Глибокий аналіз технології паралелізації EVM від Bitroot: проектування та реалізація високопродуктивної архітектури блокчейну

Оригінал: Bitroot

Вступ: Технологічний прорив у подоланні обмежень продуктивності блокчейну

За понад десятирічну історію розвитку блокчейн-технологій, обмеження продуктивності залишаються ключовою перешкодою для їх масового впровадження. Ethereum здатний обробляти лише 15 транзакцій на секунду, а час підтвердження сягає 12 секунд — такі показники явно не відповідають зростаючим вимогам сучасних застосунків. Послідовний режим виконання та обмежені обчислювальні можливості традиційних блокчейнів суттєво знижують пропускну здатність системи. Bitroot був створений саме для вирішення цієї проблеми. Завдяки чотирьом технологічним інноваціям — консенсусу Pipeline BFT, оптимістичній паралелізації EVM, шардінгу стану та агрегації підписів BLS — Bitroot досяг фінального підтвердження за 400 мілісекунд і 25 600 TPS, надаючи інженерне рішення для масштабного впровадження блокчейн-технологій. У цій статті системно викладено концепцію архітектури Bitroot, алгоритмічні інновації та інженерний досвід, формуючи повну технічну дорожню карту для високопродуктивних блокчейн-систем.

1. Технічна архітектура: Інженерна філософія багаторівневого дизайну

1.1 П’ятирівнева архітектурна система

Bitroot використовує класичну багаторівневу архітектурну парадигму, послідовно вибудовуючи п’ять чітко визначених функціональних рівнів. Такий підхід забезпечує гарну модульну декомпозицію, а також закладає міцний фундамент для масштабованості та підтримуваності системи.

Рівень зберігання є основою всієї системи, відповідаючи за збереження стану. Він використовує вдосконалену структуру Merkle Patricia Trie для керування деревом стану, підтримує інкрементальні оновлення та швидке генерування доказів стану. Для вирішення проблеми роздування стану, притаманної блокчейнам, Bitroot впроваджує розподілену систему зберігання, де великі дані шардовано зберігаються у мережі, а на ланцюгу зберігаються лише хеш-посилання. Це суттєво знижує навантаження на вузли, дозволяючи навіть звичайному обладнанню брати участь у валідації мережі.

Мережевий рівень формує надійну інфраструктуру peer-to-peer комунікацій. Для виявлення вузлів використовується розподілена хеш-таблиця Kademlia, а для розповсюдження повідомлень — протокол GossipSub, що забезпечує ефективне поширення інформації у мережі. Особливо слід відзначити оптимізацію механізму передачі великих пакетів даних, що підтримує шардовану передачу та відновлення з місця зупинки, значно підвищуючи ефективність синхронізації даних.

Рівень консенсусу — це серце продуктивності Bitroot. Завдяки інтеграції консенсусу Pipeline BFT та технології агрегації підписів BLS, досягнуто конвеєрної обробки консенсусу. На відміну від традиційних блокчейнів, де консенсус і виконання тісно пов’язані, Bitroot повністю їх розділяє: модуль консенсусу зосереджений на швидкому визначенні порядку транзакцій, а модуль виконання паралельно обробляє логіку транзакцій у фоновому режимі. Це дозволяє консенсусу рухатися вперед без очікування завершення виконання, значно підвищуючи пропускну здатність системи.

Рівень протоколу — це квінтесенція технологічних інновацій Bitroot. Він не лише забезпечує повну сумісність з EVM, дозволяючи безшовну міграцію смарт-контрактів з екосистеми Ethereum, а й впроваджує паралельний рушій виконання, який завдяки триетапному механізму виявлення конфліктів долає обмеження однопотокового виконання EVM і повністю розкриває потенціал багатоядерних процесорів.

