Bitroot parallellashtirilgan EVM texnologiyasining chuqur tahlili: Yuqori samarali blokcheyn arxitekturasi dizayni va amalga oshirilishi

Asl manba: Bitroot

Kirish: Blokcheyn unumdorligi to‘sig‘ini yengib o‘tuvchi texnologik yutuqlar

Blokcheyn texnologiyasi rivojlanishining o‘n yildan ortiq tarixida, unumdorlik to‘sig‘i har doim keng ko‘lamli qo‘llanilishini cheklab kelgan asosiy muammo bo‘lib qolmoqda. Ethereum har soniyada atigi 15 ta tranzaksiyani qayta ishlay oladi, tasdiqlash vaqti esa 12 soniyagacha cho‘ziladi, bu esa tobora ortib borayotgan ilova ehtiyojlarini qondira olmaydi. An’anaviy blokcheynlarning ketma-ket bajarilish modeli va cheklangan hisoblash quvvati tizimning o‘tkazuvchanligini jiddiy cheklaydi. Bitroot aynan shu muammoni hal qilish uchun yaratilgan. Pipeline BFT konsensus mexanizmi, optimistik parallel EVM, holat sharding va BLS imzo agregatsiyasi kabi to‘rtta texnologik innovatsiya orqali Bitroot 400 millisekundlik yakuniy tasdiqlash va 25,600 TPS unumdorlikka erishdi hamda blokcheyn texnologiyasining keng ko‘lamli qo‘llanilishi uchun muhandislik yechimini taqdim etdi. Ushbu maqolada Bitroot’ning asosiy texnologik arxitekturasi, algoritmik innovatsiyalari va muhandislik tajribasi tizimli tarzda yoritiladi va yuqori unumdorlikka ega blokcheyn tizimi uchun to‘liq texnologik yo‘l xaritasi taqdim etiladi.

I. Texnologik arxitektura: Qatlamli dizayn muhandislik falsafasi

1.1 Besh qatlamli arxitektura tizimi

Bitroot klassik qatlamli arxitektura paradigmadan foydalanadi va pastdan yuqoriga beshta aniq funksiyali va mas’uliyatli asosiy qatlamlarni quradi. Bunday dizayn nafaqat modul ajratilishini ta’minlaydi, balki tizimning kengayuvchanligi va xizmat ko‘rsatish quvvatini mustahkam asos bilan ta’minlaydi.

Saqlash qatlami butun tizimning poydevori bo‘lib, holat ma’lumotlarini doimiy saqlash vazifasini bajaradi. U holat daraxtini boshqarish uchun takomillashtirilgan Merkle Patricia Trie tuzilmasidan foydalanadi, inkremental yangilanish va tezkor holat isboti yaratishni qo‘llab-quvvatlaydi. Blokcheynlarda keng tarqalgan holat shishishi muammosiga qarshi Bitroot taqsimlangan saqlash tizimini joriy qilgan, katta hajmdagi ma’lumotlarni tarmoqda bo‘laklab saqlaydi va zanjirda faqat xesh havolalarini saqlaydi. Bu dizayn to‘liq tugunlarning saqlash bosimini samarali kamaytiradi va oddiy apparat ham tarmoqni tekshirishda ishtirok eta oladi.

Tarmoq qatlami mustahkam peer-to-peer aloqa infratuzilmasini quradi. Kademlia taqsimlangan xesh jadvali orqali tugunlarni aniqlash, GossipSub protokoli orqali xabarlarni tarqatish amalga oshiriladi va tarmoqda ma’lumotlarning samarali tarqalishi ta’minlanadi. Ayniqsa, katta hajmdagi ma’lumotlarni uzatish ehtiyojiga javoban, tarmoq qatlami maxsus optimallashtirilgan bo‘lib, bo‘laklab uzatish va uzilgan joydan davom ettirishni qo‘llab-quvvatlaydi, bu esa ma’lumotlarni sinxronlashtirish samaradorligini sezilarli oshiradi.

Konsensus qatlami Bitroot unumdorlik yutug‘ining asosi hisoblanadi. Pipeline BFT konsensus mexanizmi va BLS imzo agregatsiyasi texnologiyasini integratsiya qilish orqali konsensus jarayonini konveyerlashtirishga erishiladi. An’anaviy blokcheynlarda konsensus va bajarilish bir-biriga qattiq bog‘langan bo‘lsa, Bitroot ularni to‘liq ajratgan — konsensus moduli tranzaksiyalar tartibini tezda aniqlashga e’tibor qaratadi, bajarish moduli esa orqa fonda tranzaksiyalarni parallel qayta ishlaydi. Bunday dizayn konsensus jarayonining bajarilishni kutmasdan doimiy oldinga siljishini ta’minlaydi va tizim o‘tkazuvchanligini sezilarli oshiradi.

Protokol qatlami Bitroot texnologik innovatsiyalarining jamlanmasidir. U nafaqat to‘liq EVM mosligini ta’minlaydi va Ethereum ekotizimidagi smart-kontraktlarning muammosiz ko‘chirilishini kafolatlaydi, balki parallel bajarish dvigatelini ham amalga oshiradi. Uch bosqichli to‘qnashuv aniqlash mexanizmi orqali an’anaviy EVM’ning bir ipli cheklovini yengib o‘tadi va ko‘p yadroli protsessorlarning hisoblash salohiyatini to‘liq ochib beradi.

Ilova qatlami ishlab chiquvchilarga boy vositalar to‘plami va SDK taqdim etadi, blokcheyn ilovalarini ishlab chiqish to‘sig‘ini pasaytiradi. DeFi protokollari, NFT bozorlari yoki DAO boshqaruv tizimlari bo‘lishidan qat’i nazar, ishlab chiquvchilar standart interfeyslar orqali tezda ilovalar yaratishlari mumkin, pastki texnologik tafsilotlarni chuqur tushunishga hojat qolmaydi.

graph TB subgraph "Bitroot besh qatlamli arxitektura tizimi" A[Ilova qatlami<br/>DeFi protokoli, NFT bozori, DAO boshqaruvi<br/>Vositalar to‘plami, SDK] B[Protokol qatlami<br/>EVM mosligi, parallel bajarish dvigateli<br/>Uch bosqichli to‘qnashuv aniqlash] C[Konsensus qatlami<br/>Pipeline BFT<br/>BLS imzo agregatsiyasi] D[Tarmoq qatlami<br/>Kademlia DHT<br/>GossipSub protokoli] E[Saqlash qatlami<br/>Merkle Patricia Trie<br/>Taqsimlangan saqlash] end A --> B B --> C C --> D D --> E style A fill:#e1f5fe style B fill:#f3e5f5 style C fill:#e8f5e8 style D fill:#fff3e0 style E fill:#fce4ec

1.2 Dizayn konsepsiyasi: Muvozanatda optimal yechim izlash

Dizayn jarayonida Bitroot jamoasi ko‘plab texnologik muvozanatlarni boshdan kechirdi va har bir qaror tizimning yakuniy shakliga chuqur ta’sir ko‘rsatdi.

