Alles, was Sie über TON-Technik wissen sollten!

Die zentralen Thesen

TON verfügt über eine zentrale technologische Logik, die sich auf Hochgeschwindigkeitsanwendungen konzentriert: TON entstand aus Telegram, wobei Transaktionen basierend auf Nachrichten direkt in der Kette aufgezeichnet wurden und so die Peer-to-Peer-Kommunikation unterstützten.

1. Asynchrone Nachrichtenzustellung: FunC, die als Entwicklungssprache gewählt wurde, erleichtert die Kommunikation zwischen TON-Knoten durch den Austausch von „Nachrichten“. Da TON jedoch als asynchrone Kette arbeitet, ist die Einführung des Konzepts der logischen Zeit (It) von entscheidender Bedeutung für die korrekte Synchronisierung von Nachrichten über Ketten hinweg. Dies wird erreicht, indem sichergestellt wird, dass die logische Zeit (lt) der Nachrichten strikt in chronologischer Reihenfolge ausgeführt wird, wodurch die genaue Ausführung der Informationen gewährleistet wird.
2. Hypercube-Nachrichtenrouting-Mechanismus: TON verwendet eine Kombination aus regulärem Routing und schnellem Routing. Beim regulären Routing werden Nachrichten zwischen Shards über eine Hypercube-Struktur weitergeleitet, an der benachbarte Knoten beteiligt sind. Schnelles Routing umfasst Merkle-Proofs, die Nachrichten entlang der Ränder des Hyperwürfels weiterleiten und so die Geschwindigkeit erhöhen können.
3. PoS + BFT-Konsens für die Ökosystementwicklung: POS vermeidet umfangreiche Berechnungen während des Blockgenerierungsprozesses, was zu höherer Effizienz, geringeren Kosten und verbesserter Netzwerkleistung führt und die praktische Implementierung von DAPP-Anwendungen erleichtert. Während DPOS schneller ist, ist seine Vertrauensgeschwindigkeit langsamer als bei BFT-Systemen. Daher entscheidet sich TON für den BFT-Konsensmechanismus.

Die dynamische Multi-Shard-Architektur von TON erleichtert die Skalierbarkeit von Anwendungen: TON erhöht die Geschwindigkeit durch parallele Abfragen, verbessert die Abfragegenauigkeit durch dynamisches Sharding und steigert die Erweiterbarkeit durch eine Bag-of-Cells-Struktur.

1. Dynamische Multi-Shard-Architektur: TON besteht aus drei Schichten – einer einzelnen Masterchain, mehreren Workchains und Shardchains, die dynamisch vergrößert, verkleinert und aufgeteilt werden können. Jede Shardchain ist eine Sammlung verschiedener Kontoketten, und DAPPs können bestimmte Shardchains autonom aktivieren.
2. Schnell aktualisierbarer globaler Zustand: Die Aktualisierung des globalen Zustands erfordert eine DAG-ähnliche Struktur namens „Bag of Cells“. Es aktualisiert sich schnell, indem es einen neuen und einen alten Satz von Zellen kombiniert und den alten Stamm entfernt. Gleichzeitig wird ein vertikaler Blockreparaturmechanismus zur Aktualisierung von Blöcken eingesetzt.

TON wird sein technisches Framework auch in Zukunft weiter optimieren: Durch parallele Erweiterung, die Einführung von Chain-Sharding-Tools und die Verstärkung von Node-Inspektionen will TON seine Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit und Skalierbarkeit aufrechterhalten.

Herausforderungen bei der Blockchain-Skalierung

Die Skalierbarkeit der Blockchain ist eine entscheidende technische Herausforderung und ein wesentlicher Treiber für die Entwicklung der Blockchain-Technologie: Da Blockchain-Anwendungen wachsen und die Benutzerzahlen steigen, stehen bestehende Blockchain-Netzwerke häufig vor Problemen wie unzureichendem Durchsatz und langen Transaktionsbestätigungszeiten. Herkömmliche Blockchain-Designs schränken ihre Fähigkeit ein, umfangreiche Transaktionen und Benutzeranforderungen abzuwickeln, was zu Netzwerküberlastung, hohen Transaktionskosten und Ineffizienz führt.

