một cuộc thăm dò để xác định xem có đủ nút trong mạng xác nhận khối hay không. Giai đoạn tiền cam kết giới thiệu ngữ nghĩa cam kết mạnh mẽ hơn. Khi một nút đã thu thập được hơn hai phần ba số phiếu bầu trước, nút đó tin chắc rằng phần lớn các nút trong mạng xác nhận khối và phát một thông báo tiền cam kết. Tiền cam kết biểu thị một cam kết—sau khi một nút gửi một cam kết trước, nút đó không thể bỏ phiếu cho các khối khác ở cùng độ cao. Cơ chế cam kết một chiều này ngăn chặn các cuộc tấn công bỏ phiếu kép và đảm bảo tính bảo mật của sự đồng thuận.Giai đoạn Cam kết là giai đoạn xác nhận cuối cùng. Khi một nút đã thu thập được hơn hai phần ba số lượng cam kết trước, khối chắc chắn đã đạt được sự đồng thuận mạng và do đó chính thức cam kết khối đó về trạng thái cục bộ. Tại thời điểm này, khối đã đạt được xác nhận cuối cùng và không thể khôi phục. Ngay cả khi xảy ra lỗi phân vùng mạng hoặc lỗi nút, khối đã cam kết vẫn không thể bị thu hồi.

đồ thị TB tiêu đề Đường ống Cơ chế song song BFT dateFormat X axisFormat %s phần Khối N-1 Đề xuất: xong, prop1, 0, 1 Phiếu trước: xong, prev1, 1, 2 Precommit: xong, prec1, 2, 3 Commit: xong, comm1, 3, 4 phần Khối N Đề xuất: xong, prop2, 1, 2 Phiếu trước: xong, prev2, 2, 3 Precommit: xong, prec2, 3, 4 Commit: đang hoạt động, comm2, 4, 5 phần Khối N+1 Đề xuất: xong, prop3, 2, 3 Phiếu trước: xong, prev3, 3, 4 Precommit: đang hoạt động, prec3, 4, 5 phần Khối N+1 Phiếu trước: xong, prop3, 2, 3 Phiếu trước: xong, prev3, 3, 4 Precommit: đang hoạt động, prec3, 4, 5 Commit :comm3, 5, 6 Phần Khối N+2 Đề xuất :done, prop4, 3, 4 Bình chọn trước :active, prev4, 4, 5 Precommit :prec4, 5, 6 Commit :comm4, 6, 7

Giao thức sao chép máy trạng thái đảm bảo tính nhất quán trong các hệ thống phân tán. Mỗi nút xác thực duy trì trạng thái đồng thuận một cách độc lập, bao gồm chiều cao xử lý hiện tại, vòng và bước hiện tại. Các nút đồng bộ hóa trạng thái của chúng thông qua trao đổi thông điệp—khi nhận được một thông điệp ở chiều cao cao hơn, nút biết rằng nó đang bị tụt hậu và cần tăng tốc xử lý; khi nhận được một thông điệp ở cùng chiều cao nhưng từ một vòng khác, nút sẽ quyết định có nên tham gia vòng mới hay không.

Các quy tắc chuyển đổi trạng thái được thiết kế cẩn thận để đảm bảo tính bảo mật và khả năng hoạt động của hệ thống: Sau khi một nút nhận được đề xuất hợp lệ ở độ cao H, nó sẽ tiến hành bước Bỏ phiếu trước; sau khi thu thập đủ số Phiếu trước, nó sẽ tiến hành bước Cam kết trước; sau khi thu thập đủ số Cam kết trước, nó sẽ cam kết khối và tiến hành ở độ cao H+1. Nếu quá trình chuyển đổi bước không hoàn tất trong khoảng thời gian chờ, nút sẽ tăng vòng của mình và khởi động lại. Cơ chế thời gian chờ này ngăn hệ thống bị đình trệ vĩnh viễn trong những trường hợp bất thường.

Lập lịch tin nhắn thông minh đảm bảo tính chính xác của quá trình xử lý tin nhắn. Pipeline BFT triển khai hàng đợi tin nhắn ưu tiên dựa trên độ cao (HMPT), tính toán các mức độ ưu tiên dựa trên độ cao khối, vòng và bước của tin nhắn. Tin nhắn ở độ cao cao hơn có mức độ ưu tiên cao hơn, đảm bảo rằng sự đồng thuận có thể liên tục tiến triển; trong cùng một độ cao, các vòng và các bước cũng ảnh hưởng đến các mức độ ưu tiên, ngăn chặn các thông điệp lỗi thời khỏi can thiệp vào sự đồng thuận hiện tại.

