秒以下のレイテンシ：Aptosがインスタント・トランザクションを実現
By Brian Cho, Manu Dhundi, Sital Kedia, Zekun Li, Alexander Spiegelman, Satya Vusirikala
注：本レポートは2024年5月22日に修正されたもので、オープンソースベンチマークへの業界関係者の貢献によって、今後も進化を続ける予定で、公平で一貫性のあるレイテンシ・ベンチマークを業界に提供し続けていきます。
Aptosは、すべてのトランザクション（取引）タイプで一貫した秒以下のE2Eレイテンシを初めて提供することで、ブロックチェーン・エクスペリエンスに革命を起こします。
デジタル取引の世界では、タイミングが全てであると言えます。分散型取引所（DEX）で資産を素早く交換するにしても、ゲームに興味があってRPGに没頭するにしても、ブロックチェーンの確認時間を待たされるのは本当に煩わしいものです。コーヒーの代金を支払うような単純作業でさえ、待ち時間を生じるべきではないと考えています。根本的に、トランザクションの待ち時間が少ないことが、優れたWeb3のユーザー体験にとって最も重要なのです。
エンドツーエンド（E2E）レイテンシ
E2Eレイテンシとは、取引がユーザーによって送信され、ブロックチェーン上で不可逆的に決済（または確定）されたと認識されるまでの時間のことです。これには、取引がバリデータに到達、コンセンサスを獲得、取引を検証・実行、確認をユーザーに返すまでの時間が含まれます。
E2Eレイテンシは、ブロックチェーンとやりとりしている間の真のユーザー体験を表すもので「ブロックタイム」のような内部測定とは異なります。Aptosの取引確認は取り消し不能な最終性（ファイナリティ）を保証しており、これはいくつかのブロックチェーンが提供する確率的最終性や楽観的最終性といった他の最終性よりも強力なものとなっています。
E2Eレイテンシ比較ベンチマーク
Aptosでは、公平な比較を促進する検証可能で反復可能なベンチマークは、ブロックチェーン業界全体が繁栄するために不可欠です。2023スループットベンチマークの成功に続いて、ブロックチェーン間のE2Eレイテンシを測定する新しいベンチマークを発表できることを嬉しく思います。このベンチマークで得られる数値は、エンドユーザーが取引を送信してから取引確認が戻ってくるまでの待ち時間を観測したものです。
複数のブロックチェーン・ネットワークのメインネット環境におけるコイン送金取引のレイテンシを比較しました。コイン送金はSDKによって広くサポートされている、簡単で費用対効果の高い取引タイプです。
ベンチマークはGCP-Tokyoから実行されるジョブで、事前に定義された送信者と受信者のアカウント間で少量のコインを定期的に転送します。このベンチマークは、現在 Web3 ユーザーの多くが存在するアジアから実行され、各ブロックチェーン用のJavaScript SDKを 15 分の頻度で活用することで、どのブロックチェーンにも過負荷がかからないようにして、実験コストを低く抑えています。また、一般に利用可能なRPCエンドポイントを使用し、デフォルトのガス料金を支払います。
ハイパフォーマンスな利用を想定した複数のチェーンで比較を実施しました： Aptos、Solana、Near、Avalanche（Cチェーン）、Sui、Arbitrum、Optimism、Base、Polygon
ベンチマークの詳細と実行方法は、こちらをご覧ください。ベンチマークのリアルタイムの結果はこちらで見ることができます。
上のグラフが示すように、Aptosはすべての取引タイプで一貫して秒以下のE2Eレイテンシを達成した最速のブロックチェーンとなっています。上記のベンチマークはアジアで実行されましたが、Aptosは他のすべてのテスト地域でも秒以下のレイテンシを達成していることは注目に値します。
Aptos：スピード促進に向けた設計
取引は、クライアント/SDKで作成され、フルノード上のmempoolにサブミットされ、バリデータセットに伝搬され、そこでコンセンサスの中で順序付けられ、実行され、状態同期を通じてフルノードに戻され、最後にクライアント/SDKで結果が読み取られます。
分散型ブロックチェーン環境で秒以下のレイテンシを実現することは、ネットワーキングと光速の制約のために困難であるとされています。クライアント/SDKとフルノードは世界中に分散しています。地理的に分散した分散型バリデータセットでは、セット全体でメッセージを送信するために平均100ミリ秒以上の待ち時間が必要であり、高速なファイナリティが課題となっています。
待ち時間を短縮するために、私たちは強固なアーキテクチャとトランザクションの各パスの最適化に依存しています。
mempool
