亚秒级延迟：Aptos 可以提供的即时交易速度

作者：Brian Cho, Manu Dhundi, Sital Kedia, Zekun Li, Alexander Spiegelman, Satya Vusirikala
编译：vergil.apt

Aptos成为首个实现亚秒级端到端延迟的平台，正在彻底改变区块链体验。

在快节奏的数字交易世界中，时机至关重要。无论您是在去中心化交易所（DEX）快速交换资产，还是沉浸在激动人心的角色扮演游戏中，等待区块链确认都可能让人失去兴致。甚至像支付咖啡这样的平凡任务也不应该伴随着漫长的等待。简而言之，低端到端交易延迟对于出色的Web3用户体验至关重要。

端到端（E2E）延迟

端到端延迟是指用户提交交易并在区块链上被确认为不可撤销地结算（或最终化）所需的持续时间。这包括交易到达验证者的时间、达成共识的时间、验证和执行交易的时间、确保可靠存储的时间，以及向用户提供交易确认的时间。

E2E延迟代表与区块链交互时真实的用户体验，与像“区块时间”这样可能具有误导性的内部测量不同。在Aptos上的交易确认保证了不可撤销的最终性，这比一些区块链提供的概率性和乐观性最终性更为强大。

E2E延迟比较基准

在Aptos，我们认识到，促进公平比较的可验证和可重复的基准对整个区块链行业的繁荣至关重要。在我们2023年吞吐量基准的成功之后，我们很高兴地推出了一个新的基准，用于衡量区块链的E2E延迟。基准产生的数字代表了用户从提交交易到获得交易确认的观察到的延迟。

我们比较了多个区块链网络在它们的主网环境下的货币转移交易的延迟。货币转移是一种简单且成本效益高的交易类型，广泛受到SDK支持。

该基准是一个作业，周期性地从GCP亚洲地区转移一小笔货币到预定义的发送者和接收者账户。它是从亚洲运行的，今天大多数Web3用户都在那里，并且利用各自区块链的JavaScript SDK，频率为15分钟，以避免过载任何区块链并保持实验成本低廉。我们使用公开可用的RPC端点，并支付默认的燃气费用。

我们跨越几个旨在高性能使用的链进行了比较：Aptos、Solana、Near、Avalanche（C链）、Sui、Arbitrum、Optimism、Base和Polygon。有关基准的更多详细信息以及如何运行它的信息可以在这里找到。来自基准的实时结果可以在这里查看。

正如上图所示，Aptos是最快的，也是唯一一个实现亚秒级端到端延迟的区块链。值得注意的是，尽管上述基准是在亚洲运行的，但Aptos在所有其他测试区域也实现了亚秒级延迟。

Aptos：专为速度而设计

一笔交易的旅程贯穿整个区块链：交易在客户端/SDK上创建，提交到全节点上的内存池，传播到验证者集，在共识中被排序和执行，然后通过状态同步返回到全节点，最后在客户端/SDK上读取结果。

在去中心化的区块链环境中实现亚秒级延迟是具有挑战性的，这是由于网络和光速的限制。客户端/SDK和全节点分布在全球各地。地理分布式的去中心化验证者集需要平均100毫秒以上的延迟来在整个集合中发送消息，这使得快速最终性成为一项挑战。

为了减少延迟，我们依靠坚固的架构和优化，优化交易路径的每个部分：

内存池

内存池是传入交易的暂存区域；内存池验证并将交易向上转发到验证者集，然后这些交易被插入到Quorum存储中。内存池的主要功能是在负载下排队和优先处理交易，并在全节点和验证者之间实施，以防止分布式拒绝服务（DDoS）攻击。内存池具有燃气感知功能，可以在向上传播时优先处理燃气最高的交易。

为了实现亚秒级延迟，内存池经过优化以实现在全节点和验证者集之间的快速传播。最近，全节点已经升级为支持延迟感知的对等节点选择。它们会向上游的验证者全节点发送ping请求来测量延迟，并选择一组延迟最低且与验证者集最接近的上游节点。

闪电般快速的拜占庭容错（BFT）共识

验证者集提供了一个复制状态机，用户交易通过Quorum存储、BFT共识以及块的执行和提交来执行。

BFT共识协议AptosBFT v4基于Jolteon，并且经过证明，对于失败的验证者股份的三分之一（包括恶意行为）是具有弹性的。在此基础上，我们实施了一系列新的优化，将共识延迟从5个减少到3个消息延迟。这将Aptos的共识延迟与理论下限保持一致，确立了Aptos作为行业中最快的区块链。

为了进一步优化亚秒级延迟，我们实施了自适应块提案。Quorum存储的主要目的是通过在提案中包含交易批次的签名担保证书而不是原始交易来增加吞吐量，对于大量交易而言，原始交易可能较大。通过自适应块提案，提议者可以包含尚未接收到担保证书的内联批次。这加快了交易被添加到提案的时间。