Chiến lược xử lý thông điệp cũng được thiết kế cẩn thận: các thông điệp từ tương lai (cao hơn độ cao hiện tại) được lưu trong hàng đợi để bắt kịp tiến trình của nút; các thông điệp ở độ cao hiện tại được xử lý ngay lập tức để thúc đẩy sự đồng thuận; các thông điệp lỗi thời nghiêm trọng (cao hơn độ cao hiện tại) bị loại bỏ để tránh rò rỉ bộ nhớ và tính toán không hợp lệ. 2.3 Tổng hợp chữ ký BLS: Một bước đột phá về mật mã Trong lược đồ chữ ký ECDSA truyền thống, việc xác minh n chữ ký yêu cầu độ phức tạp về thời gian O(n) và không gian lưu trữ. Trong mạng có 100 nút xác minh, mỗi sự đồng thuận yêu cầu xác minh 100 chữ ký, với dữ liệu chữ ký chiếm khoảng 6,4KB. Khi mạng mở rộng quy mô, việc xác minh và truyền chữ ký trở thành những nút thắt cổ chai nghiêm trọng về hiệu suất. Công nghệ tổng hợp chữ ký BLS mang đến một bước đột phá ở cấp độ mật mã. Dựa trên đường cong elliptic BLS12-381, Bitroot đạt được xác minh chữ ký O(1) thực sự—kích thước chữ ký tổng hợp vẫn không đổi ở mức 96 byte bất kể số lượng nút xác minh, chỉ cần một thao tác ghép nối để xác minh. Đường cong BLS12-381 cung cấp mức bảo mật 128 bit, đáp ứng các yêu cầu bảo mật dài hạn. Nó định nghĩa hai nhóm, G1 và G2, và một nhóm mục tiêu GT. G1 lưu trữ khóa công khai, với mỗi phần tử chiếm 48 byte; G2 lưu trữ chữ ký, với mỗi phần tử chiếm 96 byte. Thiết kế bất đối xứng này tối ưu hóa hiệu suất xác minh—chi phí tính toán của các phần tử G1 trong thao tác ghép nối thấp hơn và việc đặt khóa công khai trong G1 sẽ tận dụng được tính chất này. Nguyên lý toán học của tổng hợp chữ ký dựa trên tính chất song tuyến tính của hàm ghép nối. Mỗi nút xác minh ký tin nhắn bằng khóa riêng của mình, tạo các điểm chữ ký trong nhóm G2. Sau khi thu thập nhiều chữ ký, chúng được cộng lại với nhau thông qua các thao tác nhóm để có được chữ ký tổng hợp. Chữ ký tổng hợp vẫn là một điểm hợp lệ trong nhóm G2, duy trì kích thước không đổi. Trong quá trình xác minh, chỉ cần một thao tác ghép nối để kiểm tra xem chữ ký tổng hợp và khóa công khai tổng hợp có thỏa mãn phương trình ghép nối hay không; điều này là đủ để xác minh tính hợp lệ của tất cả các chữ ký gốc.Sơ đồ chữ ký ngưỡng tăng cường hơn nữa tính bảo mật và khả năng chịu lỗi của hệ thống. Sử dụng chia sẻ bí mật Shamir, khóa riêng được chia thành n phần, yêu cầu ít nhất t phần để tái tạo khóa riêng ban đầu. Điều này có nghĩa là ngay cả khi t-1 nút bị xâm phạm, kẻ tấn công vẫn không thể lấy được khóa riêng hoàn chỉnh; đồng thời, hệ thống vẫn có thể hoạt động bình thường miễn là t nút trung thực đang trực tuyến. Việc triển khai chia sẻ bí mật dựa trên phép nội suy đa thức. Một đa thức bậc t-1 được tạo ra, với khóa riêng là hằng số và các hệ số khác được