Shoal框架：如何降低Aptos上Bullshark协议的延迟

概述

Aptos Labs开发了Shoal框架,通过流水线处理和领导者信誉机制,大幅提升了基于Narwhal的共识协议(如DAG-Rider、Tusk、Bullshark)的性能。在无故障情况下,Shoal将Bullshark的延迟降低了40%,在有故障情况下降低了80%。

Shoal的核心思想是按顺序运行多个底层协议实例。以Bullshark为例,就像多个"鲨鱼"在接力赛中奔跑。

背景与挑战

区块链网络一直在追求更高的性能。早期通过降低通信复杂度来提升吞吐量的尝试效果有限。近期的突破在于将数据传播与共识逻辑分离,实现并行化。Narwhal系统采用这种架构,实现了16万TPS的吞吐量。

然而,基于领导者的共识协议(如Hotstuff/Jolteon)无法充分利用Narwhal的潜力。而基于DAG的Bullshark虽然支持高吞吐,但延迟增加了50%。

在DAG协议中实现流水线处理和领导者信誉机制被认为是困难的,因为:

1. 修改Bullshark核心逻辑似乎不可行
2. 动态选择领导者可能导致不同的排序结果

Shoal框架设计

Shoal框架巧妙地解决了上述挑战:

1. 流水线处理:按顺序运行多个Bullshark实例,每个实例处理一个锚点
2. 领导者信誉:基于锚点的因果历史计算验证节点得分,倾向选择高分节点作为领导者
3. 无超时:利用DAG构造提供的"时钟"估计网络速度,避免使用超时机制

这些技术的结合使Shoal能够以网络速度运行,即使在异步网络或领导者故障的情况下。

评估结果

实验表明,Shoal显著改善了Bullshark的延迟:

• 无故障情况下:比Baseline Bullshark延迟降低40%
• 有故障情况下(50个验证节点,16次故障):比Baseline Bullshark延迟降低65%

Shoal还具有"普遍响应"特性,在各种网络条件下都能保持良好性能。

总的来说,Shoal框架成功解决了DAG-BFT中的关键问题,大幅提升了Aptos区块链的性能。