Unumdorlik va markazsizlashtirish muvozanati blokcheyn dizaynidagi abadiy mavzu. An’anaviy ommaviy blokcheynlar maksimal markazsizlashtirishga intilib, ko‘pincha unumdorlikdan voz kechadi; yuqori unumdorlikka ega konsorsium blokcheynlar esa markazlashuv evaziga ishlaydi. Bitroot ikki havzali staking modeli orqali ajoyib muvozanatga erishdi: validatorlar havzasi konsensus va tarmoq xavfsizligini ta’minlaydi va asosiy mexanizmlarning markazsizligini kafolatlaydi; hisoblash havzasi esa hisoblash vazifalarini bajarishga e’tibor qaratadi va yuqori unumdorlikka ega tugunlarda ishlashga ruxsat beradi. Ikkala havza o‘rtasida dinamik almashish mavjud bo‘lib, tizim xavfsizligi va markazsizlashtirishni saqlagan holda yuqori unumdorlikka ega tugunlarning hisoblash salohiyatidan to‘liq foydalaniladi.

Moslik va innovatsiya o‘rtasidagi tanlov ham dizayn donoligini sinovdan o‘tkazadi. To‘liq EVM mosligi Ethereum ekotizimini muammosiz qabul qilishni anglatadi, lekin EVM dizayn cheklovlari bilan bog‘liq bo‘ladi. Bitroot bosqichma-bosqich innovatsiya yo‘lini tanladi — asosiy EVM buyruq to‘plamining to‘liq mosligini saqlab, mavjud smart-kontraktlarning nol xarajatli ko‘chirilishini kafolatlaydi; shu bilan birga, kengaytirilgan buyruq to‘plami orqali yangi imkoniyatlarni joriy etadi va kelajak texnologik rivojlanish uchun yetarli joy qoldiradi. Bu dizayn ekotizim migratsiyasi xarajatlarini kamaytiradi va texnologik innovatsiyalarga yo‘l ochadi.

Xavfsizlik va samaradorlik muvozanati parallel bajarish sharoitida ayniqsa muhim. Parallel bajarish unumdorlikni sezilarli oshirsa-da, holatga kirish to‘qnashuvi, poyga sharoitlari kabi yangi xavfsizlik muammolarini keltirib chiqaradi. Bitroot uch bosqichli to‘qnashuv aniqlash mexanizmi orqali bajarishdan oldin, bajarish vaqtida va bajarishdan so‘ng tekshiruv va tasdiqlashni amalga oshiradi va hatto yuqori parallel muhitda ham tizim holatining izchilligi va xavfsizligini ta’minlaydi. Bunday ko‘p bosqichli himoya mexanizmi Bitroot’ga maksimal unumdorlikka intilayotganda xavfsizlikdan voz kechmaslik imkonini beradi.

II. Pipeline BFT konsensus: Ketma-ketlik to‘sig‘ini yengib o‘tish

2.1 An’anaviy BFT unumdorlik muammosi

Bizantiy tolerant (BFT) konsensus mexanizmi 1982 yilda Lamport va boshqalar tomonidan taklif qilinganidan beri taqsimlangan tizimlar uchun nazariy asos bo‘lib kelmoqda. Biroq, klassik BFT arxitekturasi xavfsizlik va izchillikka intilar ekan, uchta asosiy unumdorlik cheklovini namoyon qiladi.

Ketma-ket qayta ishlash birinchi to‘siqdir. An’anaviy BFT har bir blok oldingi blok to‘liq tasdiqlanmaguncha konsensus jarayonini boshlashni talab qiladi. Masalan, Tendermint konsensusida Propose (taklif), Prevote (oldindan ovoz berish), Precommit (oldindan majburiyat) uch bosqich mavjud bo‘lib, har bir bosqichda validatorlarning uchdan ikki qismidan ko‘prog‘i ovoz berishi kerak, blok balandligi esa qat’iy ketma-ketlikda harakatlanadi. Hatto yuqori unumdorlikka ega apparat va keng tarmoq o‘tkazuvchanligi mavjud bo‘lsa ham, bu resurslardan konsensus jarayonini tezlashtirish uchun foydalanib bo‘lmaydi. Ethereum PoS bir tasdiqlash bosqichini 12 soniyada yakunlaydi, Solana esa PoH mexanizmi orqali blok yaratish vaqtini 400 millisekundgacha qisqartirgan bo‘lsa-da, yakuniy tasdiqlash hali ham 2-3 soniya davom etadi. Bunday ketma-ketlik dizayni konsensus samaradorligini tubdan cheklaydi.

Aloqa murakkabligi tugunlar soni ortishi bilan kvadratik o‘sadi. n ta validatorli tarmoqda har bir konsensus bosqichi O(n²) xabar almashishni talab qiladi — har bir tugun barcha boshqa tugunlarga xabar yuboradi va ularning barchasidan xabar oladi. Tarmoq hajmi 100 tugunga yetganda, bitta konsensus bosqichida deyarli o‘n minglab xabarlar qayta ishlanadi. Bundan ham muhimrog‘i, har bir tugun O(n) imzoni tekshirishi kerak, bu esa tugunlar soni ortishi bilan chiziqli o‘sadi. Katta tarmoqlarda tugunlar ko‘p vaqtini xabarlarni qayta ishlash va imzolarni tekshirishga sarflaydi, holat o‘zgarishini hisoblashga emas.