Рівень застосунків надає розробникам багатий набір інструментів і SDK, знижуючи поріг входу для створення блокчейн-застосунків. Незалежно від того, чи це DeFi-протоколи, NFT-маркети чи DAO-системи управління, розробники можуть швидко створювати застосунки через стандартизовані інтерфейси, не заглиблюючись у технічні деталі низького рівня.

graph TB subgraph "Bitroot五层架构体系" A[Рівень застосунків<br/>DeFi-протоколи, NFT-маркети, DAO-управління<br/>Інструментарій, SDK] B[Рівень протоколу<br/>Сумісність з EVM, паралельний рушій виконання<br/>Триетапне виявлення конфліктів] C[Рівень консенсусу<br/>Pipeline BFT<br/>Агрегація підписів BLS] D[Мережевий рівень<br/>Kademlia DHT<br/>Протокол GossipSub] E[Рівень зберігання<br/>Merkle Patricia Trie<br/>Розподілене зберігання] 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 Концепція дизайну: Пошук оптимального балансу в архітектурі

Під час проектування команда Bitroot зіткнулася з численними технічними компромісами, кожне рішення суттєво впливало на фінальний вигляд системи.

Баланс між продуктивністю та децентралізацією — вічна тема у дизайні блокчейнів. Традиційні публічні ланцюги, прагнучи максимальної децентралізації, часто жертвують продуктивністю; високопродуктивні консорціумні ланцюги натомість централізовані. Bitroot знаходить витончену рівновагу завдяки моделі подвійного пулу стейкінгу: пул валідаторів відповідає за консенсус і безпеку мережі, забезпечуючи децентралізацію основних механізмів; пул обчислювачів зосереджений на виконанні обчислювальних завдань і може працювати на вузлах з вищою продуктивністю. Між двома пулами можливе динамічне перемикання, що гарантує безпеку, децентралізацію та максимальне використання потужних вузлів.

Вибір між сумісністю та інноваціями також вимагає дизайнерської мудрості. Повна сумісність з EVM означає безшовну інтеграцію з екосистемою Ethereum, але водночас накладає обмеження EVM. Bitroot обирає поступовий шлях інновацій — зберігаючи повну сумісність з основним набором інструкцій EVM для безкоштовної міграції існуючих смарт-контрактів, а також розширюючи інструкції для впровадження нових можливостей і резервування простору для майбутнього розвитку. Це знижує вартість міграції екосистеми та відкриває двері для технологічних інновацій.

Координація безпеки та ефективності особливо важлива у паралельному виконанні. Хоча паралелізація значно підвищує продуктивність, вона також створює нові виклики — конфлікти доступу до стану, умови гонки тощо. Bitroot впроваджує триетапний механізм виявлення конфліктів, здійснюючи перевірки до, під час і після виконання, щоб навіть у високопаралельному середовищі зберігати узгодженість і безпеку стану. Такий багаторівневий захист дозволяє Bitroot досягати максимальної продуктивності без компромісів щодо безпеки.

2. Pipeline BFT консенсус: Прорив обмежень послідовності

2.1 Проблеми продуктивності традиційного BFT

Механізм консенсусу з візантійською відмовостійкістю (BFT), запропонований Лемпортом та іншими у 1982 році, став теоретичною основою для відмовостійких розподілених систем. Однак класична архітектура BFT, забезпечуючи безпеку та узгодженість, має три фундаментальні обмеження продуктивності.

Послідовна обробка — головне вузьке місце. Традиційний BFT вимагає, щоб кожен блок чекав повного підтвердження попереднього, перш ніж розпочати новий консенсус. Наприклад, у Tendermint консенсус складається з трьох фаз: Propose (пропозиція), Prevote (попереднє голосування), Precommit (попереднє підтвердження), кожна з яких вимагає голосування понад двох третин валідаторів, а висота блоку просувається суворо послідовно. Навіть з високопродуктивним обладнанням і достатньою пропускною здатністю мережі, прискорити консенсус неможливо. Ethereum PoS потребує 12 секунд на підтвердження, Solana завдяки PoH скорочує час генерації блоку до 400 мілісекунд, але фінальне підтвердження займає 2-3 секунди. Така послідовність фундаментально обмежує можливості підвищення ефективності консенсусу.

