No contexto do rápido desenvolvimento da economia digital, a tecnologia blockchain, como representante de mecanismos de confiança descentralizados, está gradualmente permeando setores como finanças, cadeias de suprimentos e saúde. No entanto, os sistemas tradicionais de blockchain, muitas vezes baseados em arquiteturas lineares únicas, incluindo blockchains completos como Ethereum, estão cada vez mais incapazes de atender à crescente demanda do mercado. Eles enfrentam desafios sérios em escalabilidade e velocidade de processamento de transações. A tecnologia de paralelização de blockchain surgiu para abordar essas questões, visando possibilitar o processamento simultâneo de várias transações.
Modelo de Execução Paralela para Transação de Contrato Inteligente de Blockchain (Fonte: jos.org)
Blockchain paralelizado introduz um design de processamento paralelo dentro da blockchain, permitindo que múltiplas transações ou contratos inteligentes sejam processados simultaneamente, em vez de sequencialmente. Esse mecanismo permite que a rede blockchain lide com mais transações ao mesmo tempo, aumentando significativamente a capacidade de processamento e reduzindo a latência das transações, tornando-se assim uma solução central para atender às demandas de aplicativos em grande escala.
Este artigo explora os princípios fundamentais da paralelização de blockchain, analisando suas vantagens e desafios em aplicações práticas. Ele mostra a exploração e a prática de projetos líderes em tecnologia de paralelização, visando fornecer informações valiosas para o futuro desenvolvimento da tecnologia blockchain.
A execução paralela, uma técnica que permite que várias tarefas sejam executadas simultaneamente, tem sido amplamente aplicada em áreas como processamento de dados e renderização de gráficos. A introdução desse conceito nos sistemas de blockchain reduz efetivamente os tempos de processamento de transações e atende às crescentes demandas de poder computacional.
Existem vários métodos para implementar o processamento paralelo. Alguns projetos de blockchain focam na execução paralela de contratos inteligentes, enquanto outros visam a paralelização na verificação de transações e atualizações de estado. No entanto, cada método enfrenta desafios técnicos específicos ao buscar melhorar a eficiência da rede, com os detalhes de implementação dependendo da abordagem escolhida.
Execução paralela versus caminhos de execução tradicionais (Fonte: foresightnews.pro)
A maioria das blockchains com capacidades de execução paralela depende de dois métodos populares: o método de acesso ao estado e o modelo otimista.
O método de acesso ao estado é uma abordagem estratégica que identifica proativamente quais transações podem acessar partes específicas do estado do blockchain, permitindo assim que o blockchain designe transações independentes. Em contraste, o modelo otimista pressupõe que todas as transações são independentes, verificando apenas essa suposição retrospectivamente e fazendo ajustes, se necessário.
No modelo de acesso de estado, a execução da transação normalmente usa uma estratégia de controle de concorrência otimista, assumindo que as transações não entram em conflito. Os retornos ocorrem apenas quando os conflitos realmente surgem. Este método melhora a taxa de transferência da transação e a experiência do usuário, embora exija um mecanismo de detecção de conflitos precisamente projetado para garantir a consistência dos dados e a segurança do sistema.
Sharding é uma das soluções mais comuns para paralelizar blockchains. Sua ideia principal é dividir a rede blockchain em vários fragmentos, permitindo que cada fragmento processe transações e dados independentemente. Esse design melhora significativamente a capacidade de processamento e a escalabilidade da rede, abordando o gargalo de desempenho das blockchains tradicionais. Os projetos atuais que utilizam a tecnologia de shard incluem Ethereum 2.0, Zilliqa, NEAR Protocol e QuarkChain. Esses projetos abordam efetivamente os problemas de escalabilidade das blockchains por meio do sharding, aprimorando a eficiência da rede.
Quando aplicada a aplicativos blockchain, a tecnologia de fragmentação é normalmente implementada nos três métodos a seguir:
Como podemos ver, a tecnologia de fragmentação pode efetivamente particionar transações. Embora cada método de fragmentação tenha suas próprias vantagens na melhoria da escalabilidade, todos enfrentam o desafio comum da comunicação entre fragmentos. O aprimoramento contínuo dos algoritmos de consistência de dados é necessário para garantir o desempenho geral do sistema.