Resurslardan foydalanish samaradorligi pastligi unumdorlikni oshirishga to‘sqinlik qiladi. Zamonaviy serverlar ko‘p yadroli CPU va yuqori tarmoqli kenglikka ega, biroq an’anaviy BFT dizayni 1980-yillardagi bir yadroli davrga asoslangan. Tugunlar tarmoq xabarini kutayotganida CPU ko‘p vaqt bo‘sh turadi; imzolarni tekshirishda esa tarmoq kengligi to‘liq ishlatilmaydi. Bunday nomutanosib resurslardan foydalanish umumiy unumdorlikni pasaytiradi — yaxshiroq apparat qo‘llansa ham, unumdorlik oshishi juda cheklangan.

2.2 Konveyerlashtirish: Parallel qayta ishlash san’ati

Pipeline BFT’ning asosiy innovatsiyasi konsensus jarayonini konveyerlashtirishda, ya’ni turli balandlikdagi bloklarning konsensusini parallel amalga oshirishda. Bu dizayn zamonaviy protsessorlarning buyruq konveyeri texnologiyasidan ilhomlangan — bir buyruq bajarilayotganida, keyingisi dekodlanadi, undan keyingisi esa olib kelinadi.

To‘rt bosqichli parallel mexanizm Pipeline BFT’ning asosi hisoblanadi.

Konsensus jarayoni Propose (taklif), Prevote (oldindan ovoz berish), Precommit (oldindan majburiyat), Commit (tasdiqlash) to‘rt mustaqil bosqichga bo‘linadi. Asosiy innovatsiya shundaki, bu to‘rt bosqich bir-biriga ustma-ust bajarilishi mumkin: blok N-1 Commit bosqichiga o‘tganda, blok N Precommit bosqichida bo‘ladi; blok N Precommit bosqichiga o‘tganda, blok N+1 Prevote bosqichida bo‘ladi; blok N+1 Prevote bosqichiga o‘tganda, blok N+2 Propose bosqichini boshlaydi. Bunday dizayn konsensus jarayonini konveyer kabi doimiy harakatda bo‘lishini ta’minlaydi va har bir vaqtda bir nechta bloklar turli bosqichlarda parallel qayta ishlanadi.

Propose bosqichida lider tugun yangi blokni taklif qiladi, tranzaksiyalar ro‘yxati, blok xeshi va oldingi blokka havolani o‘z ichiga oladi. Adolat va yagona nuqtada nosozliklarning oldini olish uchun lider tasodifiy tekshiriladigan funksiya (VRF) orqali rotatsiya qilinadi. VRF tasodifiyligi oldingi blok xeshiga asoslanadi va lider tanlovini oldindan bilish yoki manipulyatsiya qilishning oldini oladi.

Prevote bosqichi validatorlarning taklif blokni dastlabki tasdiqlashidir. Tugun taklifni olgach, blokning haqiqiyligini tekshiradi — tranzaksiya imzosi to‘g‘rimi, holat o‘zgarishi to‘g‘rimi, blok xeshi mos keladimi. Tekshiruvdan o‘tgach, tugun blok xeshi va o‘z imzosini o‘z ichiga olgan oldindan ovoz xabarini tarqatadi. Bu bosqich asosan jamoatchilik so‘rovi bo‘lib, tarmoqda yetarli tugunlar blokni tasdiqlashini aniqlaydi.

Precommit bosqichi kuchliroq majburiyat semantikasini joriy qiladi. Tugun uchdan ikki qismidan ko‘proq oldindan ovoz to‘plagach, tarmoqdagi ko‘pchilik blokni tasdiqlaganiga ishonch hosil qiladi va oldindan majburiyat xabarini tarqatadi. Precommit majburiyatni anglatadi — tugun precommit yuborgach, shu balandlikda boshqa blok uchun ovoz bera olmaydi. Bu bir tomonlama majburiyat mexanizmi ikki marta ovoz berish hujumining oldini oladi va konsensus xavfsizligini ta’minlaydi.

Commit bosqichi yakuniy tasdiqlashdir. Tugun uchdan ikki qismidan ko‘proq precommit to‘plagach, blok tarmoq konsensusiga erishganiga ishonch hosil qiladi va uni mahalliy holatga qo‘shadi. Shu vaqtda blok yakuniy tasdiqlanadi va orqaga qaytarilmaydi. Tarmoq bo‘linishi yoki tugun nosozligi yuz bersa ham, Commit bosqichidan o‘tgan blok bekor qilinmaydi.

graph TB title Pipeline BFT konveyer parallel mexanizmi dateFormat X axisFormat %s section Blok N-1 Propose :done, prop1, 0, 1 Prevote :done, prev1, 1, 2 Precommit :done, prec1, 2, 3 Commit :done, comm1, 3, 4 section Blok N Propose :done, prop2, 1, 2 Prevote :done, prev2, 2, 3 Precommit :done, prec2, 3, 4 Commit :active, comm2, 4, 5 section Blok N+1 Propose :done, prop3, 2, 3 Prevote :done, prev3, 3, 4 Precommit :active, prec3, 4, 5 Commit :comm3, 5, 6 section Blok N+2 Propose :done, prop4, 3, 4 Prevote :active, prev4, 4, 5 Precommit :prec4, 5, 6 Commit :comm4, 6, 7

Holat mashinasi nusxalash protokoli taqsimlangan tizim izchilligini ta’minlaydi. Har bir validator tugun mustaqil konsensus holatini yuritadi, jumladan, hozirgi balandlik, bosqich va qadam. Tugunlar xabar almashish orqali holatni sinxronlashtiradi — yuqori balandlikdagi xabarni olganda, tugun o‘zining orqada qolganini biladi va tezroq ishlashga harakat qiladi; bir balandlikda turli bosqich xabarlarini olganda, yangi bosqichga o‘tish zarurligini aniqlaydi.

Holat o‘zgarish qoidalari ehtiyotkorlik bilan ishlab chiqilgan, tizim xavfsizligi va faoliyatini ta’minlaydi: tugun H balandlikda haqiqiy taklif olgach, Prevote bosqichiga o‘tadi; yetarli Prevote to‘plangach, Precommit bosqichiga o‘tadi; yetarli Precommit to‘plangach, blokni tasdiqlaydi va H+1 balandlikka o‘tadi. Agar belgilangan vaqtda bosqich o‘zgarishi tugallanmasa, tugun bosqichni oshiradi va qayta boshlaydi. Bunday vaqt tugash mexanizmi tizimning favqulodda holatda abadiy to‘xtab qolishining oldini oladi.