chọn ngẫu nhiên. Mỗi người tham gia nhận được giá trị của đa thức tại một điểm cụ thể dưới dạng một phần. Bất kỳ t phần nào cũng có thể tái tạo đa thức ban đầu bằng cách sử dụng nội suy Lagrange, do đó thu được khóa riêng; ít hơn t phần không thể thu được bất kỳ thông tin nào về khóa riêng. Trong quá trình đồng thuận, các nút xác thực sử dụng phần riêng của mình để ký tin nhắn, tạo ra phần chữ ký. Sau khi thu thập t phần chữ ký, chúng được cân nhắc và tổng hợp bằng hệ số nội suy Lagrange để thu được chữ ký hoàn chỉnh. Sơ đồ này đạt được độ phức tạp xác minh O(1) trong khi vẫn đảm bảo tính bảo mật—người xác minh chỉ cần xác minh chữ ký đơn được tổng hợp mà không cần phải xác minh từng chữ ký chia sẻ riêng lẻ. 2.4 Phân tách sự đồng thuận và thực thi: Sức mạnh của việc tách rời Các blockchain truyền thống kết hợp chặt chẽ sự đồng thuận và thực thi, dẫn đến các ràng buộc lẫn nhau. Sự đồng thuận phải đợi cho đến khi thực thi hoàn tất trước khi có thể tiến hành, trong khi thực thi bị giới hạn bởi các yêu cầu tuần tự hóa của sự đồng thuận. Bitroot phá vỡ nút thắt này bằng cách tách rời sự đồng thuận và thực thi. Kiến trúc xử lý không đồng bộ là nền tảng của sự tách biệt này. Mô-đun đồng thuận tập trung vào việc xác định thứ tự giao dịch và nhanh chóng đạt được sự đồng thuận; mô-đun thực thi xử lý logic giao dịch song song trong nền, thực hiện các chuyển đổi trạng thái. Hai mô-đun này giao tiếp không đồng bộ thông qua hàng đợi tin nhắn—kết quả đồng thuận được chuyển đến mô-đun thực thi thông qua hàng đợi và kết quả thực thi được phản hồi lại mô-đun đồng thuận thông qua hàng đợi. Thiết kế tách rời này cho phép sự đồng thuận tiếp tục tiến triển mà không cần chờ quá trình thực thi hoàn tất. Việc cô lập tài nguyên tối ưu hóa hiệu suất hơn nữa. Mô-đun đồng thuận và mô-đun thực thi sử dụng các nhóm tài nguyên độc lập để tránh tranh chấp tài nguyên. Mô-đun đồng thuận được trang bị giao diện mạng tốc độ cao và lõi CPU chuyên dụng, tập trung vào giao tiếp mạng và xử lý tin nhắn; mô-đun thực thi được trang bị bộ nhớ lớn và bộ xử lý đa lõi, tập trung vào các chuyển đổi trạng thái đòi hỏi nhiều tính toán. Sự chuyên môn hóa này cho phép mỗi mô-đun tận dụng tối đa hiệu suất phần cứng của nó. Cơ chế xử lý hàng loạt khuếch đại hiệu ứng của đường ống. Nút dẫn đầu đóng gói nhiều đề xuất khối thành các lô để đạt được sự đồng thuận chung. Thông qua xử lý hàng loạt, chi phí đồng thuận của k khối được phân bổ, giúp giảm đáng kể độ trễ xác nhận trung bình trên mỗi khối. Đồng thời, công nghệ tổng hợp chữ ký BLS hoạt động hoàn hảo với xử lý hàng loạt—bất kể số lượng khối trong một lô, kích thước chữ ký tổng hợp vẫn không đổi và thời gian xác minh gần như không đổi.