高吞吐量支持在重载下实现低延迟

我们的软件堆栈经过精心打造，确保我们的平台在高峰需求期间仍能保持响应能力。在我们的预览网络（类似于我们的主网）上进行的最近一项实验中，我们达到了惊人的峰值吞吐量，每秒30,000笔交易（TPS），并在一天内无缝地处理了前所未有的20亿笔交易。

在这一令人印象深刻的表现背后，有几个对Aptos独特的关键创新。我们的水平可扩展的Quorum存储使共识能够轻松扩展以满足不断增长的需求。由BlockSTM提供支持的动态并行处理确保交易同时处理，大幅提高执行吞吐量。此外，我们高度优化的批量存储解决方案最小化了存储开销，而各个阶段的管道处理优化了资源利用率。这些创新共同构建了一个强大的框架，使我们的区块链能够在最苛刻的条件下保持低延迟。

流式状态同步

通过流式状态同步将交易结果向下游发送，这是一项旨在通过将交易确认流式传输到下游节点以最小化用户感知延迟的功能。利用我们的延迟感知对等节点选择机制，下游节点智能地选择最近和最可靠的上游节点。一旦连接，下游节点就会订阅交易确认通知。当上游节点收到交易确认时，它会立即将其流式传输到下游，而无需进行任何额外的轮询延迟。

超出原始数字的观察

区块时间
端到端延迟不应与“区块时间”混淆，后者指的是区块链生成新块所需的时间。虽然区块时间是衡量区块链性能的一个指标，但它无法提供端到端延迟的完整图景，因为它只涉及交易处理的一部分阶段的持续时间，而不涉及用户实际体验。

最终性的类型

当Aptos交易向用户确认时，它们已经被写入区块链，并保证是不可撤销的最终状态。一些区块链通过提供较弱的最终性保证来减少端到端延迟。广义上说，有三种最终性：

概率性最终性——在某些区块链（例如比特币）中，随着时间的推移，由于区块的重新组织，区块被从区块链中移除的概率会降低，只有在达到一定阈值之后，这个概率接近于零，然后该区块被视为最终（例如，经过数十分钟后）。

乐观性最终性——某些区块链（如Solana）根据某些规则提供块的早期确认，例如从验证者那里收集足够的投票以提供一定的最终性保证——然而，这些最终性保证并不是不可撤销的。例如，在Solana的情况下，不诚实的验证者（需要扣除质押金）可能会导致一个被乐观地确认的交易被回滚，从而违反了假定的最终性。因此，在乐观确认后，交易只有在31个以上的确认块建立在乐观确认之上后才被视为不可撤销。从我们的测量结果可以看出，虽然Solana在约5秒内实现了乐观确认，但不可撤销的最终性（如Aptos所保证的方式）需要大约25秒才能实现。

不可撤销的最终性——这是最强形式的最终性，它保证一旦一个区块被最终化，只要BFT假设成立（不超过33%的质押份额是恶意的），就不可能将其撤销。Aptos提供不可撤销的最终性，以确保为用户提供最高级别的安全保障。一旦交易被确认，它将不会被撤销。

基于交易类型的延迟

在基准测试中评估的大多数区块链中，通过对货币转移交易观察到的端到端延迟提供了所有交易相关延迟的指示。实质上，货币转移交易经历与任何其他典型交易相同的路径，没有接受任何优先处理。然而，在这方面，Sui区块链是一个例外。Sui采用了“快速路径”，专门用于有限类型的交易（如货币转移交易），这适用于Sui约20%的交易，而其余80%遵循常规的共识路径。

L2承诺：但是，最终性在哪里？

一些L2解决方案是为了解决像以太坊这样的L1区块链的可扩展性问题而构建的。像Arbitrum、Optimism、Base和Polygon等流行的L2旨在加快以太坊上的交易速度并降低成本。然而，它们依赖于将交易证明提交到以太坊以实现最终性，这可能需要几小时甚至几天的时间。

在我们的基准测试中，我们只考虑了L2的端到端延迟时间，这与具有最终性的L1端到端延迟不同。从L2到以太坊的实际Rollup过程可能需要数小时，随后在以太坊上会有7天的挑战期。这意味着在这些L2链上，要实现对一笔交易的不可撤销最终性可能需要长达一周的时间。

区块链的未来一定是更快的

我们在Aptos上实现亚秒级端到端延迟的突破标志着区块链技术发展的重要里程碑。凭借这种速度和效率水平，区块链应用的承诺终于可以充分发挥其将下一个十亿用户引入Web3的潜力。此外，随着我们继续创新和突破界限，显然我们只是开始了通往更快速区块链解决方案的旅程。