Principais conclusões

A TON possui uma lógica tecnológica central centrada em aplicações de alta velocidade: a TON originou-se do Telegram, com transações registradas diretamente na cadeia com base em mensagens, suportando a comunicação peer-to-peer.

1. Entrega assíncrona de mensagens: FunC, escolhida como linguagem de desenvolvimento, facilita a comunicação entre os nós TON por meio da troca de “mensagens”. No entanto, como o TON opera como uma cadeia assíncrona, a introdução do conceito de tempo lógico (It) é crucial para sincronizar corretamente as mensagens entre as cadeias. Isto é conseguido garantindo que o tempo lógico (lt) das mensagens seja estritamente executado em ordem cronológica, garantindo a execução precisa das informações.
2. Mecanismo de roteamento de mensagens hipercubo: TON emprega uma combinação de roteamento regular e roteamento rápido. O roteamento regular passa mensagens entre fragmentos por meio de uma estrutura de hipercubo envolvendo nós adjacentes. O roteamento rápido incorpora provas Merkle que podem retransmitir mensagens ao longo das bordas do hipercubo, aumentando a velocidade.
3. Consenso PoS + BFT para o desenvolvimento do ecossistema: o POS evita cálculos extensos durante o processo de geração de blocos, resultando em maior eficiência, custos mais baixos e melhor desempenho da rede, tornando-o propício à implementação prática de aplicações DAPP. Embora o DPOS seja mais rápido, sua velocidade de confiança é mais lenta que os sistemas BFT. Portanto, a TON opta pelo mecanismo de consenso BFT.

A arquitetura dinâmica de vários fragmentos do TON facilita a escalabilidade do aplicativo: o TON aumenta a velocidade por meio de consultas paralelas, melhora a precisão da consulta com fragmentação dinâmica e aumenta a extensibilidade por meio de uma estrutura de saco de células.

1. Arquitetura dinâmica de vários fragmentos: TON compreende três camadas – um único masterchain, vários Workchains e shardchains que podem aumentar, diminuir e dividir dinamicamente. Cada shardchain é uma coleção de várias cadeias de contas, e os DAPPs podem ativar autonomamente shardchains específicos.
2. Estado global rapidamente atualizável: A atualização do estado global envolve uma estrutura semelhante ao DAG chamada “saco de células”. Ele é atualizado rapidamente combinando um conjunto de células novo e antigo, removendo a raiz antiga. Simultaneamente, adota um mecanismo de reparo de bloco vertical para atualização de blocos.

A TON continuará a otimizar a sua estrutura técnica no futuro: através da expansão paralela, da introdução de ferramentas de fragmentação de cadeia e do reforço das inspeções de nós, a TON pretende sustentar as suas vantagens em velocidade e escalabilidade.

Desafios de escalabilidade do Blockchain

A escalabilidade da blockchain é um desafio técnico crucial e um fator-chave para o desenvolvimento da tecnologia blockchain: à medida que as aplicações blockchain crescem e o número de usuários aumenta, as redes blockchain existentes muitas vezes enfrentam problemas de rendimento insuficiente e longos tempos de confirmação de transações. Os designs tradicionais de blockchain limitam sua capacidade de lidar com transações em grande escala e demandas dos usuários, levando ao congestionamento da rede, altos custos de transação e ineficiência.

Os desafios da escalabilidade do blockchain decorrem principalmente da arquitetura distribuída e dos mecanismos de consenso: O mecanismo de consenso e a natureza distribuída do blockchain exigem que cada nó da rede verifique e registre todas as transações, limitando o rendimento da rede. Além disso, a segurança e os recursos descentralizados do blockchain exigem que todos os nós mantenham cópias completas do blockchain, aumentando a carga de armazenamento e transmissão.

Para enfrentar o desafio da escalabilidade do blockchain, os pesquisadores propuseram várias soluções de escalonamento, como soluções Sharding, Sidechains e Layer 2: Essas abordagens visam melhorar o rendimento e o desempenho da rede, dividindo a rede em segmentos menores, introduzindo blockchains independentes ou construindo estruturas adicionais. na cadeia principal. No entanto, estas soluções trazem novos desafios técnicos e questões de segurança, tais como comunicação entre fragmentos, transferências de ativos entre fragmentos e design de mecanismo de consenso.