mempoolは入ってくるトランザクションのステージングエリアです。mempoolは取引を検証し、上流のバリデータセットに転送し、そこでQuorum Storeに挿入されます。mempoolの主な機能は、負荷がかかったトランザクションをキューに入れて優先順位をつけることで、分散サービス拒否（DDoS）攻撃から保護するためにフルノードとバリデータにまたがって実装されています。mempoolはガスを意識しており、上流に伝搬する際に最も高いガスのトランザクションを最初に優先します。
秒以下のレイテンシを達成するために、mempoolはフルノードに沿ってバリデータセットに高速に伝搬するように最適化されています。最近、フルノードはレイテンシを意識したピア選択を行うようにアップグレードされました。フルノードは上流のバリデータフルノードにpingを送信してレイテンシを測定し、レイテンシが最も小さく、バリデータセットに近い上流ノードを選択します。
ビザンチンフォールトトレランス（BFT）コンセンサス
バリデータセットは、クォーラムストア、BFTコンセンサス、ブロックの実行とコミットを実行することで、ユーザートランザクションが実行される複製されたステートマシンを提供します。
BFTコンセンサスプロトコルであるAptosBFT v4は、Jolteonをベースにしており、バリデータの3分の1が失敗しても（悪意のある行動を含めて）耐性を持つことが証明されます。この基盤の上に、コンセンサスレイテンシーを5メッセージ遅延から3メッセージ遅延に削減する新しい最適化セットを実装しました。これによって、Aptosのコンセンサスレイテンシーは理論的な下限と一致し、Aptosは業界最速のブロックチェーンとなりました。
秒以下の待ち時間をさらに最適化するために、私たちは適応型ブロック提案を実装しました。クォーラムストアの主な目的は、プロポーザルに生の取引ではなく、取引のバッチの署名済みクォーラム証明書を含ませることでスループットを向上させることにあります。適応ブロックプロポーザルでは、提案者はクォーラム証明書をまだ受け取っていないバッチをインラインに含めることができます。これによって、取引がプロポーザルに追加される時間が短縮されます。
高スループットにより、高負荷時の低レイテンシを実現
Aptosのソフトウェア・スタックは、比類のないスループットを維持するために細心の注意を払って作られており、ピーク時の需要においても当社のプラットフォームが応答性を維持することを保証します。Aptosのメインネットと同様のテストベッドであるプレビューネットで最近行われた実験では、1秒あたり30,000トランザクション（TPS）という驚異的なピークスループットを達成し、1日で前例のない20億トランザクションをシームレスに処理しました。
この素晴らしいパフォーマンスの背景には、Aptos独自のいくつかの重要なイノベーションがあります。当社の水平スケーラブルなクォーラムストアによって、コンセンサスを容易に拡張し、増大する需要に対応することができます。BlockSTMによって促進される動的並列処理によって、取引は確実に同時処理され、実行スループットが劇的に向上します。さらに、高度に最適化されたバッチストレージソリューションは、ストレージのオーバーヘッドを最小化し、ステージのパイプライン処理は、全体的なリソース利用を最適化します。これらのイノベーションが一体となって堅牢なフレームワークを形成し、最も要求の厳しい条件下でも低レイテンシーを維持するブロックチェーンを支えています。
ストリーミング状態同期
取引結果は、ストリーミング状態同期によって下流に送り返されます。これは、最小限の待ち時間で取引確認を下流のノードにストリーミングすることで、ユーザーが感じる待ち時間を最小化するように設計された機能です。レイテンシを考慮したピア選択メカニズムを活用し、ダウンストリームピアが最も近くて信頼性の高いアップストリームピアをインテリジェントに選択します。接続されると、ダウンストリームピアがトランザクション確認通知を購読します。上流ピアがトランザクションの確認を受信すると、追加のポーリング遅延なしに即座にそれを下流にストリーミングします。
生数値を超えた観測
ブロックタイム
E2Eレイテンシは、ブロックチェーンが新しいブロックを生成するのに要する時間を指す「ブロックタイム」と混同してはいけません。ブロックタイムはブロックチェーンのパフォーマンスを測定する指標ですが、トランザクション処理の一部の段階の時間を指すため、エンド・ツー・エンドのレイテンシの全体像を示すには不十分で、ユーザーが実際に経験するものではありません。
最終性の種類
Aptosの取引がユーザーに確認されるとき、その取引はすでにブロックチェーンに書き込まれ、取り消し不能な最終的なものであることが保証されています。ブロックチェーンの中には、より弱い最終性保証を提供することで、エンドツーエンドの待ち時間を短縮しているものもあります。大まかに言えば、最終性には3つのタイプがあります：