Aqlli xabarlarni rejalashtirish xabarlarni to‘g‘ri qayta ishlashni kafolatlaydi. Pipeline BFT balandlikka asoslangan ustuvorlik xabarlar navbatini (HMPT) amalga oshiradi va xabar balandligi, bosqichi va qadamiga ko‘ra ustuvorlikni hisoblaydi. Yuqori balandlikdagi xabarlar ustuvor, bu konsensusning doimiy oldinga siljishini ta’minlaydi; bir balandlikda bosqich va qadam ham ustuvorlikka ta’sir qiladi va eskirgan xabarlarning hozirgi konsensusga aralashishining oldini oladi.

Xabarlarni qayta ishlash strategiyasi ham ehtiyotkorlik bilan ishlab chiqilgan: kelajakdan kelgan xabarlar (joriy balandlikdan yuqori) kutish navbatiga saqlanadi va tugun balandligi yetganda qayta ishlanadi; joriy balandlikdagi xabarlar darhol qayta ishlanadi va konsensusni oldinga siljitadi; juda eskirgan xabarlar (joriy balandlikdan ancha past) darhol tashlab yuboriladi va xotira oqishi hamda samarasiz hisoblashlarning oldi olinadi.

2.3 BLS imzo agregatsiyasi: Kriptografiyaning yangi bosqichi

An’anaviy ECDSA imzo sxemasida n ta imzoni tekshirish O(n) vaqt va xotira talab qiladi. 100 validatorli tarmoqda har bir konsensus bosqichida 100 ta imzo tekshiriladi va imzo ma’lumotlari taxminan 6.4KB joy egallaydi. Tarmoq kengaygani sari imzo tekshirish va uzatish jiddiy unumdorlik to‘sig‘iga aylanadi.

BLS imzo agregatsiyasi texnologiyasi kriptografik darajada yutuq olib keldi. BLS12-381 elliptik egri asosida Bitroot haqiqiy O(1) imzo tekshirishga erishdi — validatorlar soni qancha bo‘lishidan qat’i nazar, agregat imzo hajmi doimiy 96 bayt, tekshirish uchun atigi bir marta juftlashtirish operatsiyasi talab qilinadi.

BLS12-381 egri 128 bitli xavfsizlik darajasini ta’minlaydi va uzoq muddatli xavfsizlik ehtiyojlarini qondiradi. U G1 va G2 ikkita guruh hamda GT maqsadli guruhni belgilaydi. G1 ochiq kalitlarni saqlash uchun, elementi 48 bayt; G2 imzolar uchun, elementi 96 bayt. Bunday asimmetrik dizayn tekshirish samaradorligini oshiradi — juftlashtirishda G1 elementining hisoblash xarajati past, ochiq kalitlarni G1’da saqlash aynan shu xususiyatdan foydalanadi.

Imzo agregatsiyasining matematik asosi juftlashtirish funksiyasining ikki chiziqli xususiyatiga asoslanadi. Har bir validator tugun xabarni shaxsiy kaliti bilan imzolaydi va G2 guruhida imzo nuqtasini hosil qiladi. Bir nechta imzolar to‘plangach, guruh operatsiyasi orqali agregat imzo olinadi. Agregat imzo hali ham G2 guruhida haqiqiy nuqta bo‘lib, hajmi doimiy qoladi. Tekshirishda atigi bir marta juftlashtirish hisoblanadi va agregat imzo va agregat ochiq kalit juftlashtirish tenglamasini qanoatlantiradimi, barcha asl imzolar haqiqiyligini tekshiradi.

Chegaraviy imzo sxemasi tizim xavfsizligi va nosozlikka bardoshliligini yanada oshiradi. Shamir maxfiy ulash sxemasi yordamida shaxsiy kalit n ta ulushga bo‘linadi va kamida t ta ulush bo‘lsa, asl kalitni tiklash mumkin. Bu shuni anglatadiki, t-1 ta tugun buzilsa ham, hujumchi to‘liq kalitga ega bo‘la olmaydi; t ta halol tugun onlayn bo‘lsa, tizim normal ishlaydi.

Maxfiy ulash ko‘p a’zoli interpolatsiyaga asoslanadi. t-1 darajali ko‘p a’zoli polinom yaratiladi, shaxsiy kalit doimiy had, boshqa koeffitsiyentlar tasodifiy tanlanadi. Har bir ishtirokchi polinomning ma’lum nuqtadagi qiymatini ulush sifatida oladi. Istalgan t ta ulush Lagrange interpolatsiyasi orqali asl polinomni tiklaydi va shaxsiy kalit olinadi; t dan kam ulushda esa kalit haqida hech qanday ma’lumot olinmaydi.

Konsensus jarayonida validator tugunlar o‘z ulushi bilan xabarni imzolaydi va imzo ulushini hosil qiladi. t ta imzo ulushi to‘plangach, Lagrange interpolatsiyasi koeffitsiyentlari orqali og‘irlikli agregatsiya qilinadi va to‘liq imzo olinadi. Bu sxema xavfsizlikni ta’minlagan holda O(1) tekshirish murakkabligiga erishadi — validator faqat agregat imzoni tekshiradi, har bir ulushni alohida tekshirish shart emas.

2.4 Konsensus va bajarishni ajratish: Ajratilganlik kuchi

An’anaviy blokcheynlarda konsensus va bajarish qattiq bog‘langan, bu esa ularning bir-birini cheklashiga olib keladi. Konsensus bajarish tugaguncha kutishi kerak, bajarish esa konsensusning ketma-ketlik talabiga bo‘ysunadi. Bitroot konsensus va bajarishni ajratish orqali bu to‘siqni yengib o‘tdi.

Asinxron qayta ishlash arxitekturasi ajratishning asosi hisoblanadi. Konsensus moduli tranzaksiyalar tartibini aniqlashga va tez kelishuvga e’tibor qaratadi; bajarish moduli esa orqa fonda tranzaksiyalarni parallel qayta ishlaydi va holat o‘zgarishini amalga oshiradi. Ular xabarlar navbati orqali asinxron muloqot qiladi — konsensus natijasi navbat orqali bajarish moduliga uzatiladi, bajarish natijasi esa konsensus moduliga qaytariladi. Bunday ajratilgan dizayn konsensusning bajarish tugashini kutmasdan doimiy oldinga siljishini ta’minlaydi.