1. A fragmentação, por exemplo, envolve dividir toda a rede blockchain em fragmentos ou fragmentos menores, com cada fragmento processando independentemente uma parte das transações e dados. Embora esse mecanismo possa melhorar o rendimento e o desempenho geral da rede, ele ainda enfrenta desafios relacionados à segurança e à consistência da comunicação entre fragmentos e das transações entre fragmentos. Além disso, os mecanismos de fragmentação devem abordar a concepção e implementação de mecanismos de consenso para garantir a consistência e segurança geral da rede.
2. A tecnologia Sidechain envolve a criação e execução de blockchains independentes conectados à cadeia principal dentro de uma rede blockchain. As cadeias laterais facilitam as transferências bidirecionais de ativos com a cadeia principal, ao mesmo tempo que possuem suas próprias regras e funcionalidades. O princípio básico da tecnologia sidechain é processar algumas transações na sidechain, aliviando a carga da cadeia principal e proporcionando maior escalabilidade e flexibilidade. No entanto, as cadeias laterais exigem mecanismos e protocolos seguros para garantir a segurança e a consistência dos ativos nas transferências bidirecionais de ativos. Além disso, o projeto e a implementação de cadeias laterais devem considerar a compatibilidade e a interoperabilidade com a cadeia principal.
3. O Rollup, por outro lado, armazena um grande volume de dados de transações fora da cadeia em uma cadeia lateral e envia informações resumidas dessas transações à cadeia principal para verificação. Sua vantagem reside em melhorar significativamente a escalabilidade e o desempenho da rede blockchain, armazenando dados de transações fora da cadeia e usando a cadeia principal para verificação. No entanto, existem preocupações sobre centralização e segurança com a abordagem Rollup.
4. Novos mecanismos de consenso, como a Prova de História (POH) de Solana, associam carimbos de data/hora a cada transação, fornecendo uma sequência de tempo verificável para o blockchain. Essa sequência temporal pode ser usada para verificar a ordem e o tempo da transação, reduzindo custos de comunicação e atrasos no processo de consenso. Embora Solana reivindique um TPS de até 65.000, a taxa de transferência real de dados, considerando a comunicação nó a nó, é de cerca de 6 a 8 mil TPS (diariamente em torno de 4 a 5 mil).

O blockchain TON, originado do Telegram, foi concebido com a ideia de atender uma enorme base de usuários: o Telegram é uma das plataformas sociais mais populares do mundo, ostentando mais de 800 milhões de usuários ativos mensais e transmitindo bilhões de mensagens dentro do software todos os dias. TON, como a incursão do Telegram na web3, foi projetado desde o início para atender bilhões de usuários, em vez de apenas uma pequena base de usuários.

Arquitetura Técnica da TON

Design adaptativo de múltiplas cadeias com divisão infinita

A fragmentação da TON é de baixo para cima: embora os esquemas convencionais de fragmentação de blockchain normalmente adotem uma abordagem de cima para baixo, estabelecendo primeiro uma única blockchain e depois dividindo-a em blockchains interativos para melhorar o desempenho, a fragmentação da TON adota uma abordagem de baixo para cima. Ele organiza essas cadeias de contas em shardchains, formando um Shardchain, onde Workchains existem puramente em formas virtuais ou lógicas. A TON alcança processamento paralelo de transações em múltiplas cadeias, conhecido como “blockchain de blockchains”. Essa abordagem aumenta efetivamente o desempenho do sistema.

TON apresenta uma arquitetura de sharding dinâmica, consistindo em masterchain, workchain e shardchain: as coordenadas do masterchain, enquanto o processamento real da transação ocorre dentro de vários workchains e shardchains. Além disso, o sharding do TON é dinâmico, com cada conta funcionando como um shardchain. Eles podem ser combinados de forma adaptativa em shardchains maiores com base nas interações entre contas para atender às necessidades dinâmicas de expansão.

