Principais pontos de lição

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

1. Entrega assíncrona de mensagens: O FunC, escolhido como linguagem de desenvolvimento, facilita a comunicação entre os nós TON através 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 cadeias. Isto é conseguido assegurando que o tempo lógico (lt) das mensagens é estritamente executado em ordem cronológica, garantindo a execução precisa das informações.
2. Mecanismo de encaminhamento de mensagens hipercubo: TON emprega uma combinação de encaminhamento regular e encaminhamento rápido. O encaminhamento regular passa mensagens entre estilhaços através de uma estrutura de hipercubo envolvendo nós adjacentes. O encaminhamento rápido incorpora provas Merkle que podem transmitir mensagens ao longo das bordas do hipercubo, aumentando a velocidade.
3. Consenso PoS + BFT para o desenvolvimento de ecossistemas: O POS evita cálculos extensivos durante o processo de geração de blocos, resultando em maior eficiência, custos mais baixos e melhor desempenho da rede, tornando-o propício para a implementação prática de aplicações DAPP. Embora o DPOS seja mais rápido, a sua velocidade de confiança é mais lenta do que os sistemas BFT. Portanto, a TON opta pelo mecanismo de consenso BFT.

A arquitetura dinâmica multi-shard do TON facilita a escalabilidade da aplicação: TON aumenta a velocidade através de consultas paralelas, melhora a precisão da consulta com sharding dinâmico e aumenta a extensibilidade através de um saco de estrutura de células.

1. Arquitetura dinâmica multi-shard: TON compreende três camadas — uma única masterchain, várias cadeias de trabalho e shardchains que podem aumentar, diminuir e dividir dinamicamente. Cada shardchain é uma coleção de várias cadeias de contas e os DAps podem activar autonomamente shardchains específicos.
2. Estado global rapidamente atualizável: Atualizar o estado global envolve uma estrutura semelhante ao DAG chamada “saco de células”. Atualiza rapidamente combinando um conjunto novo e antigo de células, removendo a raiz antiga. Simultaneamente, adota um mecanismo de reparação de blocos verticais para atualizar blocos.

A TON continuará a otimizar o seu quadro técnico no futuro: Através da expansão paralela, da introdução de ferramentas de sharding de cadeia e do reforço das inspeções de nós, o TON visa sustentar as suas vantagens em velocidade e escalabilidade.

Desafios de escalonamento de blockchain

A escalabilidade da blockchain é um desafio técnico crucial e um impulsionador fundamental para o desenvolvimento da tecnologia blockchain: À medida que as aplicações blockchain crescem e o número de utilizadores aumenta, as redes blockchain existentes enfrentam frequentemente problemas de rendimento insuficiente e longos tempos de confirmação de transações. Os designs tradicionais de blockchain limitam a sua capacidade de lidar com transações em grande escala e exigências dos utilizadores, levando a congestionamento da rede, altos custos de transação e ineficiência.

Os desafios da escalabilidade da blockchain derivam principalmente da arquitetura distribuída e dos mecanismos de consenso: O mecanismo de consenso e a natureza distribuída do blockchain exigem que todos os nós da rede verifiquem e registem todas as transações, limitando o rendimento da rede. Além disso, a segurança e as funcionalidades descentralizadas da blockchain exigem que todos os nós mantenham cópias completas da cadeia de blocos, aumentando a carga sobre o armazenamento e a transmissão.

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

1. A fragmentação, por exemplo, envolve dividir toda a rede blockchain em fragmentos ou fragmentos mais pequenos, com cada fragmento a processar independentemente uma parte das transações e dados. Embora este mecanismo possa melhorar a taxa de transferência e o desempenho geral da rede, ainda enfrenta desafios relacionados com a segurança e consistência da comunicação entre estilhaços e transações entre estilhaços. Além disso, os mecanismos de sharding devem abordar a concepção e implementação de mecanismos de consenso para garantir a consistência e a segurança geral da rede.
2. A tecnologia Sidechain envolve a criação e execução de blockchains independentes ligados 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 têm as suas próprias regras e funcionalidades. O princípio básico da tecnologia sidechain é processar algumas transações na sidechain, aliviando o fardo da cadeia principal e proporcionando maior escalabilidade e flexibilidade. No entanto, as cadeias laterais exigem mecanismos e protocolos seguros para garantir a segurança e consistência dos ativos nas transferências bidirecionais de ativos. Além disso, o design e 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 numa cadeia lateral e submete informações resumidas dessas transações à cadeia principal para verificação. A 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 com a centralização e a segurança com a abordagem Rollup.
4. Novos mecanismos de consenso, como o Proof of History (POH) de Solana, associam timestamps a cada transação, fornecendo uma sequência de tempo verificável para a cadeia de blocos. Esta sequência de tempo pode ser usada para verificar a ordem e a hora da transação, reduzindo os custos de comunicação e atrasos no processo de consenso. Enquanto Solana reivindica um TPS de até 65.000, o rendimento real dos dados, considerando a comunicação nó a nó, é de cerca de 6-8k TPS (diariamente cerca de 4-5k).