Складність комунікацій зростає квадратично зі збільшенням кількості вузлів. У мережі з n валідаторами кожен раунд консенсусу потребує O(n²) повідомлень — кожен вузол надсилає повідомлення всім іншим і отримує від усіх. Для мережі зі 100 вузлами це майже 10 тисяч повідомлень за раунд. Ще гірше, кожен вузол має перевірити O(n) підписів, і витрати на перевірку зростають лінійно з кількістю вузлів. У великих мережах більшість часу витрачається на обробку повідомлень і перевірку підписів, а не на обчислення стану.

Низьке використання ресурсів заважає оптимізації продуктивності. Сучасні сервери мають багатоядерні CPU та високу пропускну здатність мережі, але дизайн традиційного BFT походить із епохи однопроцесорних систем 1980-х. Під час очікування мережевих повідомлень CPU простоює; під час інтенсивної перевірки підписів мережа не використовується повністю. Така нерівномірність використання ресурсів призводить до субоптимальної продуктивності — навіть з кращим обладнанням приріст мінімальний.

2.2 Конвеєризація: Мистецтво паралельної обробки

Головна інновація Pipeline BFT полягає у конвеєризації процесу консенсусу, що дозволяє блокам різної висоти проходити консенсус паралельно. Ця ідея натхненна конвеєрною обробкою інструкцій у сучасних процесорах — коли одна інструкція виконується, наступна декодується, а ще одна вже вибирається.

Чотириетапний паралельний механізм — основа Pipeline BFT.

Процес консенсусу розділено на чотири незалежні етапи: Propose (пропозиція), Prevote (попереднє голосування), Precommit (попереднє підтвердження), Commit (підтвердження). Ключова інновація — ці етапи можуть перекриватися: коли блок N-1 у фазі Commit, блок N — у Precommit, блок N+1 — у Prevote, а блок N+2 вже може починати Propose. Це забезпечує безперервну роботу конвеєра, коли кілька блоків одночасно перебувають на різних етапах.

На етапі Propose лідер пропонує новий блок із переліком транзакцій, хешем блоку та посиланням на попередній блок. Для справедливості та уникнення єдиної точки відмови лідер обирається за допомогою верифікованої випадкової функції (VRF), яка базується на хеші попереднього блоку, що унеможливлює передбачення чи маніпуляцію вибором лідера.

Етап Prevote — це попереднє схвалення блоку валідаторами. Вузли перевіряють легітимність блоку — дійсність підписів, правильність зміни стану, відповідність хешу. Після перевірки вузли транслюють повідомлення про попереднє голосування з хешем блоку та своїм підписом. Це свого роду опитування, що визначає, чи достатньо вузлів підтримують блок.

Етап Precommit вводить сильнішу семантику зобов’язання. Після отримання понад двох третин попередніх голосів вузол впевнений у підтримці блоку більшістю і транслює повідомлення про попереднє підтвердження. Це означає зобов’язання — після надсилання Precommit вузол не може голосувати за інший блок на цій висоті. Такий механізм унеможливлює подвійне голосування та гарантує безпеку консенсусу.

Етап Commit — фінальне підтвердження. Після отримання понад двох третин Precommit вузол впевнений у досягненні консенсусу і записує блок у локальний стан. Блок вважається остаточно підтвердженим і не може бути відкочений навіть у разі розділення мережі чи збоїв вузлів.

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

Протокол реплікації стану гарантує узгодженість розподіленої системи. Кожен валідатор незалежно підтримує стан консенсусу — поточну висоту, раунд і етап. Вузли синхронізують стан через обмін повідомленнями: отримавши повідомлення з більшою висотою, вузол розуміє, що відстає, і прискорює обробку; отримавши повідомлення з іншим раундом на тій же висоті, визначає необхідність переходу до нового раунду.

Правила переходу стану ретельно спроектовані для забезпечення безпеки та життєздатності системи: після отримання дійсної пропозиції на висоті H вузол переходить до Prevote; після збирання достатньої кількості Prevote — до Precommit; після достатньої кількості Precommit — блокується і переходить до H+1. Якщо протягом тайм-ауту не відбувається перехід, вузол збільшує раунд і починає заново. Такий тайм-аут запобігає вічній зупинці системи у разі аномалій.