Tomando o Sharding Dinâmico da TON como Exemplo
Em uma arquitetura de blockchain fragmentada, a TON (The Open Network) se destaca devido ao seu design de "fragmentação dinâmica". Usando o "Paradigma de Fragmentação Infinita" (ISP), a TON pode ajustar o número de fragmentos de forma flexível para acomodar as demandas da rede em tempo real, alcançando uma gestão eficiente de fragmentos. Essa arquitetura demonstra um potencial de desempenho significativo, permitindo que a TON mantenha um alto desempenho ao lidar com grandes volumes de transações e abordar os problemas de escalabilidade enfrentados pelos blockchains tradicionais.
A estrutura de fragmentação do TON é composta por quatro níveis de cadeias:
A estrutura de shard única da TON suporta processamento paralelo em várias cadeias, com coordenação eficiente alcançada através da MasterChain (Fonte:OKX)
Na prática, o TON ajusta dinamicamente o número de shards para responder às mudanças na carga da rede. O número de ShardChains aumenta ou diminui automaticamente, dependendo da carga atual, permitindo que a rede opere de maneira eficiente: quando a carga aumenta, o TON refina os shards para lidar com mais transações; quando a carga diminui, os shards se fundem para conservar recursos. Através do Paradigma de Sharding Infinito, o TON pode suportar um número quase ilimitado de shards, teoricamente alcançando 2 elevado à 60 WorkChains. Além disso, o TON se adapta criando automaticamente mais shards em regiões com frequência de transação aumentada, melhorando a eficiência de processamento.
O design de fragmentação dinâmica depende fortemente da comunicação entre cadeias. Para isso, a TON introduziu o algoritmo de roteamento hipercubo. Com base na topologia de alta dimensão, esse algoritmo atribui um identificador único a cada nó da WorkChain, permitindo a transferência de informações entre cadeias através do caminho mais curto, atendendo às necessidades de roteamento em um ambiente fragmentado em grande escala. Além disso, a TON desenvolveu o 'Instant Hypercube Routing', que utiliza o nó raiz do Trie de Merkle para fornecer prova de roteamento, simplificando mensagens complexas entre cadeias e aprimorando a eficiência de comunicação.
Em comparação com o mecanismo tradicional de Prova de Trabalho (PoW), o mecanismo de Prova de Participação (PoS) seleciona nós com mais tokens para participar do consenso, reduzindo a concentração de poder computacional e minimizando a competição e o consumo de energia entre os mineradores. Isso aumenta a eficiência e, ao mesmo tempo, garante a segurança e a descentralização do sistema. A combinação de PoS e sharding do Ethereum 2.0 é um exemplo clássico dessa tecnologia.
Especificamente, o Ethereum 2.0 divide a rede em vários shards e usa o mecanismo de consenso PoS para atribuir tarefas entre vários validadores, sendo que cada validador é responsável por verificar transações dentro de um shard, aumentando significativamente a taxa de transferência. O PoS também reduz o risco de qualquer validador único obter controle excessivo, selecionando aleatoriamente validadores e aprimorando a natureza descentralizada da rede blockchain. Em relação à segurança, a validação de cada shard é gerenciada por diferentes grupos de nós, portanto, um atacante precisaria controlar vários shards para lançar um ataque, tornando mais difícil realizar um ataque de 51%. Esse mecanismo de proteção em várias camadas melhora a segurança da rede.
Da mesma forma, o Protocolo NEAR [2] também combina PoS e tecnologia de sharding. Através do seu protocolo “Nightshade”, o NEAR integra o consenso PoS em um design de blockchain paralelizado, aumentando a eficiência ao permitir que cada shard mantenha apenas sua parte do estado. Isso não apenas garante a consistência da rede global, mas também melhora a segurança do sistema.
A execução paralela baseada em computação é um conceito relativamente novo que visa otimizar a eficiência de processamento de blockchain, dividindo tarefas computacionais complexas em unidades menores para execução paralela. Embora esse modelo inovador ainda não tenha alcançado adoção generalizada, seu potencial impacto revolucionário é notável.
Na prática, cálculos complexos são distribuídos para diferentes nós para execução paralela, e os resultados são agregados depois que cada nó completa seus cálculos. Esta abordagem melhora a eficiência computacional, reduz a latência da transação e é adequada para aplicações intensivas em computação. No entanto, a implementação deste método apresenta vários desafios, como garantir a eficiência da comunicação entre os nós e alcançar a consistência final dos resultados computacionais.