1. Masterchain: Existe apenas um, abrangendo parâmetros de protocolo, conjuntos de validadores, compartilhamentos correspondentes e registro de workchains ativas atuais e seus shardchains subordinados. As cadeias inferiores enviam o hash de bloco mais recente para a cadeia mestre para garantir a determinação do estado mais recente quando a recuperação de mensagens entre cadeias for necessária.

Se o sharding atingir seu limite, cada shardchain armazenará apenas uma conta ou contrato inteligente. Isto resulta em numerosas “cadeias de contas” que descrevem o estado e as transições de contas individuais, com estas cadeias transmitindo informações mutuamente, formando Workchain através de Shardchains.

1. Workchain: É um conceito virtual que existe como uma coleção de Shardchains, com o sistema suportando até 2^32 Workchains. Cada Workchain pode personalizar regras de forma flexível, como tipos de transação, tipos de token, contratos inteligentes e formatos de endereço, desde que os padrões de interoperabilidade sejam atendidos. No entanto, as Workchains devem compartilhar o mesmo formato de fila de mensagens para uma troca eficiente de mensagens, implicando garantias de segurança semelhantes para todas as Workchains.
2. Shardchain: para aumentar a eficiência do processamento, os Shardchains se dividem automaticamente durante cargas altas e se fundem durante cargas reduzidas. Cada Workchain se divide ainda em Shardchains (até 2 ^ 60). Os Shardchains distribuem o trabalho por todos os Shardchains, cada um servindo apenas uma parte da coleção da conta.

Mecanismos de transferência de informações

Mensagem: Como o TON usa a função send_raw_message do FunC para desenvolver sua linguagem, as mensagens passadas pelos nós do TON são chamadas de “mensagens”. Uma transação em TON consiste em uma mensagem de entrada que inicialmente a aciona e um conjunto de mensagens de saída que são enviadas para outros contratos;

Roteamento de hipercubo: um mecanismo de mensagens estruturadas tridimensionais que permite que mensagens criadas em um bloco de uma cadeia fragmentada sejam rapidamente entregues e processadas no próximo bloco da cadeia fragmentada de destino.

Entrega de mensagens assíncronas

As chamadas assíncronas apresentam desafios de sincronização: em blockchains síncronas, as transações podem incluir várias chamadas de contratos inteligentes. Em sistemas assíncronos, os usuários não podem receber respostas imediatas do contrato inteligente alvo na mesma transação. Esse atraso ocorre porque as chamadas de contrato podem levar vários blocos para serem processadas, e a distância de roteamento entre os blocos de origem e de destino afeta esse processo.

Para alcançar a fragmentação infinita, é essencial garantir a paralelização completa das mensagens, levando à introdução do conceito de tempo lógico: No TON, cada transação é executada exclusivamente em um único contrato inteligente e se comunica entre contratos por meio de mensagens. Isto introduz o conceito de tempo lógico em cadeias assíncronas, permitindo a sincronização de mensagens entre cadeias. Cada mensagem tem seu tempo lógico ou tempo de Lamport (doravante denominado lt). Esse tempo é usado para rastrear os relacionamentos entre eventos e determinar quais eventos os validadores precisam processar primeiro.

A lógica de execução é garantida seguindo rigorosamente a ordem de execução da mensagem lt: As mensagens enviadas de uma conta e as transações ocorridas em uma conta são estritamente ordenadas, sendo o lt de transações geradas maior que o lt de mensagens. Além disso, o lt de mensagens enviadas em uma transação é estritamente maior que o lt da transação que aciona as mensagens. No caso de mensagens múltiplas, aquelas com menor lt são processadas mais cedo.

Mecanismo de roteamento do Hipercubo de Mensagens

TON emprega execução paralela com Fast Routing + Slow Routing:

Roteamento lento: um método de processamento de informações entre cadeias mais estável e tradicional, onde as informações são empacotadas em um bloco na cadeia de origem e depois retransmitidas de uma cadeia de fragmentos para outra por meio de um retransmissor. Várias cadeias de fragmentos intermediários também podem ser usadas para transmissão. Todas as cadeias de fragmentos formam um gráfico “hipercubo” e as mensagens se propagam ao longo das bordas desse hipercubo. Após a validação pelos validadores, as informações são empacotadas em outro bloco.