確率的ファイナリティ — ある種のブロックチェーン（ビットコインなど）では、時間が経つにつれて、ブロックの再編成によってブロックがブロックチェーンから削除される確率が下がり、ある閾値を超えると限りなくゼロに近づき、その時点でブロックは最終的なものとみなされます（例えば、数十分後）。
楽観的なファイナリティ — ある種のブロックチェーン（Solanaなど）は、バリデータから十分な票を集めるなど一定のルールに基づいてブロックの早期確認を公開し、一定の最終性保証を提供します。例えばSolanaの場合、不誠実なバリデータ（ステークスラッシングを必要とする）は楽観的に確認された取引をロールバックさせることができ、それによって想定された最終性を侵害します。したがって、取引は楽観的確認の上に31以上の確認済みブロックが構築された後にのみ取り消し不能とみなされます。これまでの測定から、楽観的確認がSolanaによって約5秒で達成されるのに対して、（Aptosが保証する方法で）取り消し不能な最終性は約25秒後に達成されることがわかります。
取り消し不能なファイナリティ — これは最終性の最も強力な形態で、BFTの仮定が成立する限り（悪意のあるステークが33%を超えない限り）、ブロックが最終化されると、それを元に戻すことは不可能であることを保証します。Aptosはユーザーに最高レベルの安全性を保証するため、取り消し不能な最終性を提供します。取引が一度確認されると、取り消されることはありません。
取引の種類に基づくレイテンシ
ベンチマークで評価した大半のチェーンにおいて、コイン送金トランザクションで観察されたエンドツーエンドの待ち時間は、すべてのトランザクションに関連する待ち時間の指標となります。要するに、コイン転送トランザクションは他の一般的なトランザクションと同じ経路を辿り、優遇措置を受けることはありません。しかし、Suiブロックチェーンはこの文脈において例外として際立っています。Suiは「ファストパス」を採用しており、特に限定された種類の取引（コイン送金取引など）については、それ以外の取引は通常のコンセンサス・パスに従います。
L2の約束：ファイナリティはどこにあるのか？
いくつかのL2ソリューションは、イーサリアムのようなL1ブロックチェーンのスケーラビリティ問題に対処するために構築されています。Arbitrum、Optimism、Base、Polygonなどの人気のあるL2は、イーサリアム上の取引をより速く、より安くすることを目指しています。しかし、これらは最終的な取引を達成するためにイーサリアムへの取引証明のコミットに依存しており、数時間から数日かかることがあります。
Aptosのベンチマークでは、L2 E2Eレイテンシ時間を考慮しただけであり、最終性を伴うL1 E2Eレイテンシとは異なります。L2からイーサリアムへの実際のロールアップ処理には数時間かかり、その後イーサリアム上で7日間のチャレンジ期間が設けられます。つまり、トランザクションの取り消し不能なファイナリティを達成するには、これらのL2チェーンで最大1週間かかる可能性があるのです。
ブロックチェーンの未来はより速く
Aptosでエンド・ツー・エンドのレイテンシーが1秒以下になったことは、ブロックチェーン技術の進化における重要なマイルストーンです。このレベルのスピードと効率性によって、ブロックチェーン・アプリケーションの将来性は、Web3に次の10億人のユーザーを取り込むという潜在能力をついにフルに発揮することができます。 さらに、私たちが革新を続け、境界を押し広げるにつれて、さらに高速なブロックチェーン・ソリューションに向けた旅の始まりに過ぎないことが明らかになっています。
Aptosとは
Aptosは、高性能でスケーラブルなブロックチェーンネットワークを目指して開発された次世代のブロックチェーンプロジェクトです。Aptosは、トランザクション処理能力の向上と低遅延を実現するために、革新的な技術を取り入れています。
主な特徴：
- 高スケーラビリティ: Aptosは、高スループットと低遅延を実現するために、並列処理技術を活用し、秒間数万件のトランザクションを処理できます。
- 高度なセキュリティ: 新しいプログラミング言語と暗号技術を使用して、安全で信頼性の高い取引を保証します。
- スマートコントラクト: 開発者が複雑なアプリケーションを簡単に構築できるように設計されたスマートコントラクト機能を提供します。
- エコシステムの発展: Aptosは、さまざまな分野での利用を促進し、幅広いエコシステムを構築することを目指しています。
Aptosは、金融取引、分散型アプリケーション（dApps）、デジタル資産管理など、さまざまなユースケースに対応し、次世代のブロックチェーン技術の基盤となることを目指しています。
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