Resurslarni ajratish unumdorlikni yanada oshiradi. Konsensus va bajarish modullari mustaqil resurs havzalaridan foydalanadi va resurslar uchun raqobat yo‘q. Konsensus moduli tezkor tarmoq interfeysi va maxsus CPU yadrolari bilan ta’minlanadi va tarmoq aloqasi hamda xabarlarni qayta ishlashga e’tibor qaratadi; bajarish moduli esa katta xotira va ko‘p yadroli protsessor bilan ta’minlanadi va hisoblashga yo‘naltirilgan holat o‘zgarishiga e’tibor qaratadi. Bunday ixtisoslashgan bo‘linish har bir modulning apparat unumdorligidan to‘liq foydalanishini ta’minlaydi.

Batch qayta ishlash mexanizmi konveyer effektini kuchaytiradi. Lider tugun bir nechta blok takliflarini batchga birlashtiradi va umumiy konsensusga olib chiqadi. Batch qayta ishlash orqali k ta blok uchun konsensus xarajati bo‘linadi va bitta blok uchun o‘rtacha tasdiqlash kechikishi sezilarli kamayadi. Shu bilan birga, BLS imzo agregatsiyasi texnologiyasi batch bilan mukammal uyg‘unlashadi — batchda nechta blok bo‘lishidan qat’i nazar, agregat imzo hajmi doimiy, tekshirish vaqti esa deyarli o‘zgarmaydi.

2.5 Unumdorlik natijalari: Nazariyadan amaliyotga sakrash

Standart test muhitida (AWS c5.2xlarge instansiyasi) Pipeline BFT ajoyib natijalarni ko‘rsatdi:

Kechikish natijalari: 5 tugunli tarmoqda o‘rtacha kechikish 300 millisekund, 21 tugunda atigi 400 millisekundgacha oshadi, kechikish tugunlar soni ortishi bilan sekin o‘sadi va yaxshi kengayuvchanlikni tasdiqlaydi.

O‘tkazuvchanlik natijalari: Yakuniy test natijasi 25,600 TPS, Pipeline BFT va holat sharding texnologiyasi orqali yuqori unumdorlikka erishildi.

Unumdorlik oshishi: An’anaviy BFT bilan solishtirganda, kechikish 60% ga kamaydi (1 soniya→400 millisekund), o‘tkazuvchanlik 8 baravar oshdi (3,200→25,600 TPS), aloqa murakkabligi O(n²) dan O(n²/D) gacha optimallashtirildi.

III. Optimistik parallel EVM: Ko‘p yadroli hisoblash salohiyatini ochish

3.1 EVM ketma-ketlik tarixiy yuklari

Ethereum virtual mashinasi (EVM) dastlabki dizaynida tizimni soddalashtirish uchun global holat daraxti modelidan foydalangan — barcha akkaunt va kontrakt holatlari bitta holat daraxtida saqlanadi, barcha tranzaksiyalar qat’iy ketma-ket bajariladi. Bu dizayn dastlabki oddiy blokcheyn ilovalari davrida maqbul edi, biroq DeFi, NFT kabi murakkab ilovalar paydo bo‘lishi bilan ketma-ket bajarish unumdorlik to‘sig‘iga aylandi.

Holatga kirish to‘qnashuvi ketma-ketlikning asosiy sababi. Hatto ikki tranzaksiya mutlaqo aloqasiz akkauntlarni o‘zgartirsa ham — masalan, Alice Bob’ga, Charlie esa David’ga pul o‘tkazsa — ular baribir ketma-ket bajariladi. Chunki EVM tranzaksiya qaysi holatga kirishini oldindan aniqlay olmaydi va barcha tranzaksiyalar to‘qnashishi mumkin deb taxmin qiladi, natijada majburiy ketma-ket bajarish yuzaga keladi. Dinamik bog‘liqlik muammoni yanada murakkablashtiradi. Smart-kontraktlar kiruvchi parametrga qarab dinamik tarzda manzilni hisoblab, turli holatga kirishi mumkin, bu esa kompilyatsiya vaqtida bog‘liqlikni aniqlashni imkonsiz qiladi. Masalan, proksi kontrakt foydalanuvchi kiritmasiga qarab turli maqsadli kontraktlarni chaqirishi mumkin, holatga kirish modeli bajarishdan oldin butunlay noma’lum bo‘ladi. Bu statik tahlilni deyarli imkonsiz qiladi va xavfsiz parallel bajarishni amalga oshirishga to‘sqinlik qiladi.

Qayta tiklash xarajati yuqoriligi optimistik parallel bajarishni qiyinlashtiradi. Agar optimistik parallel bajarishdan so‘ng to‘qnashuv aniqlansa, barcha ta’sirlangan tranzaksiyalarni qayta tiklash kerak bo‘ladi. Eng yomon holatda butun batchni qayta bajarish kerak bo‘ladi, bu nafaqat hisoblash resurslarini isrof qiladi, balki foydalanuvchi tajribasiga ham jiddiy salbiy ta’sir ko‘rsatadi. Xavfsizlikni kafolatlagan holda qayta tiklash hajmi va chastotasini minimal darajaga tushirish — parallel EVM uchun asosiy muammo.

3.2 Uch bosqichli to‘qnashuv aniqlash: Xavfsizlik va samaradorlik muvozanati

Bitroot uch bosqichli to‘qnashuv aniqlash mexanizmi orqali xavfsizlikni kafolatlagan holda parallel bajarish samaradorligini maksimal darajaga yetkazdi. Bu uch bosqich bajarishdan oldin, bajarish vaqtida va bajarishdan so‘ng tekshiruv va tasdiqlashni o‘z ichiga oladi va ko‘p bosqichli xavfsizlik tarmog‘ini yaratadi.

Birinchi bosqich: Oldindan bajarish filtrlash statik tahlil orqali to‘qnashuv ehtimolini kamaytiradi. Bog‘liqlik tahlilchisi tranzaksiya bayt kodini tahlil qilib, qaysi holatga kirilishi mumkinligini aniqlaydi. Standart ERC-20 transferlarida yuboruvchi va qabul qiluvchining balansiga kirish aniq aniqlanadi; murakkab DeFi kontraktlarida esa asosiy holatga kirish modeli aniqlanadi.