Інтелектуальне планування повідомлень гарантує правильність обробки. Pipeline BFT використовує чергу повідомлень з пріоритетом за висотою блоку (HMPT), де пріоритет визначається висотою, раундом і етапом. Повідомлення з більшою висотою мають вищий пріоритет, забезпечуючи просування консенсусу; у межах однієї висоти пріоритет визначають раунд і етап, що запобігає впливу застарілих повідомлень.

Стратегія обробки повідомлень також ретельно продумана: повідомлення з майбутнього (вища висота) кешуються у черзі до синхронізації вузла; повідомлення поточної висоти обробляються негайно; сильно застарілі повідомлення (набагато менша висота) відкидаються для уникнення витоку пам’яті та марних обчислень.

2.3 Агрегація підписів BLS: Криптографічний прорив

У традиційній схемі підпису ECDSA перевірка n підписів вимагає O(n) часу та пам’яті. У мережі зі 100 валідаторами кожен консенсус потребує перевірки 100 підписів, що займає близько 6,4 КБ. Зі зростанням мережі перевірка та передача підписів стають серйозним вузьким місцем.

Технологія агрегації підписів BLS забезпечує криптографічний прорив. На основі кривої BLS12-381 Bitroot реалізує справжню O(1) перевірку підписів — незалежно від кількості валідаторів, розмір агрегованого підпису завжди 96 байт, а перевірка потребує лише одного pairing-обчислення.

Крива BLS12-381 забезпечує 128-бітний рівень безпеки для довгострокових потреб. Вона визначає дві групи G1 і G2 та цільову групу GT. G1 використовується для зберігання публічних ключів (48 байт), G2 — для підписів (96 байт). Така асиметрія оптимізує продуктивність перевірки — обчислення G1 дешевше, тому публічні ключі зберігаються саме там.

Математична основа агрегації підписів — білінійність pairing-функції. Кожен валідатор підписує повідомлення своїм приватним ключем, отримуючи точку у G2. Зібравши кілька підписів, їх підсумовують груповою операцією, отримуючи агрегований підпис — дійсну точку у G2 фіксованого розміру. Для перевірки достатньо одного pairing-обчислення між агрегованим підписом і агрегованим публічним ключем.

Схема порогових підписів додатково підвищує безпеку та відмовостійкість. Використовуючи секретне розділення Shamir, приватний ключ ділиться на n частин, для відновлення потрібно щонайменше t частин. Це означає, що навіть якщо t-1 вузлів скомпрометовано, атакуючий не отримає повного ключа; система працює, якщо онлайн t чесних вузлів.

Реалізація секретного розділення базується на інтерполяції багаточленів. Генерується багаточлен ступеня t-1 з приватним ключем як вільним членом, інші коефіцієнти випадкові. Кожен учасник отримує значення багаточлена у певній точці як свою частку. Будь-які t часток дозволяють відновити багаточлен і ключ; менше t — не дають жодної інформації про ключ.

Під час консенсусу валідатори підписують повідомлення своїми частками, отримуючи часткові підписи. Зібравши t часткових підписів, їх агрегують з вагами Лагранжа, отримуючи повний підпис. Це забезпечує O(1) складність перевірки — достатньо перевірити лише агрегований підпис.

2.4 Розділення консенсусу та виконання: Сила декомпозиції

Традиційні блокчейни тісно пов’язують консенсус і виконання, що призводить до взаємних обмежень: консенсус чекає завершення виконання, а виконання — обмежене послідовністю консенсусу. Bitroot розділяє ці процеси, долаючи вузьке місце.

Асинхронна архітектура — основа розділення. Модуль консенсусу визначає порядок транзакцій і швидко досягає згоди; модуль виконання паралельно обробляє логіку транзакцій і змінює стан. Вони взаємодіють через асинхронні черги повідомлень — результати консенсусу передаються у виконання, а результати виконання — назад у консенсус. Це дозволяє консенсусу рухатися вперед без очікування завершення виконання.