2.5 Hiệu suất: Bước nhảy vọt từ lý thuyết đến thực tiễn

Trong môi trường thử nghiệm chuẩn hóa (phiên bản AWS c5.2xlarge), Pipeline BFT đã chứng minh hiệu suất vượt trội:

Hiệu suất độ trễ: Độ trễ trung bình của mạng 5 nút là 300 mili giây và chỉ tăng lên 400 mili giây với 21 nút. Độ trễ tăng chậm theo số lượng nút, xác minh khả năng mở rộng tốt.

Hiệu suất thông lượng: Kết quả thử nghiệm cuối cùng đạt 25.600 TPS, đạt được bước đột phá về hiệu suất cao thông qua Pipeline BFT và công nghệ phân mảnh trạng thái.

Cải thiện hiệu suất: So với BFT truyền thống, độ trễ giảm 60% (1 giây → 400 mili giây), thông lượng tăng gấp 8 lần (3.200 → 25.600 TPS) và độ phức tạp giao tiếp được tối ưu hóa từ O(n²) thành O(n²/D).

III. Song song hóa lạc quan của EVM: Giải phóng tiềm năng của sức mạnh tính toán đa lõi

3.1 Gánh nặng lịch sử của việc tuần tự hóa EVM

Trong thiết kế ban đầu, Máy ảo Ethereum (EVM) đã áp dụng mô hình cây trạng thái toàn cục để đơn giản hóa việc triển khai hệ thống—tất cả các trạng thái tài khoản và hợp đồng được lưu trữ trong một cây trạng thái duy nhất và tất cả các giao dịch phải được thực hiện tuần tự nghiêm ngặt. Thiết kế này được chấp nhận trong những ngày đầu của các ứng dụng blockchain tương đối đơn giản, nhưng với sự gia tăng của các ứng dụng phức tạp như DeFi và NFT, việc thực hiện tuần tự đã trở thành một nút thắt hiệu suất.

Xung đột truy cập trạng thái là nguyên nhân gốc rễ của việc tuần tự hóa. Ngay cả khi hai giao dịch hoàn toàn không liên quan—Alice chuyển tiền cho Bob, Charlie chuyển tiền cho David—chúng vẫn phải được xử lý tuần tự. Vì EVM không thể xác định trước giao dịch sẽ truy cập vào trạng thái nào, nên nó chỉ có thể thận trọng giả định rằng tất cả các giao dịch có thể xung đột, do đó buộc phải thực hiện tuần tự. Các phụ thuộc động làm trầm trọng thêm sự phức tạp của vấn đề.

Hợp đồng thông minh có thể tính toán động các địa chỉ được truy cập dựa trên các tham số đầu vào và các phụ thuộc không thể được xác định tại thời điểm biên dịch. Ví dụ: một hợp đồng proxy có thể gọi các hợp đồng mục tiêu khác nhau dựa trên đầu vào của người dùng và các mẫu truy cập trạng thái của nó hoàn toàn không thể đoán trước trước khi thực thi. Điều này khiến việc phân tích tĩnh hầu như không thể thực hiện được, do đó cản trở việc thực thi song song an toàn. Chi phí khôi phục cao khiến việc song song lạc quan trở nên khó khăn. Nếu phát hiện xung đột sau khi thử thực thi song song lạc quan, tất cả các giao dịch bị ảnh hưởng cần phải được khôi phục. Trong trường hợp xấu nhất, toàn bộ lô cần được thực thi lại, lãng phí tài nguyên tính toán và ảnh hưởng nghiêm trọng đến trải nghiệm người dùng. Giảm thiểu phạm vi và tần suất khôi phục đồng thời đảm bảo an toàn là một thách thức quan trọng trong việc song song hóa EVM.

3.2 Phát hiện xung đột ba giai đoạn: Cân bằng bảo mật và hiệu quả

Bitroot tối đa hóa hiệu quả thực thi song song đồng thời đảm bảo bảo mật thông qua cơ chế phát hiện xung đột ba giai đoạn. Ba giai đoạn này thực hiện phát hiện và xác minh lần lượt trước, trong và sau khi thực thi, xây dựng một mạng lưới bảo mật nhiều lớp.

Giai đoạn 1: Sàng lọc trước khi thực thi Giảm khả năng xảy ra xung đột thông qua phân tích tĩnh. Trình phân tích phụ thuộc phân tích cú pháp mã byte giao dịch để xác định các trạng thái có khả năng bị truy cập. Đối với các giao dịch ERC-20 tiêu chuẩn, nó có thể xác định chính xác những giao dịch đang truy cập vào số dư của người gửi và người nhận; đối với các hợp đồng DeFi phức tạp, ít nhất nó có thể xác định các mẫu truy cập trạng thái chính.

Bộ lọc Bloom đếm (CBF) được cải tiến cung cấp cơ chế sàng lọc nhanh. Bộ lọc Bloom truyền thống chỉ hỗ trợ thêm phần tử chứ không hỗ trợ xóa chúng. CBF của Bitroot duy trì một bộ đếm cho mỗi vị trí, hỗ trợ việc thêm và xóa phần tử động.

Bộ lọc Bloom đếm (CBF) được cải tiến cung cấp một cơ chế sàng lọc nhanh. Các bộ lọc Bloom truyền thống chỉ hỗ trợ việc thêm phần tử, không hỗ trợ việc xóa chúng. CBF của Bitroot duy trì một bộ đếm cho mỗi vị trí, hỗ trợ việc thêm và xóa phần tử động.