Die Herausforderungen der Blockchain-Skalierbarkeit ergeben sich in erster Linie aus der verteilten Architektur und den Konsensmechanismen: Der Konsensmechanismus und die verteilte Natur der Blockchain erfordern, dass jeder Knoten im Netzwerk alle Transaktionen überprüft und aufzeichnet, was den Durchsatz des Netzwerks begrenzt. Darüber hinaus erfordern die Sicherheit und die dezentralen Funktionen der Blockchain, dass alle Knoten vollständige Blockchain-Kopien vorhalten, was die Belastung für Speicherung und Übertragung erhöht.

Um die Herausforderung der Blockchain-Skalierbarkeit anzugehen, haben Forscher verschiedene Skalierungslösungen wie Sharding, Sidechains und Layer-2-Lösungen vorgeschlagen: Diese Ansätze zielen darauf ab, den Netzwerkdurchsatz und die Leistung zu verbessern, indem das Netzwerk in kleinere Segmente unterteilt, unabhängige Blockchains eingeführt oder zusätzliche Strukturen aufgebaut werden auf der Hauptkette. Diese Lösungen bringen jedoch neue technische Herausforderungen und Sicherheitsprobleme mit sich, wie z. B. die Kommunikation zwischen Shards, Asset-Transfers zwischen Shards und die Gestaltung von Konsensmechanismen.

1. Beim Sharding wird beispielsweise das gesamte Blockchain-Netzwerk in kleinere Fragmente oder Shards aufgeteilt, wobei jeder Shard unabhängig einen Teil der Transaktionen und Daten verarbeitet. Obwohl dieser Mechanismus den Gesamtdurchsatz und die Leistung des Netzwerks verbessern kann, steht er dennoch vor Herausforderungen im Zusammenhang mit der Sicherheit und Konsistenz der Kommunikation zwischen Shards und Transaktionen zwischen Shards. Darüber hinaus müssen Sharding-Mechanismen die Gestaltung und Implementierung von Konsensmechanismen berücksichtigen, um die Konsistenz und Sicherheit des gesamten Netzwerks sicherzustellen.
2. Bei der Sidechain-Technologie werden unabhängige Blockchains erstellt und ausgeführt, die mit der Hauptkette innerhalb eines Blockchain-Netzwerks verbunden sind. Sidechains ermöglichen bidirektionale Vermögensübertragungen mit der Hauptkette und verfügen gleichzeitig über eigene Regeln und Funktionen. Das Grundprinzip der Sidechain-Technologie besteht darin, einige Transaktionen auf der Sidechain abzuwickeln, wodurch die Hauptkette entlastet wird und eine höhere Skalierbarkeit und Flexibilität gewährleistet wird. Allerdings erfordern Sidechains sichere Mechanismen und Protokolle, um die Sicherheit und Konsistenz von Vermögenswerten bei bidirektionalen Vermögensübertragungen zu gewährleisten. Darüber hinaus müssen beim Design und der Implementierung von Sidechains die Kompatibilität und Interoperabilität mit der Hauptkette berücksichtigt werden.
3. Rollup hingegen speichert eine große Menge an Transaktionsdaten außerhalb der Kette in einer Seitenkette und übermittelt zusammenfassende Informationen dieser Transaktionen zur Überprüfung an die Hauptkette. Sein Vorteil liegt in der deutlichen Verbesserung der Skalierbarkeit und Leistung des Blockchain-Netzwerks, indem Transaktionsdaten außerhalb der Kette gespeichert und die Hauptkette zur Verifizierung genutzt wird. Beim Rollup-Ansatz bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich der Zentralisierung und Sicherheit.
4. Neue Konsensmechanismen wie Solanas Proof of History (POH) verknüpfen Zeitstempel mit jeder Transaktion und stellen so eine überprüfbare Zeitsequenz für die Blockchain bereit. Diese Zeitsequenz kann verwendet werden, um die Reihenfolge und den Zeitpunkt der Transaktion zu überprüfen und so Kommunikationskosten und Verzögerungen im Konsensprozess zu reduzieren. Während Solana einen TPS von bis zu 65.000 angibt, liegt der tatsächliche Datendurchsatz unter Berücksichtigung der Knoten-zu-Knoten-Kommunikation bei etwa 6-8.000 TPS (täglich etwa 4-5.000).

Die aus Telegram hervorgegangene TON-Blockchain wurde mit der Idee konzipiert, eine riesige Benutzerbasis zu bedienen: Telegram ist eine der beliebtesten sozialen Plattformen der Welt mit über 800 Millionen aktiven Benutzern pro Monat und der Übertragung von Milliarden von Nachrichten innerhalb der Software täglich. TON, als Telegrams Vorstoß in Web3, war von Anfang an darauf ausgelegt, Milliarden von Benutzern und nicht nur eine kleine Benutzerbasis anzusprechen.

