明確な基準と未来：検証可能なパフォーマンスベンチマークの重要性

ブロックチェーン・ジャパン
2023/04/28 06:53

Aptos Network

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Aptos Foundationは、「パフォーマンス（性能）」の定義に関する業界全体の議論を開始するため、再現可能なパフォーマンスベンチマークテストを実施し、合意形成を目指します。

業界は明確な基準を必要としている

Web3分野が急速に発展する中、多数のブロックチェーンやスケーリングソリューションのパフォーマンスを評価することは、開発者やユーザーにとって新たな課題、急成長する業界における信頼性の判断につながります。

「信頼」は、透明性と説明責任によって積み上げられます。しかし、現在、標準的な評価方法が確立されていないため、検証可能な実世界のベンチマークの設定が急務となっています。

Aptos Foundationは、完全に再現可能なパフォーマンス・ベンチマーク・テストを実施し、「パフォーマンス」の定義に関する業界全体の議論を開始し、合意形成を目指していきます。Aptosの目標は、時間をかけて、このフレームワークをTPCベンチマークに相当するブロックチェーンに進化させるために、共有・協力することです。

テストの詳細に入る前に、まずブロックチェーンの性能の標準的な測定方法であるトランザクションを定義する必要があります。

トランザクションとは何か？

「1秒あたりのトランザクション（TPS）」は、ブロックチェーン・ネットワークのパフォーマンスとスケーラビリティを評価するために一般的に使用される指標として知られています。多くのネットワークが独自のトランザクションを異なる方法で定義しているため、この指標を定量化することは難しく、パフォーマンスを直接評価するのは困難です。

Aptosでは、トランザクションとは、ユーザーが署名した1つまたは複数の操作のシーケンスであり、全てが1つの論理的な作業単位として提供されると考えています。例えば「ユーザーが1回署名した100のアクションが1つのトランザクション」です。システムの運用のために自動的に追加されるトランザクション、たとえば投票やメタデータ、その他の成果物は、ユーザートランザクションではなく、システムトランザクションです。トランザクションは短くて単純なものもあれば、長くて複雑なものもあります。そのため、さまざまなユースケースのスループットを理解するためには、共通のパターンをとらえるベンチマークが不可欠となります。

この定義の延長線上で、ブロックチェーンの成功の1つの重要な尺度は、ネットワークがダウンタイムなしに維持できる「ピーク持続性能」が用いられるべきであると考えます。

では、ネットワークがこの持続的なスループットを確実に測定できるようにするには、どうすればよいのでしょうか？私たちは、スループットを評価するために、Web2企業と共同でのベンチマークテストの実施に取り組みました。

初の完全再現型パフォーマンスベンチマークテストを発表

この評価では、エンドツーエンドの実世界設定を実現するために、完全なノードスタックが動作するノードネットワークを構築しました。できるだけ実世界のセットアップに近づけるため、メインネットネットワークに近い形でモデル化しました。

ネットワークは、48個のvcoresと64GBのMemoryを持つGCP上の100台の`t2d-standard-48`ノードで構成され、物理的に3つの地域（米国、アジア、ヨーロッパ）に分散されています。これらのノードの最大イグレス帯域幅は10Gbpsで、ノード間のラウンドトリップレイテンシは地域によって120msから250msの間で変化します。この設定は、ネットワークのレイテンシーと信頼性というメインネットの条件を忠実に再現しています。これによって、コンセンサスが意味のある数のノードにスケールすることができることをテストします。そして、トランザクション負荷ジェネレーターを作成し、大きなワーキングセットと適度なコンフリクトを持つランダムなアカウントペアの間でコイン転送トランザクションを生成します。

ベンチマークが再現可能であり、独立して実行できることを保証するために、GCP上でベンチマークを実行するために必要なすべてのツールとランブックを含むリポジトリを公開しました。これには、マシンやノードのセットアップ、ネットワークの初期化、負荷テストの実行、結果の表示などに必要なものが全て含まれています。Aptosは、ゲーム、ソーシャル、その他の業界向けのWeb3ソリューションを模索する中で、この一般的なベンチマークを拡張し、一般的な業界のユースケースに適用するベンチマークテスト群を構築することを目指しています。