Ізоляція ресурсів додатково оптимізує продуктивність. Модулі консенсусу та виконання мають окремі пули ресурсів, уникаючи конкуренції. Консенсус отримує швидкі мережеві інтерфейси та виділені CPU-ядра для обробки мережі; виконання — багато пам’яті та багатоядерні процесори для обчислень. Така спеціалізація дозволяє кожному модулю максимально використовувати апаратні ресурси.

Механізм пакетної обробки підсилює ефект конвеєра. Лідер об’єднує кілька пропозицій блоків у пакет і проводить консенсус для всього пакета. Завдяки цьому витрати на консенсус розподіляються на k блоків, а середня затримка підтвердження знижується. Агрегація підписів BLS ідеально поєднується з пакетною обробкою — незалежно від кількості блоків у пакеті, розмір підпису фіксований, а час перевірки майже сталий.

2.5 Продуктивність: Від теорії до практики

У стандартизованому тестовому середовищі (AWS c5.2xlarge) Pipeline BFT демонструє видатну продуктивність:

Затримка: у мережі з 5 вузлами середня затримка 300 мс, у мережі з 21 вузлом — лише 400 мс, затримка зростає повільно з розширенням мережі, що підтверджує гарну масштабованість.

Пропускна здатність: фінальний результат — 25 600 TPS, досягнуто завдяки Pipeline BFT і шардінгу стану.

Покращення: у порівнянні з традиційним BFT затримка знижена на 60% (1 с → 400 мс), пропускна здатність зросла у 8 разів (3 200 → 25 600 TPS), складність комунікацій оптимізована з O(n²) до O(n²/D).

3. Оптимістична паралелізація EVM: Розкриття потенціалу багатоядерних процесорів

3.1 Історична спадщина послідовності EVM

Ethereum Virtual Machine (EVM) спочатку була спроєктована з глобальним деревом стану — всі акаунти та стани контрактів зберігаються у єдиному дереві, а всі транзакції виконуються строго послідовно. Це було прийнятно на ранніх етапах, але з появою складних застосунків (DeFi, NFT) послідовне виконання стало вузьким місцем.

Конфлікти доступу до стану — основна причина послідовності. Навіть якщо дві транзакції не пов’язані (наприклад, Alice → Bob, Charlie → David), вони виконуються послідовно, бо EVM не може наперед визначити, які стани буде змінено. Динамічні залежності ускладнюють ситуацію: смарт-контракти можуть динамічно визначати адреси для доступу, а проксі-контракт може викликати різні цільові контракти залежно від вхідних параметрів. Це унеможливлює статичний аналіз і безпечну паралелізацію.

Висока вартість відкату ускладнює оптимістичну паралелізацію. Якщо після паралельного виконання виявлено конфлікт, потрібно відкочувати всі зачеплені транзакції. У найгіршому випадку — весь пакет, що марнує ресурси та погіршує користувацький досвід. Ключовий виклик — мінімізувати обсяг і частоту відкатів без шкоди для безпеки.

3.2 Триетапне виявлення конфліктів: Баланс безпеки та ефективності

Bitroot впроваджує триетапний механізм виявлення конфліктів, що максимізує ефективність паралельного виконання без шкоди для безпеки. Три етапи — до виконання, під час виконання та після виконання — формують багаторівневий захист.

Перший етап: попередній відбір через статичний аналіз знижує ймовірність конфліктів. Аналізатор залежностей розбирає байткод транзакцій, визначаючи можливі стани для доступу. Для стандартних ERC-20 переказів можна точно визначити адреси відправника й отримувача; для складних DeFi-контрактів — хоча б основні патерни доступу.

Вдосконалений лічильниковий блум-фільтр (CBF) забезпечує швидкий відбір. На відміну від класичного блум-фільтра, CBF підтримує динамічне додавання та видалення елементів. Він займає лише 128 КБ пам’яті, використовує 4 незалежні хеш-функції, а ймовірність хибнопозитивних спрацьовувань нижча за 0,1%. CBF дозволяє швидко визначити, чи можуть дві транзакції конфліктувати за станом.