Takomillashtirilgan hisoblagichli Bloom filtri (CBF) tez filtrlash mexanizmini ta’minlaydi. An’anaviy Bloom filtri faqat element qo‘shishni qo‘llab-quvvatlaydi, o‘chirishni emas. Bitroot’ning CBF har bir pozitsiyada hisoblagich saqlaydi va elementlarni dinamik qo‘shish va o‘chirishni qo‘llab-quvvatlaydi. CBF atigi 128KB xotira egallaydi, 4 ta mustaqil xesh funksiyasidan foydalanadi va soxta ijobiy natija darajasi 0.1% dan past. CBF orqali tizim ikki tranzaksiya holatga kirishda to‘qnashuv ehtimoli bor-yo‘qligini tez aniqlaydi.

Aqlli guruhlash strategiyasi tranzaksiyalarni parallel bajariladigan batchlarga ajratadi. Tizim tranzaksiyalarni graf tugunlari sifatida modellashtiradi, agar ikki tranzaksiya to‘qnashishi mumkin bo‘lsa, ular orasida qirra chiziladi. Ochko‘z bo‘yoqlash algoritmi grafni bo‘yoqlaydi va bir xil rangdagi tranzaksiyalar xavfsiz parallel bajariladi. Bu usul to‘g‘rilikni saqlagan holda parallel darajani maksimal qiladi.

Ikkinchi bosqich: Bajarish vaqtida monitoring dinamik tahlilni amalga oshiradi. Oldindan filtrlashdan o‘tgan bo‘lsa ham, tranzaksiya bajarishda kutilmagan holatga kirishi mumkin, shuning uchun ish vaqtida to‘qnashuv aniqlash zarur.

Nozik darajadagi o‘qish-yozish qulflari mexanizmi parallel boshqaruvni ta’minlaydi. Bitroot manzil va saqlash sloti asosida qulflarni amalga oshiradi, kontrakt darajasidagi qo‘pol qulflardan farqli o‘laroq. O‘qish qulfini bir nechta ip bir vaqtda ushlab turishi mumkin, bu parallel o‘qishni ta’minlaydi; yozish qulfini esa faqat bitta ip ushlab turishi mumkin va barcha o‘qish qulflarini bloklaydi. Bunday nozik darajadagi qulf mexanizmi xavfsizlikni saqlagan holda parallel darajani maksimal qiladi.

Versiyalangan holat boshqaruvi optimistik parallel boshqaruvni amalga oshiradi. Har bir holat o‘zgaruvchisi uchun versiya raqami yuritiladi, tranzaksiya bajarishda o‘qilgan holat versiyasi yozib olinadi. Bajarish tugagach, barcha o‘qilgan holat versiyalari hanuz bir xilmi, tekshiriladi. Agar versiya o‘zgargan bo‘lsa, o‘qish-yozish to‘qnashuvi bor va qayta bajarish kerak. Bu mexanizm ma’lumotlar bazasidagi ko‘p versiyali parallel boshqaruvdan (MVCC) ilhomlangan va blokcheyn muhitida ham samarali ishlaydi.

Dinamik to‘qnashuvni boshqarish nozik darajadagi qayta tiklash strategiyasini qo‘llaydi. To‘qnashuv aniqlansa, faqat bevosita to‘qnashgan tranzaksiyalar qayta tiklanadi, butun batch emas. Aniq bog‘liqlik tahlili orqali tizim qayta tiklangan tranzaksiyalarga bog‘liq tranzaksiyalarni aniqlaydi va qayta tiklash hajmini minimal qiladi. Qayta tiklangan tranzaksiyalar bajarish navbatiga qayta qo‘shiladi va keyingi batchda bajariladi.

Uchinchi bosqich: Bajarishdan keyingi tekshiruv yakuniy holat izchilligini kafolatlaydi. Barcha tranzaksiyalar bajarilgach, tizim global izchillik tekshiruvini o‘tkazadi. Holat o‘zgarishining Merkle daraxti ildiz xeshini hisoblab, kutilgan holat ildizi bilan solishtiradi va holat o‘zgarishining to‘g‘riligini kafolatlaydi. Shu bilan birga, barcha holat o‘zgarishlari versiyalarining izchilligi tekshiriladi va hech qanday versiya to‘qnashuvi qolmaganiga ishonch hosil qilinadi.

Holat birlashtirish ikki bosqichli commit protokolini qo‘llaydi va atomiklikni kafolatlaydi. Tayyorlash bosqichida barcha bajarish dvigatellari natijani xabar qiladi, lekin commit qilmaydi; commit bosqichida koordinatsiyalovchi barcha natijalar izchil ekanini tasdiqlaydi va global commit qiladi. Agar biror bajarish dvigateli muvaffaqiyatsizlik xabar qilsa, koordinatsiyalovchi global qayta tiklashni boshlaydi va holat izchilligini kafolatlaydi. Bu mexanizm taqsimlangan tranzaksiyalarning klassik dizaynidan ilhomlangan va tizim ishonchliligini ta’minlaydi.

lowchart TD A[Tranzaksiya batchi kirishi] --> B[Birinchi bosqich: Oldindan bajarish filtrlash] B --> C{Statik tahlil<br/>CBF to‘qnashuv aniqlash} C -->|To‘qnashuv yo‘q| D[Aqlli guruhlash<br/>Ochko‘z bo‘yoqlash algoritmi] C -->|To‘qnashuv mumkin| E[Ehtiyotkor guruhlash<br/>Ketma-ket bajarish] D --> F[Ikkinchi bosqich: Bajarish vaqtida monitoring] E --> F F --> G[Nozik darajadagi o‘qish-yozish qulflari<br/>Versiyalangan holat boshqaruvi] G --> H{To‘qnashuv aniqlandimi?} lowchart TD A[Tranzaksiya batchi kirishi] --> B[Birinchi bosqich: Oldindan bajarish filtrlash] B --> C{Statik tahlil<br/>CBF to‘qnashuv aniqlash} C -->|To‘qnashuv yo‘q| D[Aqlli guruhlash<br/>Ochko‘z bo‘yoqlash algoritmi] C -->|To‘qnashuv mumkin| E[Ehtiyotkor guruhlash<br/>Ketma-ket bajarish] D --> F[Ikkinchi bosqich: Bajarish vaqtida monitoring] E --> F F --> G[Nozik darajadagi o‘qish-yozish qulflari<br/>Versiyalangan holat boshqaruvi] G --> H{To‘qnashuv aniqlandimi?}

3.3 Rejalashtirishni optimallashtirish: Har bir yadro band bo‘lsin

Parallel bajarish samaradorligi nafaqat parallel darajaga, balki yukni muvozanatlash va resurslardan foydalanishga ham bog‘liq. Bitroot bir nechta rejalashtirishni optimallashtirish texnologiyalarini amalga oshirdi va har bir CPU yadrosi samarali ishlashini ta’minladi.