このセットアップによって、エンドツーエンドで20kのTPSを30分間維持することを確認することができました。

高性能なブロックチェーンの構築方法

典型的なブロックチェーンスタックは、コンセンサス、実行、ストレージの3つの主要コンポーネントで構成されています：

コンセンサスレイヤーは、受信トランザクションを受け取り、ネットワーク内の全てのノードがトランザクションの特定の順序に同意することを保証します。
実行レイヤーは、現在の状態と、コンセンサスによって合意された順序で入ってくるトランザクションを受け取り、スマートコントラクトの処理とトランザクションの実行に責任を持ちます。
ストレージレイヤーは、台帳の状態や関連するスマートコントラクトのデータなど、ブロックチェーンに関連する全てのデータを永続化する役割を担います。実行に現在の状態を提供し、実行結果に基づいて状態を更新します。

高性能なブロックチェーンを設計し、低遅延を維持しながら1秒間に大量のトランザクションをサポートするには、全てのコンポーネントが高スループットと低レイテンシをサポートするために拡張できることを保証することが極めて重要となります。

Aptos Foundationは、パフォーマンスに最適な取り組み方を模索する中で、コンセンサス、実行、ストレージに関する明確かつ斬新な戦略について、コミュニティと協力しました：

コンセンサス：AptosのNarwhal実装であるQuorum Storeは、データをメタデータから切り離します。これにより、データの普及がコンセンサスのクリティカルパスの外で行われるようになり、非常に効率的でスケーラブルなものになりました。開発者は、Quorum Storeをメインネットに展開する最終段階に入っています。
実行：Aptosの並列実行エンジンであるBlock-STMは、Software Transactional Memory（STM）とオプティミスティック並行性制御を組み合わせた新しいアプローチで、トランザクションを並列実行し、実行後の検証や必要に応じて再実行します。
ストレージ：Aptosのストレージアプローチは、パーシステッドとインメモリ、ロックフリーのスパースMerkleツリー実装を組み合わせて使用しています。この実装は、キャッシュと並列化のためにBlock-STMと連携するように特別に調整されています。

Aptos Networkのスループットが拡大し続ける将来を見据え、私たちのチームは水平スケーリングが最も効果的なアプローチであることを確認しました。クラウドコンピューティングと同様の方法でリソースを拡張することで、桁違いのリソースをシステムに取り込むことができます。これは、Web3が主流のユースケースに採用されるために不可欠なことです。

ボトルネックであると同時に、複数のディスクやマシンに簡単に拡張できるコンポーネントでもあるため、ストレージレイヤーのスケーリングは最も緊急の課題となります。さらに、Quorum Storeベースのコンセンサスを水平方向に拡張する機会もあります。Narwhalの論文で実証されたように、データ配信をメタデータの順序付けから切り離すと、複数のワーカーマシンで600ktpsを超えるコンセンサスを得ることができます。

最後に、Block-STMの実装では、32コアのマシン1台で160k TPSを達成し、実行コンポーネントがAptosスタックをリードできることを示しましたが、ストレージとコンセンサスの規模が大きくなるにつれてボトルネックになる可能性があります。その対策として、開発者は複数のマシンで実行を水平方向に拡張する方法としてシャーディングを模索しています。

Web3の未来を共に創る

Aptos Foundationでは、ブロックチェーンの設計とネットワーク運用のあらゆる側面についてオープンにするという、Web3の中核となる透明性の信条を支持することに専念しています。このコミットメントをさらに推進することが、この再現可能なパフォーマンス・ベンチマークを開発する原動力となりました。このベンチマークはこの種のものとしては初めてであり、パフォーマンスについて共通の理解を得るための対話の叩き台として役立つことを期待しています。

Web3の成功は、コラボレーションと標準の共有に依存しています。私たちは、コミュニティが独自に結果を検証することを奨励し、業界を前進させるために共に働く仲間たちが、これらの方法を改善するために挑戦することを期待しています。