Інтелектуальна стратегія групування організовує транзакції у пакети для паралельного виконання. Транзакції моделюються як вузли графа, а можливі конфлікти — як ребра. Жадібний алгоритм розфарбовування дозволяє групувати транзакції одного кольору для безпечного паралельного виконання, максимізуючи паралелізм без втрати коректності.

Другий етап: моніторинг під час виконання забезпечує динамічне виявлення конфліктів. Навіть після попереднього відбору транзакція може звернутися до неочікуваного стану, тому потрібна перевірка під час виконання.

Механізм дрібнозернистих блокувань забезпечує контроль конкурентності. Bitroot використовує блокування за адресою та слотом зберігання, а не грубі контрактні блокування. Читання можна виконувати паралельно, а запис — лише один потік, блокуючи читання. Це максимізує паралелізм без шкоди для безпеки.

Версіонування стану реалізує оптимістичний контроль конкурентності. Для кожної змінної стану ведеться версія; транзакція фіксує версію при читанні, а після виконання перевіряє її незмінність. Якщо версія змінилася — конфлікт, потрібен відкат. Такий підхід запозичено з багатоверсійного контролю у базах даних (MVCC).

Динамічна обробка конфліктів використовує точковий відкат. При виявленні конфлікту відкочується лише безпосередньо конфліктна транзакція, а не весь пакет. Завдяки точному аналізу залежностей визначаються транзакції, що залежать від відкотів, і мінімізується обсяг відкату. Відкочені транзакції повертаються у чергу для повторного виконання.

Третій етап: перевірка після виконання гарантує узгодженість фінального стану. Після виконання всіх транзакцій система проводить глобальну перевірку — обчислює кореневий хеш Merkle-дерева змін стану та порівнює з очікуваним, а також перевіряє узгодженість версій усіх змін стану.

Злиття стану використовує двофазний commit-протокол для гарантії атомарності. На етапі підготовки всі рушії виконання повідомляють результати, але не комітять; на етапі commit координатор перевіряє узгодженість і комітить глобально. У разі невдачі — глобальний відкат. Це запозичено з класичних розподілених транзакцій і гарантує надійність системи.

lowchart TD A[Вхідний пакет транзакцій] --> B[Перший етап: попередній відбір] B --> C{Статичний аналіз<br/>CBF виявлення конфліктів} C -->|Без конфлікту| D[Інтелектуальне групування<br/>Жадібний алгоритм розфарбовування] C -->|Можливий конфлікт| E[Консервативне групування<br/>Послідовне виконання] D --> F[Другий етап: моніторинг під час виконання] E --> F F --> G[Дрібнозернисті блокування<br/>Версіонування стану] G --> H{Виявлено конфлікт?} lowchart TD A[Вхідний пакет транзакцій] --> B[Перший етап: попередній відбір] B --> C{Статичний аналіз<br/>CBF виявлення конфліктів} C -->|Без конфлікту| D[Інтелектуальне групування<br/>Жадібний алгоритм розфарбовування] C -->|Можливий конфлікт| E[Консервативне групування<br/>Послідовне виконання] D --> F[Другий етап: моніторинг під час виконання] E --> F F --> G[Дрібнозернисті блокування<br/>Версіонування стану] G --> H{Виявлено конфлікт?}

3.3 Оптимізація планування: Щоб кожне ядро працювало ефективно

Ефективність паралельного виконання залежить не лише від рівня паралелізму, а й від балансування навантаження та використання ресурсів. Bitroot впроваджує низку оптимізацій планування, щоб кожне ядро CPU працювало з максимальною ефективністю.

Алгоритм крадіжки роботи вирішує проблему нерівномірного навантаження. Кожен робочий потік має власну двосторонню чергу, з якої бере завдання. Якщо черга порожня, потік випадково вибирає зайнятий потік і "краде" завдання з його черги. Це забезпечує динамічний баланс навантаження, уникаючи простою одних потоків і перевантаження інших. Тести показують, що крадіжка роботи підвищує використання CPU з 68% до 90%, а пропускна здатність — на 22%.