Ish o‘g‘irlash algoritmi yuk nomutanosibligini hal qiladi. Har bir ishchi ip o‘zining ikki tomonli navbatini yuritadi va navbat boshidan vazifani bajaradi. Agar biror ipning navbati bo‘sh bo‘lsa, u tasodifiy band ipni tanlaydi va uning navbat oxiridan "o‘g‘irlab" vazifa oladi. Bu mexanizm dinamik yuk muvozanatini ta’minlaydi va ba’zi iplar bo‘sh, boshqalari band bo‘lishining oldini oladi. Testlar ko‘rsatishicha, ish o‘g‘irlash CPU’dan foydalanishni 68% dan 90% gacha oshirdi va umumiy o‘tkazuvchanlikni taxminan 22% ga oshirdi.

NUMA xabardor rejalashtirish xotira kirish modelini optimallashtirdi. Zamonaviy serverlar notekis xotira kirish (NUMA) arxitekturasidan foydalanadi, NUMA tugunlari orasidagi xotira kirish kechikishi mahalliy kirishdan 2-3 baravar yuqori. Bitroot rejalashtiruvchisi tizimning NUMA topologiyasini aniqlaydi, ishchi iplarni ma’lum NUMA tuguniga bog‘laydi va mahalliy xotiraga kiradigan vazifalarni ustuvor taqsimlaydi. Shu bilan birga, akkaunt manzili xeshiga ko‘ra holatni turli NUMA tugunlariga bo‘lib, ma’lum akkauntga kiradigan tranzaksiyalarni mos tugunda bajarishga ustuvorlik beradi. NUMA xabardor rejalashtirish xotira kirish kechikishini 35% ga kamaytirdi va o‘tkazuvchanlikni 18% ga oshirdi.

Dinamik parallel darajani sozlash turli ish yuklariga moslashadi. Parallel daraja qanchalik yuqori bo‘lsa, shuncha yaxshi emas —

Juda yuqori parallel daraja qulf uchun raqobatni kuchaytiradi va aksincha unumdorlikni pasaytiradi. Bitroot CPU’dan foydalanish, xotira kengligi, qulf raqobati chastotasi kabi ko‘rsatkichlarni real vaqtda kuzatadi va parallel bajarish iplar sonini dinamik sozlaydi. CPU’dan foydalanish past va qulf raqobati jiddiy bo‘lmasa, parallel daraja oshiriladi; qulf raqobati tez-tez yuz bersa, parallel daraja kamaytiriladi. Bu moslashuvchan mexanizm tizimga turli ish yuklarida avtomatik unumdorlikni optimallashtirish imkonini beradi.

3.4 Unumdorlik yutug‘i: Nazariyadan amaliyotga tasdiq Standart test muhitida optimistik parallel EVM sezilarli unumdorlik yutug‘ini namoyon etdi:

Sodda transfer ssenariysi: 16 ip konfiguratsiyasida 1,200 TPS’dan 8,700 TPS’gacha, 7.25 baravar tezlashtirish, to‘qnashuv darajasi 1% dan past.

Murakkab kontrakt ssenariysi: DeFi kontraktlarida to‘qnashuv darajasi 5-10%, 16 ipda ham 5,800 TPS, ketma-ket bajarishda 800 TPS bilan solishtirganda 7.25 baravar oshish.

AI hisoblash ssenariysi: To‘qnashuv darajasi 0.1% dan past, 16 ipda 600 TPS’dan 7,200 TPS’gacha, 12 baravar tezlashtirish.

Kechikish tahlili: Boshidan oxirigacha o‘rtacha kechikish 1.2 soniya, shundan parallel bajarish 600 millisekund (50%), holat birlashtirish 200 millisekund (16.7%), tarmoq tarqalishi 250 millisekund (20.8%).

IV. Holat sharding: Gorizontal kengaytirishning yakuniy yechimi

4.1 Holat sharding arxitekturasi dizayni

Holat sharding Bitroot’ning gorizontal kengaytirish uchun asosiy texnologiyasi bo‘lib, blokcheyn holatini bir nechta shardlarga bo‘lib, parallel qayta ishlash va saqlashga erishadi.

Sharding strategiyasi: Bitroot akkaunt manzili xeshiga asoslangan sharding strategiyasidan foydalanadi va akkaunt holatini turli shardlarga taqsimlaydi. Har bir shard mustaqil holat daraxtini yuritadi va shardlararo aloqa protokoli orqali o‘zaro muloqot qiladi.

Sharding koordinatsiyasi: Shardlararo tranzaksiya marshrutlash va holat sinxronizatsiyasini boshqarish uchun sharding koordinatori ishlatiladi. Koordinator shardlararo tranzaksiyani bir nechta kichik tranzaksiyalarga ajratadi va shardlararo izchillikni ta’minlaydi.

Holat sinxronizatsiyasi: Shardlararo holatni samarali sinxronlashtirish mexanizmi amalga oshirilgan, inkremental sinxronizatsiya va checkpoint texnologiyasi orqali sinxronizatsiya xarajatlari kamaytiriladi.

4.2 Shardlararo tranzaksiyalarni qayta ishlash

Tranzaksiya marshrutlash: Aqlli marshrutlash algoritmi tranzaksiyani mos shardga yo‘naltiradi va shardlararo aloqa xarajatlarini kamaytiradi.

Atomiklik kafolati: Ikki bosqichli commit protokoli orqali shardlararo tranzaksiyalarning atomikligi kafolatlanadi — yoki hammasi muvaffaqiyatli, yoki hammasi muvaffaqiyatsiz.

To‘qnashuv aniqlash: Shardlararo to‘qnashuv aniqlash mexanizmi amalga oshirilgan va shardlararo holat izchilligi kafolatlanadi.

V. Unumdorlik taqqoslash va kengayuvchanlikni tekshirish

5.1 Ommabop blokcheynlar bilan taqqoslash

Tasdiqlash vaqti: Bitroot’ning 400 millisekundlik yakuniy tasdiqlashi Solana bilan teng, Ethereum’ning 12 soniyasi va Arbitrum’ning 2-3 soniyasidan ancha tez, real va yuqori chastotali tranzaksiyalarni qo‘llab-quvvatlaydi.