CBF chỉ chiếm 128KB bộ nhớ, sử dụng 4 hàm băm độc lập và giữ tỷ lệ dương tính giả dưới 0,1%. CBF cho phép hệ thống nhanh chóng xác định xem hai giao dịch có thể có xung đột truy cập trạng thái hay không. Chiến lược nhóm thông minh sắp xếp các giao dịch thành các lô có thể được thực hiện song song. Hệ thống mô hình hóa các giao dịch như các nút trong một đồ thị, kết nối hai giao dịch có xung đột tiềm ẩn thông qua một cạnh. Một thuật toán tô màu tham lam được sử dụng để tô màu đồ thị, cho phép các giao dịch cùng màu được thực hiện song song một cách an toàn. Phương pháp này tối đa hóa tính song song đồng thời đảm bảo tính chính xác. Giai đoạn thứ hai: Giám sát trong khi thực hiện thực hiện phát hiện động trong quá trình thực hiện giao dịch. Ngay cả khi một giao dịch vượt qua sàng lọc trước khi thực thi, nó vẫn có thể truy cập các trạng thái vượt quá dự đoán trong quá trình thực thi thực tế, do đó cần phát hiện xung đột thời gian chạy. Khóa đọc-ghi chi tiết cung cấp khả năng kiểm soát đồng thời. Bitroot triển khai khóa dựa trên địa chỉ và khe cắm, thay vì khóa cấp hợp đồng chi tiết. Khóa đọc có thể được giữ bởi nhiều luồng đồng thời, cho phép đọc đồng thời; khóa ghi chỉ có thể được giữ bởi một luồng duy nhất và loại trừ tất cả các khóa đọc. Cơ chế khóa chi tiết này tối đa hóa tính song song đồng thời đảm bảo tính bảo mật. Quản lý trạng thái theo phiên bản triển khai kiểm soát đồng thời lạc quan. Một số phiên bản được duy trì cho mỗi biến trạng thái và phiên bản của trạng thái đọc được ghi lại trong quá trình thực thi giao dịch. Sau khi thực thi, hệ thống sẽ kiểm tra xem các phiên bản của tất cả các trạng thái đọc có còn nhất quán hay không. Nếu số phiên bản đã thay đổi, điều đó cho thấy xung đột đọc-ghi, yêu cầu khôi phục và thử lại. Cơ chế này vay mượn từ kiểm soát đồng thời đa phiên bản (MVCC) trong cơ sở dữ liệu và cũng hiệu quả tương tự trong các tình huống blockchain. Xử lý xung đột động sử dụng chiến lược khôi phục chi tiết. Khi phát hiện xung đột, chỉ các giao dịch xung đột trực tiếp mới được khôi phục, chứ không phải toàn bộ lô. Thông qua phân tích phụ thuộc chính xác, hệ thống có thể xác định giao dịch nào phụ thuộc vào giao dịch đã khôi phục, giảm thiểu phạm vi khôi phục. Các giao dịch đã khôi phục sẽ được thêm lại vào hàng đợi thực thi và được thực thi trong đợt tiếp theo.

Giai đoạn ba: Xác minh sau thực thi đảm bảo tính nhất quán của trạng thái cuối cùng. Sau khi tất cả các giao dịch được thực thi, hệ thống sẽ thực hiện kiểm tra tính nhất quán toàn cục. Bằng cách tính toán hàm băm gốc cây Merkle của thay đổi trạng thái và so sánh với gốc trạng thái dự kiến, tính chính xác của quá trình chuyển đổi trạng thái được đảm bảo. Đồng thời, tính nhất quán phiên bản của tất cả các thay đổi trạng thái được xác minh để đảm bảo không bỏ sót bất kỳ xung đột phiên bản nào.