Technische Architektur von TON

Adaptives Infinite Split Multi-Chain-Design

Das Sharding von TON erfolgt von unten nach oben: Während herkömmliche Blockchain-Sharding-Schemata typischerweise einen Top-Down-Ansatz verfolgen, bei dem zunächst eine einzelne Blockchain erstellt und diese dann in interaktive Blockchains zerlegt wird, um die Leistung zu verbessern, verfolgt das Sharding von TON einen Bottom-up-Ansatz. Es organisiert diese Kontoketten in Shardchains und bildet eine Shardchain, in der Workchains ausschließlich in virtueller oder logischer Form existieren. TON erreicht eine parallele Transaktionsverarbeitung über mehrere Ketten hinweg, die als „Blockchain der Blockchains“ bezeichnet wird. Dieser Ansatz steigert effektiv die Systemleistung.

TON verfügt über eine dynamische Sharding-Architektur, bestehend aus Masterchain, Workchain und Shardchain: Die Masterchain koordiniert, während die eigentliche Transaktionsverarbeitung innerhalb verschiedener Workchains und Shardchains erfolgt. Darüber hinaus ist das Sharding von TON dynamisch, wobei jedes Konto als Shardchain fungiert. Diese können basierend auf den Interaktionen zwischen Konten adaptiv zu größeren Shardchains kombiniert werden, um dynamischen Erweiterungsanforderungen gerecht zu werden.

1. Masterchain: Es gibt nur eine, die Protokollparameter, Validatorsätze, entsprechende Freigaben und die Aufzeichnung aktuell aktiver Workchains und ihrer untergeordneten Shardchains umfasst. Untere Ketten übermitteln den neuesten Block-Hash an die Masterchain, um sicherzustellen, dass der neueste Status ermittelt wird, wenn ein kettenübergreifender Nachrichtenabruf erforderlich ist.

Wenn das Sharding sein Limit erreicht, speichert jede Shardchain nur ein Konto oder einen Smart Contract. Dadurch entstehen zahlreiche „Kontoketten“, die den Zustand und die Übergänge einzelner Konten beschreiben, wobei diese Ketten sich gegenseitig Informationen übermitteln und über Shardchains eine Workchain bilden.

1. Workchain: Es handelt sich um ein virtuelles Konzept, das als Sammlung von Shardchains existiert, wobei das System bis zu 2^32 Workchains unterstützt. Jede Workchain kann Regeln wie Transaktionstypen, Token-Typen, Smart Contracts und Adressformate flexibel anpassen, sofern die Interoperabilitätsstandards eingehalten werden. Für einen effizienten Nachrichtenaustausch müssen Workchains jedoch dasselbe Nachrichtenwarteschlangenformat verwenden, was ähnliche Sicherheitsgarantien für alle Workchains impliziert.
2. Shardchain: Um die Verarbeitungseffizienz zu verbessern, werden Shardchains bei hohen Lasten automatisch aufgeteilt und bei geringeren Lasten zusammengeführt. Jede Workchain unterteilt sich weiter in Shardchains (bis zu 2^60). Shardchains verteilen die Arbeit auf alle Shardchains, wobei jede nur einen Teil der Kontosammlung bedient.

Informationsübertragungsmechanismen

Nachricht: Da TON die send_raw_message- Funktion von FunC zur Entwicklung seiner Sprache verwendet, werden die von TON-Knoten übergebenen Nachrichten „Nachrichten“ genannt. Eine Transaktion in TON besteht aus einer eingehenden Nachricht, die sie zunächst auslöst, und einer Reihe ausgehender Nachrichten, die an andere Verträge gesendet werden;

Hypercube Routing: Ein dreidimensionaler strukturierter Nachrichtenmechanismus, der es ermöglicht, dass in einem Block einer Sharded-Kette erstellte Nachrichten schnell übermittelt und an den nächsten Block der Ziel-Sharded-Kette verarbeitet werden.

Asynchrone Nachrichtenzustellung

Asynchrone Aufrufe stellen Synchronisierungsherausforderungen dar: In synchronen Blockchains können Transaktionen mehrere Smart-Contract-Aufrufe umfassen. In asynchronen Systemen können Benutzer nicht sofort Antworten vom Ziel-Smart-Vertrag in derselben Transaktion erhalten. Diese Verzögerung ist darauf zurückzuführen, dass die Verarbeitung von Vertragsaufrufen mehrere Blöcke in Anspruch nehmen kann und die Routing-Entfernung zwischen Quell- und Zielblöcken diesen Prozess beeinflusst.