O‘tkazuvchanlik: Yakuniy test natijasi 25,600 TPS, Pipeline BFT va holat sharding texnologiyasi orqali yuqori unumdorlik, EVM mosligi sharoitida a’lo natija.

Xarajat ustunligi: Gas to‘lovi Ethereum’ning 1/10 dan 1/50 gacha, Layer 2 yechimlari bilan teng, ilova iqtisodiy samaradorligini sezilarli oshiradi.

Ekotizim mosligi: To‘liq EVM mosligi Ethereum ekotizimining nol xarajatli migratsiyasini kafolatlaydi, ishlab chiquvchilar yuqori unumdorlikdan muammosiz foydalanishi mumkin.

5.2 Kengayuvchanlik test natijalari

Yakuniy test natijasi: 25,600 TPS, 1.2 soniya kechikish, 85% resursdan foydalanish, Pipeline BFT va holat sharding texnologiyasining samaradorligi tasdiqlandi.

Unumdorlik taqqoslash: An’anaviy BFT’ning bir xil hajmdagi 500 TPS natijasiga nisbatan Bitroot 51 baravar yuqori natijaga erishdi va texnologik innovatsiyaning aniq ustunligini isbotladi.

VI. Ilova ssenariylari va texnologik istiqbollar

6.1 Asosiy ilova ssenariylari

DeFi protokollarini optimallashtirish: Parallel bajarish va tez tasdiqlash orqali yuqori chastotali savdo va arbitraj strategiyalarini qo‘llab-quvvatlaydi, Gas to‘lovi 90% dan ortiq kamayadi va DeFi ekotizimi rivojlanishini rag‘batlantiradi.

NFT bozori va o‘yinlar: Yuqori o‘tkazuvchanlik katta hajmdagi NFT ommaviy zarb qilishni qo‘llab-quvvatlaydi, past kechikish tasdiqlash an’anaviy o‘yinlarga yaqin foydalanuvchi tajribasini ta’minlaydi va NFT aktivlarining likvidligini oshiradi.

Korporativ ilovalar: Ta’minot zanjiri shaffof boshqaruvi, raqamli identifikatsiya, ma’lumotlarni tasdiqlash va savdo, korporatsiyalarning raqamli transformatsiyasi uchun blokcheyn infratuzilmasini ta’minlaydi.

6.2 Texnologik muammolar va rivojlanish

Joriy muammolar: Holat shishishi muammosi saqlash mexanizmini doimiy optimallashtirishni talab qiladi; shardlararo aloqa murakkabligi yanada takomillashtirilishi kerak; parallel bajarish muhitida xavfsizlik doimiy auditni talab qiladi.

Kelajak yo‘nalishlari: Mashina o‘rganish orqali tizim parametrlarini optimallashtirish; apparat tezlatkichlarni TPU, FPGA va boshqa maxsus chiplar bilan integratsiya qilish; kross-zanjir o‘zaro ishlash orqali yagona xizmat ekotizimini qurish.

6.3 Texnologik qiymat xulosasi

Asosiy yutuqlar: Pipeline BFT 400 millisekundlik tasdiqlashga erishdi, bu an’anaviy BFT’dan 30 baravar tez; optimistik parallel EVM 7.25 baravar unumdorlik oshishini ta’minladi; holat sharding chiziqli kengaytirishni qo‘llab-quvvatlaydi.

Amaliy qiymat: To‘liq EVM mosligi nol xarajatli migratsiyani kafolatlaydi; 25,600 TPS o‘tkazuvchanlik va 90% xarajat kamayishi benchmark testlari orqali tasdiqlandi; to‘liq yuqori unumdorlikka ega blokcheyn ekotizimi qurildi.

Standartga hissa: Sanoat texnologik standartlarini rivojlantirishga turtki berdi; ochiq manbali texnologik ekotizim yaratildi; nazariy tadqiqotlarni muhandislik amaliyotiga aylantirdi va yuqori unumdorlikka ega blokcheynning keng ko‘lamli qo‘llanilishi uchun amaliy yo‘l taqdim etdi.

Xulosa: Yuqori unumdorlikka ega blokcheynning yangi davrini ochish

Bitroot’ning muvaffaqiyati nafaqat texnologik innovatsiyada, balki innovatsiyani amaliy muhandislik yechimiga aylantirishda ham namoyon bo‘ldi. Pipeline BFT, optimistik parallel EVM va holat sharding kabi uch asosiy texnologik yutuq orqali Bitroot yuqori unumdorlikka ega blokcheyn tizimi uchun to‘liq texnologik yo‘l xaritasini taqdim etdi.

Ushbu texnologik yechimda biz unumdorlik va markazsizlashtirish muvozanatini, moslik va innovatsiya birligini, xavfsizlik va samaradorlik muvozanatini ko‘rdik. Bu texnologik muvozanat donoligi nafaqat tizim dizaynida, balki muhandislik amaliyotining har bir tafsilotida ham aks etgan.

Eng muhimi, Bitroot blokcheyn texnologiyasining ommalashuvi uchun texnologik asos yaratdi. Yuqori unumdorlikka ega blokcheyn infratuzilmasi orqali har kim murakkab markazsizlashtirilgan ilovalar yaratishi va blokcheyn texnologiyasining qiymatidan bahramand bo‘lishi mumkin. Bunday ommaviy blokcheyn ekotizimi blokcheyn texnologiyasini tajriba bosqichidan keng ko‘lamli amaliyotga olib chiqadi va global foydalanuvchilarga samarali, xavfsiz va ishonchli blokcheyn xizmatlarini taqdim etadi.

Blokcheyn texnologiyasi tez rivojlanib, ilova ssenariylari kengayib borar ekan, Bitroot’ning texnologik yechimi yuqori unumdorlikka ega blokcheyn rivojlanishi uchun muhim texnologik manba va amaliy yo‘l bo‘lib xizmat qiladi. Ishonch bilan aytish mumkinki, yaqin kelajakda yuqori unumdorlikka ega blokcheyn raqamli iqtisodiyotning muhim infratuzilmasiga aylanadi va insoniyat jamiyatining raqamli transformatsiyasi uchun kuchli texnologik tayanch bo‘ladi.

Ushbu maqola muallif tomonidan yuborilgan bo‘lib, BlockBeats nuqtai nazarini aks ettirmaydi.