A blockchain TON, originária do Telegram, foi concebida com a ideia de servir uma base de utilizadores massiva: o Telegram é uma das plataformas sociais mais populares do mundo, ostentando mais de 800 milhões de utilizadores ativos mensais e transmitindo milhares de milhões de mensagens dentro do software todos os dias. TON, como a incursão do Telegram na web3, foi concebida desde o início para atender a milhares de milhões de utilizadores em vez de apenas uma pequena base de utilizadores.

Arquitetura Técnica do TON

Design adaptável de múltiplas cadeias com divisão infinita

O sharding do TON é de baixo para cima: Enquanto os esquemas convencionais de fragmentação de blockchain normalmente adotam uma abordagem de cima para baixo, estabelecendo um único blockchain primeiro e depois dividi-lo em blockchains interativos para melhorar o desempenho, o sharding do TON adota uma abordagem de baixo para cima. Organiza estas cadeias de contas em shardchains, formando uma Shardchain, onde as cadeias de trabalho existem puramente em formas virtuais ou lógicas. TON consegue processamento de transações paralelas em várias cadeias, referido como uma “cadeia de blocos de blockchains”. Esta abordagem aumenta eficazmente o desempenho do sistema.

TON apresenta uma arquitetura de sharding dinâmica, que consiste em masterchain, workchain e shardchain: A masterchain coordena, enquanto o processamento real da transação ocorre dentro de várias cadeias de trabalho e shardchains. Além disso, o sharding do TON é dinâmico, com cada conta a funcionar como uma shardchain. Estes podem combinar-se de forma adaptativa em shardchains maiores com base nas interações entre contas para responder às necessidades de expansão dinâmica.

1. Masterchain: Existe apenas um, abrangendo parâmetros de protocolo, conjuntos de validadores, partilhas correspondentes e registando as cadeias de trabalho ativas atuais e as suas shardchains subordinadas. As cadeias inferiores enviam o hash de bloco mais recente para a masterchain para garantir a determinação do estado mais recente quando a recuperação de mensagens entre cadeias é necessária.

Se o sharding atingir o 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 a transmitir informações mutuamente, formando a cadeia de trabalho através de Shardchains.

1. Cadeia de trabalho: É um conceito virtual existente como uma coleção de Shardchains, com o sistema suportando até 2^32 Workchains. Cada cadeia de trabalho pode personalizar regras de forma flexível, tais como tipos de transação, tipos de token, contratos inteligentes e formatos de endereço, desde que os padrões de interoperabilidade sejam cumpridos. No entanto, as cadeias de trabalho devem partilhar o mesmo formato de fila de mensagens para uma troca eficiente de mensagens, implicando garantias de segurança semelhantes para todas as cadeias de trabalho.
2. Shardchain: Para aumentar a eficiência do processamento, os Shardchains dividem-se automaticamente durante cargas elevadas e mesclam-se durante cargas reduzidas. Cada cadeia de trabalho divide-se ainda mais em Shardchains (até 2^60). As Shardchains distribuem o trabalho em todas as Shardchains, com cada uma a servir apenas uma parte da coleção da conta.

Mecanismos de Transferência de Informação

Mensagem: Uma vez que o TON utiliza a função send_raw_message do FunC para desenvolver a sua linguagem, as mensagens passadas pelos nós TON chamam-se “mensagens”. Uma transação em TON consiste numa 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 estruturado tridimensional que permite que as mensagens criadas num bloco de uma cadeia desfiada sejam rapidamente entregues e processadas para o próximo bloco da cadeia de destino.

Entrega assíncrona de mensagens

Chamadas assíncronas apresentam desafios de sincronização: Em blockchains síncronos, as transações podem incluir várias chamadas de contrato inteligente. Em sistemas assíncronos, os utilizadores não podem receber prontamente respostas do contrato inteligente de destino na mesma transação. Este atraso deve-se ao facto de as chamadas de contrato poderem levar vários bloqueios a serem processadas e a distância de encaminhamento entre os blocos de origem e de destino afeta este processo.

Para alcançar a sharding infinita, é essencial garantir a paralelização completa das mensagens, levando à introdução do conceito de tempo lógico: No TON, cada transação é executada apenas num único contrato inteligente e comunica entre contratos usando mensagens. Isto introduz o conceito de tempo lógico em cadeias assíncronas, permitindo a sincronização de mensagens entre cadeias. Cada mensagem tem a sua hora lógica ou hora de Lamport (doravante referida como lt). Este tempo é usado para rastrear as relações entre eventos e determinar quais eventos os validadores precisam processar primeiro.