Um ein unendliches Sharding zu erreichen, ist es wichtig, eine vollständige Parallelisierung der Nachrichten sicherzustellen, was zur Einführung des Konzepts der logischen Zeit führt: In TON wird jede Transaktion ausschließlich auf einem einzigen Smart Contract ausgeführt und die Kommunikation zwischen Verträgen mithilfe von Nachrichten erfolgt. Dies führt das Konzept der logischen Zeit in asynchronen Ketten ein und ermöglicht die Synchronisierung von Nachrichten zwischen Ketten. Jede Nachricht hat ihre logische Zeit oder Lamport-Zeit (im Folgenden als lt bezeichnet). Diese Zeit wird verwendet, um die Beziehungen zwischen Ereignissen zu verfolgen und zu bestimmen, welche Ereignisvalidatoren zuerst verarbeiten müssen.

Die Ausführungslogik wird durch die strikte Einhaltung der Ausführungsreihenfolge der Nachrichten-LT gewährleistet: Von einem Konto gesendete Nachrichten und auf einem Konto stattfindende Transaktionen sind streng geordnet, wobei die LT der generierten Transaktionen größer ist als die LT der Nachrichten. Darüber hinaus ist die Länge der in einer Transaktion gesendeten Nachrichten grundsätzlich größer als die Länge der Transaktion, die die Nachrichten auslöst. Bei mehreren Nachrichten werden diejenigen mit geringerer Lt früher verarbeitet.

Nachrichten-Hypercube-Routing-Mechanismus

TON verwendet eine parallele Ausführung mit Fast Routing + Slow Routing:

Langsames Routing: Eine stabilere und traditionellere kettenübergreifende Informationsverarbeitungsmethode, bei der Informationen in einen Block in der Quellkette gepackt und dann über einen Relayer von einer Shard-Kette an eine andere weitergeleitet werden. Für die Übertragung können auch mehrere zwischengeschaltete Shard-Ketten verwendet werden. Alle Shard-Ketten bilden einen „Hyperwürfel“-Graphen, und Nachrichten breiten sich entlang der Ränder dieses Hyperwürfels aus. Nach der Validierung durch Validatoren werden die Informationen in einen anderen Block gepackt.

Der Vorteil von Slow Routing liegt in der höheren Sicherheit und Dezentralisierung, da alle Informationen einen vollständigen Blockbestätigungsprozess durchlaufen müssen. Für ein Hypercube-Netzwerk aus Shard-Ketten mit einer Skala von N beträgt die Anzahl der Routen-Hop = log16(N). Daher sind nur 4 Routing-Knoten erforderlich, um eine Million Shard-Ketten zu unterstützen.

Schnelles Routing: Beim langsamen Routing breiten sich Nachrichten entlang der Ränder des Hyperwürfels aus. Zur Beschleunigung ermöglicht Fast Routing den Validatoren der Ziel-Shard-Kette, die Nachricht im Voraus zu verarbeiten, einen Merkle-Beweis bereitzustellen und eine Quittung zu senden, um die sendende Nachricht zu zerstören.

Fast Routing ist schneller (Knoten können den optimalen Pfad finden) und verhindert eine doppelte Zustellung. Allerdings kann es Slow Routing nicht ersetzen, da Prüfer nicht für den Verlust von Belegen bestraft werden, was ein gewisses Sicherheitsrisiko darstellt.

Globaler Zustand einer Sharded-Blockchain

„Zellenbeutel“: Eine Reihe von Zellen, die auf ähnliche Weise wie ein gerichteter azyklischer Graph (DAG) aktualisiert werden. Dabei geht es darum, den neuen Zustand als einen weiteren „Zellbeutel“ mit eigener Wurzel darzustellen und dann die neuen und alten Zellsätze zu kombinieren und gleichzeitig die alte Wurzel zu entfernen.

Vertikale Blockreparatur: In TON-Shard-Ketten ist jeder Block nicht nur ein einzelner Block, sondern eine Kette. Wenn es notwendig ist, einen Block in einer fehlerhaften Shard-Kette zu reparieren, wird ein neuer Block an die „vertikale Blockkette“ übermittelt, um den Block zu ersetzen.