NUMA-орієнтоване планування оптимізує доступ до пам’яті. Сучасні сервери використовують архітектуру неуніфікованого доступу до пам’яті (NUMA), де доступ до локальної пам’яті у 2-3 рази швидший за доступ до віддаленої. Планувальник Bitroot визначає топологію NUMA, закріплює потоки за вузлами NUMA і розподіляє завдання з урахуванням локальності пам’яті. Стан акаунтів розподіляється між вузлами NUMA за хешем адреси, а транзакції, що звертаються до певного акаунта, виконуються на відповідному вузлі. Це знижує затримку доступу до пам’яті на 35% і підвищує пропускну здатність на 18%.

Динамічне регулювання паралелізму адаптується до різних навантажень. Надмірний паралелізм призводить до зростання конкуренції за блокування і зниження продуктивності. Bitroot у реальному часі моніторить використання CPU, пропускну здатність пам’яті, частоту блокувань тощо і динамічно регулює кількість потоків. При низькому завантаженні та малій конкуренції паралелізм збільшується; при частих блокуваннях — зменшується. Така адаптивність дозволяє системі автоматично оптимізувати продуктивність під різні навантаження.

3.4 Прорив у продуктивності: Від теорії до практики

У стандартизованому тестовому середовищі оптимістична паралелізація EVM демонструє значне зростання продуктивності:

Прості перекази: при 16 потоках — з 1 200 TPS до 8 700 TPS (прискорення у 7,25 рази), рівень конфліктів менше 1%.

Складні контракти: для DeFi-контрактів рівень конфліктів 5-10%, при 16 потоках — 5 800 TPS (у 7,25 рази більше за послідовне виконання — 800 TPS).

AI-обчислення: рівень конфліктів менше 0,1%, при 16 потоках — з 600 TPS до 7 200 TPS (прискорення у 12 разів).

Аналіз затримки: середня затримка end-to-end — 1,2 с, з них паралельне виконання — 600 мс (50%), злиття стану — 200 мс (16,7%), розповсюдження мережею — 250 мс (20,8%).

4. Шардінг стану: Остаточне рішення для горизонтального масштабування

4.1 Архітектура шардінгу стану

Шардінг стану — ключова технологія горизонтального масштабування Bitroot, що дозволяє розділити стан блокчейну на кілька шард, забезпечуючи паралельну обробку та зберігання.

Стратегія шардінгу: Bitroot використовує шардінг за хешем адреси акаунта, розподіляючи стани акаунтів між шарами. Кожен шард підтримує власне дерево стану, а міжшардова взаємодія реалізується через спеціальний протокол.

Координація шардів: координатор керує маршрутизацією транзакцій і синхронізацією стану між шарами. Він розбиває міжшардові транзакції на підзадачі та забезпечує узгодженість між шарами.

Синхронізація стану: ефективний механізм міжшардової синхронізації використовує інкрементальну синхронізацію та чекпойнти для зниження витрат.

4.2 Обробка міжшардових транзакцій

Маршрутизація транзакцій: інтелектуальний алгоритм маршрутизує транзакції у відповідний шард, знижуючи витрати на міжшардову комунікацію.

Гарантія атомарності: двофазний commit-протокол забезпечує атомарність міжшардових транзакцій — або всі успішні, або всі відхилені.

Виявлення конфліктів: реалізовано механізм виявлення міжшардових конфліктів для запобігання неузгодженості стану між шарами.

5. Порівняння продуктивності та перевірка масштабованості

5.1 Порівняння з провідними блокчейнами

Час підтвердження: фінальне підтвердження Bitroot за 400 мс відповідає Solana, значно швидше за Ethereum (12 с) та Arbitrum (2-3 с), підтримує реальний час і високочастотні транзакції.

Пропускна здатність: фінальний результат — 25 600 TPS, досягнуто завдяки Pipeline BFT і шардінгу стану, зберігаючи сумісність з EVM.

Вартість: Gas-витрати у 10-50 разів нижчі за Ethereum, на рівні Layer 2, що значно підвищує економічну ефективність застосунків.