Việc hợp nhất trạng thái sử dụng giao thức cam kết hai giai đoạn để đảm bảo tính nguyên tử. Trong giai đoạn chuẩn bị, tất cả các công cụ thực thi báo cáo kết quả thực thi của chúng nhưng không cam kết; trong giai đoạn cam kết, điều phối viên xác nhận rằng tất cả các kết quả đều nhất quán và sau đó cam kết toàn cục. Nếu bất kỳ công cụ thực thi nào báo cáo lỗi, điều phối viên sẽ khởi tạo một lệnh khôi phục toàn cục để đảm bảo tính nhất quán của trạng thái. Cơ chế này vay mượn từ thiết kế cổ điển của các giao dịch phân tán, đảm bảo độ tin cậy của hệ thống.

lowchart TD A[Đầu vào lô giao dịch] --> B[Giai đoạn 1: Sàng lọc trước khi thực thi] B --> C{Phân tích tĩnh
Phát hiện xung đột CBF} C -->|Không xung đột| D[Phân nhóm thông minh
Thuật toán tô màu tham lam] C -->|Xung đột có thể xảy ra| E[Nhóm Bảo thủ
Thực thi Tuần tự] D --> F[Giai đoạn 2: Giám sát Trong khi Thực thi] E --> F F --> G[Khóa Đọc-Ghi Chi tiết
Quản lý Trạng thái Phiên bản] G --> H{Đã Phát hiện Xung đột?} lowchart TD A[Đầu vào Lô Giao dịch] --> B[Giai đoạn 1: Sàng lọc Trước khi Thực thi] B --> C{Phân tích Tĩnh
Phát hiện Xung đột CBF} C -->|Không Xung đột| D [Nhóm Thông minh
Thuật toán Tô màu Tham lam] C -->|Xung đột Có thể xảy ra| E [Nhóm Bảo thủ
Thực thi Tuần tự] D --> F [Giai đoạn Hai: Giám sát Trong Quá trình Thực thi] E --> F F --> G [Khóa Đọc-Ghi Chi tiết
Quản lý Trạng thái Phiên bản] G --> H{Đã Phát hiện Xung đột?}

3.3 Tối ưu hóa Lập lịch: Giữ cho Mọi Lõi Luôn Bận rộn

Hiệu quả của việc thực thi song song không chỉ phụ thuộc vào mức độ song song mà còn phụ thuộc vào cân bằng tải và sử dụng tài nguyên. Bitroot triển khai một số kỹ thuật tối ưu hóa lập lịch để đảm bảo hoạt động hiệu quả của từng lõi CPU. Thuật toán "đánh cắp công việc" (work-stealing) giải quyết vấn đề mất cân bằng tải. Mỗi luồng công việc duy trì hàng đợi hai đầu riêng, lấy các tác vụ từ đầu hàng đợi để thực thi. Khi hàng đợi của một luồng trống, nó sẽ chọn ngẫu nhiên một luồng bận và "đánh cắp" các tác vụ từ cuối hàng đợi của nó. Cơ chế này đạt được cân bằng tải động, tránh tình trạng một số luồng nhàn rỗi trong khi các luồng khác bận. Các thử nghiệm cho thấy việc "đánh cắp công việc" làm tăng mức sử dụng CPU từ 68% lên 90% và thông lượng tổng thể khoảng 22%. Lập lịch nhận biết NUMA tối ưu hóa các mẫu truy cập bộ nhớ. Các máy chủ hiện đại sử dụng kiến trúc Truy cập Bộ nhớ Không Thống nhất (NUMA), trong đó độ trễ truy cập bộ nhớ giữa các nút NUMA cao hơn 2-3 lần so với truy cập cục bộ. Bộ lập lịch của Bitroot phát hiện cấu trúc NUMA của hệ thống, liên kết các luồng công việc với các nút NUMA cụ thể và ưu tiên các tác vụ truy cập bộ nhớ cục bộ. Đồng thời, trạng thái được phân vùng thành các nút NUMA khác nhau dựa trên giá trị băm của địa chỉ tài khoản, và các giao dịch truy cập vào một tài khoản cụ thể được ưu tiên thực thi trên nút tương ứng. Lập lịch nhận biết NUMA giúp giảm độ trễ truy cập bộ nhớ 35% và tăng thông lượng 18%. Điều chỉnh song song động thích ứng với các khối lượng công việc khác nhau. Song song cao hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn—song song quá mức có thể dẫn đến tăng tranh chấp khóa, điều này thực sự có thể làm giảm hiệu suất. Bitroot theo dõi các số liệu như mức sử dụng CPU, mức sử dụng băng thông bộ nhớ và tần suất tranh chấp khóa theo thời gian thực, điều chỉnh động số lượng luồng thực thi song song. Khi mức sử dụng CPU thấp và tranh chấp khóa không nghiêm trọng, tính song song được tăng lên; khi tranh chấp khóa xảy ra thường xuyên, tính song song được giảm xuống để giảm tranh chấp. Cơ chế thích ứng này cho phép hệ thống tự động tối ưu hóa hiệu suất trong các khối lượng công việc khác nhau. 3.4 Đột phá về hiệu suất: Kiểm chứng từ lý thuyết đến thực tiễn Trong môi trường thử nghiệm chuẩn hóa, việc song song hóa EVM một cách lạc quan cho thấy những cải thiện đáng kể về hiệu suất: Kịch bản chuyển giao đơn giản: Với cấu hình 16 luồng, TPS tăng từ 1.200 lên 8.700, đạt tốc độ tăng 7,25 lần, với tỷ lệ xung đột dưới 1%. Kịch bản hợp đồng phức tạp: Trong các hợp đồng DeFi có tỷ lệ xung đột từ 5-10%, 16 luồng vẫn đạt 5.800 TPS, cải thiện 7,25 lần so với 800 TPS nối tiếp. Kịch bản điện toán AI: Với tỷ lệ xung đột dưới 0,1%, 16 luồng tăng vọt từ 600 TPS lên 7.200 TPS, đạt tốc độ tăng 12 lần.