Na evolução da tecnologia blockchain, Ethereum 2.0 e Polkadot surgem como dois exemplos pioneiros. Esses projetos estão na vanguarda da abordagem dos desafios críticos no espaço da blockchain - ou seja, escalabilidade, segurança e sustentabilidade. Vamos aprofundar uma análise detalhada desses dois casos inovadores.
O Ethereum 2.0 (Eth2) é uma atualização importante para a rede Ethereum 1.0 que tem como objetivo aprimorar a escalabilidade, segurança e sustentabilidade. A execução paralela é um componente-chave para alcançar esses objetivos.
Ao fazer a transição do mecanismo de Prova de Trabalho (PoW) para Prova de Participação (PoS), o Ethereum 2.0 introduz o sharding, dividindo toda a rede blockchain em "fragmentos" menores. Cada estilhaço pode processar e verificar transações de forma independente, aumentando significativamente a taxa de transferência geral. Além disso, o Ethereum 2.0 permite que cada fragmento mantenha seu próprio estado independente, aumentando ainda mais a eficiência da execução paralela e reduzindo a carga na cadeia principal, permitindo assim um processamento de transações mais eficiente. Por fim, o Ethereum 2.0 incorpora um eficiente mecanismo de comunicação entre fragmentos para garantir a consistência dos dados e a interação entre diferentes fragmentos, o que é essencial para suportar aplicações descentralizadas complexas [3].
Por meio do processamento paralelo, espera-se que o Ethereum 2.0 aumente significativamente a velocidade de processamento de transações, abordando efetivamente a crescente demanda do usuário e cenários de aplicação diversificados, especialmente em setores como DeFi e NFTs. Em resumo, ao introduzir execução paralela, o Ethereum 2.0 não apenas alcança um avanço técnico, mas também estabelece uma base mais sólida para o crescimento de aplicativos descentralizados, avançando a adaptabilidade da rede Ethereum no futuro.
Ilustração do Ethereum 2.0 data sharding (Fonte:sohu.com)
Polkadot é um protocolo de rede multi-cadeia inovador projetado para permitir interoperabilidade e escalabilidade entre blockchains. Como uma arquitetura multi-cadeia heterogênea, o Polkadot é composto por uma "Cadeia de Relevo" centralizada e múltiplas "Paracadeias" independentes. Cada Paracadeia pode ter seu próprio modelo de governança e econômico, permitindo que diferentes blockchains se comuniquem e compartilhem dados de forma eficiente.
O design do Polkadot alavanca um mecanismo de segurança compartilhado, garantindo que todas as Parachains se beneficiem da segurança fornecida pela Relay Chain, reduzindo assim a carga de segurança em cada Parachain individual. Além disso, o Polkadot emprega tecnologia de execução paralela, permitindo que várias Parachains processem transações simultaneamente, aumentando significativamente a capacidade geral da rede. Essa capacidade de processamento paralelo permite que o Polkadot lide efetivamente com as crescentes demandas de transações, especialmente em cenários de aplicativos complexos como DeFi, NFT e outros [4].
O mecanismo de Passagem de Mensagens entre Cadeias Cruzadas (XCMP) da Polkadot permite a interação perfeita entre diferentes Parachains, proporcionando aos desenvolvedores uma maior amplitude para a inovação. Através do XCMP, os desenvolvedores podem criar aplicativos descentralizados interconectados, promovendo ainda mais o crescimento do ecossistema.
Estrutura de interoperabilidade Polkadot (Fonte:O que é Polkadot? Uma breve introdução - ImmuneBytes)
Ethereum 2.0 VS. Polkadot (Fonte da tabela: gate Learn)
A abordagem dos desafios de escalabilidade da blockchain continua sendo uma área-chave de pesquisa. Além da tecnologia de execução paralela, várias soluções alternativas para escalabilidade valem a pena explorar.
Soluções de Camada 2 (L2) são especificamente projetadas para expandir a capacidade da blockchain. Em sua essência, elas fornecem uma camada de execução independente, geralmente composta por duas partes: uma rede para processar transações e smart contracts implantados na blockchain subjacente. Os smart contracts lidam com disputas e transmitem os resultados do consenso da rede L2 para a cadeia principal para validação e confirmação.