Сумісність екосистеми: повна сумісність з EVM забезпечує безкоштовну міграцію екосистеми Ethereum, розробники отримують високопродуктивну платформу без додаткових витрат.

5.2 Результати тестування масштабованості

Фінальний результат: 25 600 TPS, затримка 1,2 с, використання ресурсів 85% — підтверджує ефективність Pipeline BFT і шардінгу стану.

Порівняння продуктивності: у порівнянні з традиційним BFT (500 TPS на аналогічному масштабі) Bitroot забезпечує 51-кратне зростання продуктивності, що доводить переваги технологічних інновацій.

6. Сценарії застосування та технологічні перспективи

6.1 Основні сценарії застосування

Оптимізація DeFi-протоколів: паралельне виконання та швидке підтвердження підтримують високочастотні транзакції та арбітраж, Gas-витрати знижуються на 90%+, сприяючи розвитку DeFi-екосистеми.

NFT-маркети та ігри: висока пропускна здатність дозволяє масове карбування NFT, низька затримка забезпечує користувацький досвід, близький до традиційних ігор, сприяючи ліквідності NFT-активів.

Корпоративні застосунки: прозоре управління ланцюгами постачання, цифрова ідентифікація, підтвердження та торгівля даними — блокчейн-інфраструктура для цифрової трансформації бізнесу.

6.2 Технологічні виклики та еволюція

Поточні виклики: проблема роздування стану потребує подальшої оптимізації зберігання; складність міжшардової комунікації — подальшого вдосконалення; безпека у паралельному виконанні — постійного аудиту.

Майбутні напрями: оптимізація параметрів системи за допомогою машинного навчання; апаратне прискорення з інтеграцією TPU, FPGA тощо; міжланцюгова взаємодія для створення єдиної сервісної екосистеми.

6.3 Підсумок технологічної цінності

Ключові прориви: Pipeline BFT забезпечує підтвердження за 400 мс (у 30 разів швидше за традиційний BFT); оптимістична паралелізація EVM — 7,25-кратне зростання продуктивності; шардінг стану — лінійне масштабування.

Практична цінність: повна сумісність з EVM — безкоштовна міграція; 25 600 TPS та 90% зниження витрат підтверджено тестами; побудова повної високопродуктивної блокчейн-екосистеми.

Внесок у стандарти: сприяння створенню галузевих стандартів; побудова open-source екосистеми; трансформація теоретичних досліджень у інженерну практику для масштабного впровадження високопродуктивних блокчейнів.

Висновок: Відкриваючи нову епоху високопродуктивних блокчейнів

Успіх Bitroot полягає не лише у технологічних інноваціях, а й у їхній трансформації у практичні інженерні рішення. Завдяки трьом ключовим проривам — Pipeline BFT, оптимістичній паралелізації EVM та шардінгу стану — Bitroot надає повну технічну дорожню карту для високопродуктивних блокчейн-систем.

У цьому рішенні ми бачимо баланс між продуктивністю та децентралізацією, єдність сумісності та інновацій, координацію безпеки та ефективності. Мудрість цих компромісів проявляється не лише у дизайні системи, а й у кожній інженерній деталі.

Ще важливіше — Bitroot створює технологічну основу для масового впровадження блокчейну. Завдяки високопродуктивній інфраструктурі кожен може створювати складні децентралізовані застосунки та отримувати цінність від блокчейн-технологій. Така екосистема сприятиме переходу блокчейну від експерименту до масового застосування, забезпечуючи користувачів усього світу ефективними, безпечними та надійними блокчейн-сервісами.

Зі стрімким розвитком блокчейн-технологій і розширенням сфер застосування, рішення Bitroot стане важливим орієнтиром і практичним посібником для розвитку високопродуктивних блокчейнів. Є всі підстави вважати, що вже незабаром високопродуктивні блокчейни стануть ключовою інфраструктурою цифрової економіки, забезпечуючи потужну технологічну підтримку цифрової трансформації суспільства.

Ця стаття є матеріалом користувача і не відображає точку зору BlockBeats.