Phân tích độ trễ: Độ trễ trung bình từ đầu đến cuối là 1,2 giây, với 600 mili giây (50%) cho thực thi song song, 200 mili giây (16,7%) cho việc hợp nhất trạng thái và 250 mili giây (20,8%) cho việc truyền bá mạng.

IV. Phân mảnh trạng thái: Giải pháp tối ưu cho việc mở rộng theo chiều ngang

4.1 Thiết kế kiến trúc phân mảnh trạng thái

Phân mảnh trạng thái là công nghệ cốt lõi giúp Bitroot đạt được khả năng mở rộng theo chiều ngang. Bằng cách chia trạng thái blockchain thành nhiều phân mảnh, việc xử lý và lưu trữ song song được thực hiện.

Chiến lược phân mảnh: Bitroot áp dụng chiến lược phân mảnh dựa trên băm địa chỉ tài khoản, phân phối trạng thái tài khoản trên các phân mảnh khác nhau. Mỗi phân đoạn duy trì một cây trạng thái độc lập và tương tác giữa các phân đoạn được thực hiện thông qua giao thức truyền thông xuyên phân đoạn.

Phối hợp phân đoạn: Một điều phối viên phân đoạn được sử dụng để quản lý định tuyến giao dịch và đồng bộ hóa trạng thái giữa các phân đoạn.

Phối hợp phân đoạn: Một điều phối viên phân đoạn quản lý định tuyến giao dịch và đồng bộ hóa trạng thái giữa các phân đoạn.

Phối hợp phân đoạn:

5.2 Kết quả kiểm tra khả năng mở rộng

Kết quả kiểm tra cuối cùng: 25.600 TPS, độ trễ 1,2 giây, sử dụng 85% tài nguyên, xác minh tính hiệu quả của Pipeline BFT và công nghệ phân mảnh trạng thái.

So sánh hiệu suất: So với BFT truyền thống ở cùng quy mô 500 TPS, Bitroot đã đạt được cải tiến hiệu suất gấp 51 lần, chứng minh những lợi thế đáng kể do đổi mới công nghệ mang lại.

VI. Kịch bản ứng dụng và triển vọng công nghệ

6.1 Kịch bản ứng dụng cốt lõi

Tối ưu hóa giao thức DeFi: Thông qua thực thi song song và xác nhận nhanh, hỗ trợ các chiến lược giao dịch tần suất cao và chênh lệch giá, giảm phí gas hơn 90%, thúc đẩy sự phát triển thịnh vượng của hệ sinh thái DeFi.

Tối ưu hóa giao thức DeFi: Thông qua thực thi song song và xác nhận nhanh, hỗ trợ các chiến lược giao dịch tần suất cao và chênh lệch giá, giảm phí gas hơn 90%, thúc đẩy sự phát triển thịnh vượng của hệ sinh thái DeFi.