A vantagem do Slow Routing está na maior segurança e descentralização, pois todas as informações precisam passar por um processo completo de confirmação de bloco. Para uma rede hipercubo de cadeias de fragmentos com escala N, o número de rotas hop = log16(N). Portanto, são necessários apenas 4 nós de roteamento para suportar um milhão de cadeias de fragmentos.

Roteamento rápido: no roteamento lento, as mensagens se propagam ao longo das bordas do hipercubo. Para acelerar, o Fast Routing permite que os validadores da cadeia de fragmentos de destino processem a mensagem antecipadamente, forneçam uma prova Merkle e enviem um recibo para destruir a mensagem transmitida.

O Roteamento Rápido é mais rápido (os nós podem encontrar o caminho ideal) e evita entrega dupla. No entanto, não pode substituir o Slow Routing porque os validadores não são penalizados pela perda de recibos, o que representa um certo risco de segurança.

Estado global de um blockchain fragmentado

“Saco de células”: Conjunto de células atualizadas de maneira semelhante a um Gráfico Acíclico Direcionado (DAG). Isso envolve representar o novo estado como outro “saco de células” com sua própria raiz e, em seguida, combinar os conjuntos de células novos e antigos e, ao mesmo tempo, remover a raiz antiga.

Reparo de bloco vertical: Nas cadeias de fragmentos TON, cada bloco não é apenas um bloco, mas uma cadeia. Quando for necessário consertar um bloco em uma shard chain errada, um novo bloco será submetido à “cadeia de blocos vertical” para a substituição do bloco.

Consenso

A rede POS consiste em três funções:

1. Nós validadores: Participantes na manutenção da segurança da rede apostando 300.000 TON ao atender aos requisitos de hardware. Os blocos são criados por 100 a 1000 nós selecionados, eleitos mensalmente. Durante seu mandato, os nós eleitos são divididos em vários grupos de trabalho para criar novos blocos. Cada novo bloco requer assinaturas de mais de 2/3 dos nós apostados no grupo de trabalho para ser considerado criado com sucesso. O comportamento malicioso pode levar a cortes e desqualificação.
2. Pescador: Atua como supervisor enviando provas inválidas para verificar se os nós validadores concluíram diligentemente suas tarefas de verificação.
3. Nominador: sugere novos blocos candidatos à cadeia de fragmentos para nós validadores. Se o bloco for eleito, o curador lucra. Eles são responsáveis por verificar o estado da cadeia de fragmentos e dos dados da cadeia de fragmentos vizinha e enviá-los aos nós validadores.

BFT (tolerância a falhas bizantinas): TON, após pesar as opções, escolhe o BFT em vez do DPOS por seu maior nível de confiança e velocidade, apesar do DPOS ser mais rápido.

A nova estrutura da TON pode apoiar a transferência de informações em alta velocidade do TG

TON atinge alta velocidade e finalidade de transação por meio de uma arquitetura dinâmica de vários fragmentos: cada carteira de usuário no TON pode ter sua própria cadeia, e a base teórica para alto TPS inclui computação paralela de fragmentos, suporte para comunicação instantânea entre fragmentos e suporte TVM computação assíncrona.

O TON traz maior escalabilidade por meio de um mecanismo de passagem de informações: no blockchain TON, as chamadas entre contratos inteligentes são assíncronas e não atômicas. Isso significa que quando um contrato inteligente chama outro, a chamada não é executada imediatamente, mas é processada em algum bloco futuro após o término da transação. Este design permite maior escalabilidade, pois não requer a conclusão de todo o processamento de transações em um único bloco.

A TON continuará a otimizar a estrutura técnica no futuro…

O roteiro técnico da TON promoverá continuamente as vantagens de velocidade e escalabilidade da TON:

1. Separação de Classificadores e Validadores.
2. Escalabilidade e melhoria de velocidade: permitindo que a TON alcance expansão paralela no tratamento de um grande número de transações.
3. Guias e ferramentas de fragmentação de cadeia: guias de organização e exemplos de código para lidar com grandes cargas de trabalho TON em exchanges, sistemas de pagamento e serviços TON.
4. Melhorando a coordenação entre os nós validadores: Fortalecendo e melhorando a detecção e punição de validadores com baixo desempenho.

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