Konsens

Das POS-Netzwerk besteht aus drei Rollen:

1. Validator-Knoten: Teilnehmer an der Aufrechterhaltung der Netzwerksicherheit, indem sie 300.000 TONNEN einsetzen, wenn die Hardware-Anforderungen erfüllt sind. Blöcke werden von 100 bis 1000 ausgewählten Knoten erstellt, die monatlich gewählt werden. Während ihrer Amtszeit werden gewählte Knoten in mehrere Arbeitsgruppen aufgeteilt, um neue Blöcke zu erstellen. Jeder neue Block erfordert Signaturen von mehr als 2/3 der abgesteckten Knoten in der Arbeitsgruppe, um als erfolgreich erstellt zu gelten. Böswilliges Verhalten kann zu Kürzungen und zur Disqualifikation führen.
2. Fisherman: Fungiert als Supervisor, indem er ungültige Beweise sendet, um zu überprüfen, ob Validator-Knoten ihre Verifizierungsaufgaben sorgfältig abgeschlossen haben.
3. Nominator: Schlägt den Validatorknoten neue Shard-Chain-Kandidatenblöcke vor. Wird der Block gewählt, profitiert der Kurator. Sie sind dafür verantwortlich, den Zustand der Shard-Kette und benachbarter Shard-Kettendaten zu überprüfen und diese an Validierungsknoten zu senden.

BFT (Byzantine Fault Tolerance): TON wählt nach Abwägung der Optionen BFT gegenüber DPOS wegen der höheren Vertrauensstufe und Geschwindigkeit, obwohl DPOS schneller ist.

Das neue Framework von TON kann die Hochgeschwindigkeits-Informationsübertragung von TG unterstützen

TON erreicht eine hohe Transaktionsgeschwindigkeit und -endgültigkeit durch eine dynamische Multi-Shard-Architektur: Jedes Benutzer-Wallet in TON kann seine eigene Kette haben, und die theoretische Grundlage für hohe TPS umfasst die parallele Berechnung von Shards, die Unterstützung für sofortige Shard-übergreifende Kommunikation und die TVM-Unterstützung asynchrone Berechnung.

TON bietet eine höhere Skalierbarkeit durch einen Mechanismus zur Informationsweitergabe: In der TON-Blockchain sind Aufrufe zwischen Smart Contracts asynchron und nicht atomar. Das bedeutet, dass, wenn ein Smart Contract einen anderen aufruft, der Aufruf nicht sofort ausgeführt wird, sondern in einem zukünftigen Block nach Ende der Transaktion verarbeitet wird. Dieses Design ermöglicht eine höhere Skalierbarkeit, da nicht die gesamte Transaktionsverarbeitung in einem einzigen Block abgeschlossen werden muss.

TON wird die technischen Rahmenbedingungen auch in Zukunft weiter optimieren…

Die technische Roadmap von TON wird die Geschwindigkeits- und Skalierbarkeitsvorteile von TON kontinuierlich weiterentwickeln:

1. Trennung von Sortierern und Validatoren.
2. Skalierbarkeit und Geschwindigkeitsverbesserung: Ermöglicht TON eine parallele Erweiterung bei der Abwicklung einer großen Anzahl von Transaktionen.
3. Chain Sharding-Anleitungen und -Tools: Organisierende Anleitungen und Codebeispiele für die Bewältigung hoher TON-Arbeitsmengen in Börsen, Zahlungssystemen und TON-Diensten.
4. Verbesserung der Koordination zwischen Validatorknoten: Stärkung und Verbesserung der Erkennung und Bestrafung leistungsschwacher Validatoren.

Haftungsausschluss:

1. Dieser Artikel wurde von [community.tonup] nachgedruckt. Alle Urheberrechte liegen beim ursprünglichen Autor [Kiwi von der PKU Blockchain Association]. Wenn Sie Einwände gegen diesen Nachdruck haben, wenden Sie sich bitte an das Gate Learn- Team, das sich umgehend darum kümmern wird.
2. Haftungsausschluss: Die in diesem Artikel geäußerten Ansichten und Meinungen sind ausschließlich die des Autors und stellen keine Anlageberatung dar.
3. Übersetzungen des Artikels in andere Sprachen werden vom Gate Learn-Team durchgeführt. Sofern nicht anders angegeben, ist das Kopieren, Verbreiten oder Plagiieren der übersetzten Artikel verboten.