Thị trường và trò chơi NFT: Thông lượng cao hỗ trợ đúc hàng loạt NFT quy mô lớn và xác nhận độ trễ thấp mang lại trải nghiệm người dùng gần với trò chơi truyền thống, thúc đẩy tính thanh khoản của tài sản NFT. Ứng dụng doanh nghiệp: Quản lý chuỗi cung ứng minh bạch, xác thực danh tính kỹ thuật số, xác nhận quyền sở hữu dữ liệu và giao dịch cung cấp cơ sở hạ tầng blockchain cho quá trình chuyển đổi kỹ thuật số của doanh nghiệp. 6.2 Thách thức kỹ thuật và sự phát triển Thách thức hiện tại: Sự phình to trạng thái đòi hỏi phải liên tục tối ưu hóa các cơ chế lưu trữ; Độ phức tạp của giao tiếp giữa các phân đoạn cần được cải thiện hơn nữa; bảo mật trong môi trường thực thi song song yêu cầu kiểm toán liên tục. Hướng đi trong tương lai: Học máy tối ưu hóa các tham số hệ thống; tăng tốc phần cứng tích hợp các chip chuyên dụng như TPU và FPGA; khả năng tương tác giữa các chuỗi xây dựng một hệ sinh thái dịch vụ thống nhất. 6.3 Tóm tắt các đột phá cốt lõi về giá trị kỹ thuật: Pipeline BFT đạt được xác nhận 400ms, nhanh hơn 30 lần so với BFT truyền thống; song song hóa lạc quan của EVM đạt được cải thiện hiệu suất 7,25 lần; phân đoạn trạng thái hỗ trợ khả năng mở rộng tuyến tính. Giá trị thực tiễn: Khả năng tương thích hoàn toàn với EVM đảm bảo di chuyển không mất phí; thông lượng 25.600 TPS và giảm 90% chi phí được xác minh thông qua thử nghiệm chuẩn; một hệ sinh thái blockchain hiệu suất cao hoàn chỉnh được xây dựng. Đóng góp về tiêu chuẩn: Thúc đẩy việc thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật của ngành; xây dựng hệ sinh thái công nghệ nguồn mở; chuyển đổi nghiên cứu lý thuyết thành thực tiễn kỹ thuật, cung cấp một con đường khả thi cho ứng dụng blockchain hiệu suất cao trên quy mô lớn. Kết luận: Mở ra kỷ nguyên mới cho Blockchain hiệu suất cao Thành công của Bitroot không chỉ nằm ở sự đổi mới công nghệ mà còn ở việc chuyển đổi đổi mới thành các giải pháp kỹ thuật thực tiễn. Thông qua ba đột phá công nghệ lớn—Pipeline BFT, Optimistic Parallelization EVM và State Sharding—Bitroot cung cấp một bản thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho các hệ thống blockchain hiệu suất cao.

Trong giải pháp kỹ thuật này, chúng ta thấy sự cân bằng giữa hiệu suất và phi tập trung, sự thống nhất giữa khả năng tương thích và đổi mới, và sự phối hợp giữa bảo mật và hiệu quả. Sự khôn ngoan của những đánh đổi kỹ thuật này không chỉ được phản ánh trong thiết kế hệ thống mà còn trong từng chi tiết của thực hành kỹ thuật.

Quan trọng hơn, Bitroot cung cấp nền tảng kỹ thuật cho việc phổ biến công nghệ blockchain. Thông qua cơ sở hạ tầng blockchain hiệu suất cao, bất kỳ ai cũng có thể xây dựng các ứng dụng phi tập trung phức tạp và tận hưởng giá trị mà công nghệ blockchain mang lại. Hệ sinh thái blockchain phổ biến này sẽ thúc đẩy công nghệ blockchain từ các thử nghiệm kỹ thuật đến các ứng dụng quy mô lớn, cung cấp các dịch vụ blockchain hiệu quả, an toàn và đáng tin cậy hơn cho người dùng trên toàn thế giới.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ blockchain và sự mở rộng liên tục của các kịch bản ứng dụng, giải pháp kỹ thuật của Bitroot sẽ cung cấp các tài liệu tham khảo kỹ thuật quan trọng và hướng dẫn thực tế cho việc phát triển blockchain hiệu suất cao. Chúng tôi có lý do để tin rằng trong tương lai gần, blockchain hiệu suất cao sẽ trở thành một cơ sở hạ tầng quan trọng cho nền kinh tế số, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật mạnh mẽ cho quá trình chuyển đổi số của xã hội loài người.

Bài viết này là một bài gửi và không đại diện cho quan điểm của BlockBeats.