A lógica de execução é garantida seguindo estritamente a ordem de execução da mensagem lt: As mensagens enviadas de uma conta e as transações que ocorrem numa conta são estritamente ordenadas, com o lt de transações geradas maior que o lt de mensagens. Além disso, o número de mensagens enviadas numa transação é estritamente maior do que o lt da transação que aciona as mensagens. No caso de várias mensagens, as com menor lt são processadas mais cedo.

Mensagem Mecanismo de encaminhamento Hypercube

TON emprega execução paralela com Fast Routing + Slow Routing:

Roteamento lento: Um método de processamento de informação entre cadeias mais estável e tradicional, onde as informações são empacotadas num bloco na cadeia de origem e depois retransmitidas de uma cadeia de estilhaços para outra através de um relayer. Várias cadeias de estilhaço intermediárias também podem ser usadas para transmissão. Todas as cadeias de estilhaço formam um gráfico de “hipercubo” e as mensagens propagam-se ao longo das bordas deste hipercubo. Após a validação pelos validadores, a informação é empacotada noutro bloco.

A vantagem do Slow Routing reside numa maior segurança e descentralização, uma vez que toda a informação precisa passar por um processo completo de confirmação do bloco. Para uma rede hipercúbica de cadeias de estilhaço com uma escala de N, o número de rotas salta = log16 (N). Portanto, apenas 4 nós de encaminhamento são necessários para suportar um milhão de cadeias de estilhaço.

Roteamento Rápido: No Slow Routing, as mensagens propagam-se ao longo das bordas do hipercubo. Para acelerar, o Fast Routing permite que os validadores da cadeia de estilhaço de destino processem a mensagem com antecedência, forneçam uma prova Merkle e enviem um recibo para destruir a mensagem de transmissão.

O encaminhamento rápido é mais rápido (os nós podem encontrar o caminho ideal) e impede a entrega dupla. No entanto, não pode substituir o Slow Routing porque os validadores não são penalizados por perder recibos, o que representa um certo risco de segurança.

Estado global de uma cadeia de blocos de blocos desfiada

“Saco de células”: Um conjunto de células atualizado de forma semelhante a um Gráfico Acíclico Dirigido (DAG). Isto envolve representar o novo estado como outro “saco de células” com a sua própria raiz e, em seguida, combinar os novos e antigos conjuntos de células, removendo simultaneamente a raiz antiga.

Reparação de blocos verticais: Nas cadeias de estilhaço TON, cada bloco não é apenas um bloco, mas uma corrente. Quando for necessário fixar um bloco numa cadeia de estilhaço errónea, um novo bloco será submetido à “cadeia de blocos vertical” para a substituição do bloco.

Consenso

A rede POS consiste em três funções:

1. Nodos Validadores: Participantes na manutenção da segurança da rede ao estocar 300.000 TONELADAS ao cumprir os requisitos de hardware. Os blocos são criados por 100 a 1000 nós selecionados, eleitos mensalmente. Durante o 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 serem considerados criados com sucesso. Comportamento malicioso pode levar a cortes e desqualificação.
2. Pescador: Atua como supervisor enviando provas inválidas para verificar se os nós validadores concluíram diligentemente as suas tarefas de verificação.
3. Nomeador: Sugere novos blocos candidatos à cadeia de estilhaço para nós validadores. Se o bloco for eleito, o curador lucra. São responsáveis por verificar o estado da cadeia de estilhaço e os dados da cadeia de estilhaço vizinhos e enviá-los para nós validadores.

BFT (Bizantine Fault Tolerance): TON, depois de ponderar as opções, escolhe o BFT em vez do DPOS pelo seu nível de confiança e velocidade mais elevados, apesar do DPOS ser mais rápido.

O novo quadro da TON pode suportar a transferência de informação a alta velocidade da TG

TON atinge alta velocidade de transação e finalidade através de uma arquitetura dinâmica multi-shard: Cada carteira de utilizador no TON pode ter a sua própria cadeia, e a base teórica para TPS elevado inclui computação paralela de estilhaços, suporte para comunicação instantânea entre estilhaços e TVM suportando computação assíncrona.

TON traz maior escalabilidade através de um mecanismo de passagem de informação: Na blockchain TON, as chamadas entre contratos inteligentes são assíncronas em vez de atómicas. 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 uma maior escalabilidade, uma vez que não requer a conclusão de todo o processamento de transações num único bloco.

A TON continuará a otimizar o quadro técnico no futuro...

O roteiro técnico da TON irá avançar continuamente as vantagens de velocidade e escalabilidade do TON:

1. Separação de Classificadores e Validadores.
2. Aumentar a escalabilidade e a velocidade: Permitir ao TON alcançar uma expansão paralela no tratamento de um grande número de transações.
3. Guias e ferramentas de partilha de cadeias: Guias de organização e exemplos de código para lidar com cargas elevadas de trabalho TON em bolsas, sistemas de pagamento e serviços TON.
4. Reforçar a coordenação entre os nós validadores: Reforçar e melhorar a detecção e punição de validadores com baixo desempenho.

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