Soluções de Camada 2 oferecem vantagens distintas e recursos técnicos. Primeiro, elas melhoram significativamente a escalabilidade, uma vez que as transações não precisam ser confirmadas individualmente na cadeia principal. A L2 pode lidar com um volume de transações mais elevado, aliviando a congestão nas redes da Camada 1 (como Ethereum e Bitcoin) e reduzindo substancialmente as taxas de transação por meio do processamento off-chain. Embora a maioria das operações ocorra off-chain, a L2 ainda depende da segurança da cadeia principal, garantindo que os resultados finais das transações sejam confiáveis e imutáveis.
Soluções comuns de L2 incluem canais de estado, Rollups e Plasma. Canais de estado permitem que vários participantes interajam off-chain com frequência, enviando o estado final para a blockchain apenas no final; a Lightning Network do Bitcoin é um exemplo típico. Rollups, atualmente a solução L2 mais amplamente adotada, são divididos em Rollups Otimistas e zk-Rollups: Rollups Otimistas assumem que as transações são válidas, a menos que contestadas, enquanto zk-Rollups usam provas de conhecimento zero para garantir a precisão das transações quando os dados são enviados. Plasma é uma estrutura que permite a criação de subcadeias de várias camadas, cada uma capaz de lidar com numerosas transações.
Visão geral das soluções de camada 2 (Fonte: blackmountainig.com)
Melhorar os mecanismos de consenso também é uma abordagem eficaz para aumentar a escalabilidade do blockchain. Isso envolve a introdução de algoritmos de consenso mais eficientes (como Proof of Stake (PoS) e Byzantine Fault Tolerance (BFT)) para aumentar a velocidade de processamento de transações. Em comparação com o tradicional Proof of Work (PoW), esses novos mecanismos de consenso são mais rápidos na confirmação de transações e reduzem significativamente o consumo de energia, alinhando-se melhor com os requisitos de desenvolvimento sustentável.
Além disso, esses mecanismos aceleram o processo de consenso, determinando geradores de blocos com base em fatores como os tokens mantidos por nós validadores. No entanto, apesar das muitas vantagens de mecanismos de consenso aprimorados, a transição de mecanismos existentes para novos frequentemente vem acompanhada de desafios e riscos técnicos, especialmente problemas de compatibilidade e instabilidade do sistema durante o período de transição. Alguns mecanismos de consenso também podem levar à centralização do poder, criando um fenômeno de "ricos ficam mais ricos", potencialmente ameaçando o princípio central da descentralização do blockchain. No entanto, para redes blockchain com altos requisitos de eficiência de processamento de transações e consumo de energia, melhorar os mecanismos de consenso continua sendo uma solução de escalabilidade que vale a pena explorar.
Mecanismos de consenso PoW vs. PoS (Fonte: blog.csdn.net)
A otimização dos parâmetros do bloco envolve ajustar parâmetros-chave como o tamanho do bloco e o tempo do bloco para melhorar a capacidade de processamento e a capacidade de resposta da blockchain. Esta abordagem oferece melhorias rápidas de desempenho, é relativamente simples de implementar e tem baixos custos de implementação, tornando-a adequada para cenários que exigem uma resposta rápida, como lidar com picos no tráfego ou surtos de curto prazo em transações.
No entanto, confiar apenas em ajustes de parâmetros muitas vezes tem impacto limitado, e equilibrar o desempenho da rede com a estabilidade é essencial. Mudanças excessivas ou extremas de parâmetros podem causar congestionamento de rede ou conflitos no mecanismo de consenso. Portanto, a otimização de parâmetros de bloco é tipicamente adequada para cenários com demandas de desempenho de curto prazo, como responder rapidamente a mudanças de mercado.
Cada solução de escalabilidade é mais adequada para diferentes casos de uso. Ao escolher a solução de escalabilidade apropriada, os tomadores de decisão devem garantir que as soluções selecionadas possam se complementar, proporcionando à indústria um caminho de escalabilidade mais flexível e eficiente.
Comparação de Soluções
Comparação de diferentes soluções de escalonamento (Fonte da tabela: gate Learn)
Em comparação com os modelos tradicionais de processamento sequencial, as redes de cadeias paralelas podem atingir velocidades de processamento de transações (TPS) até 100 vezes maiores do que o processamento sequencial. Por exemplo, a arquitetura SeaLevel da Solana [6] pode lidar com mais de 50.000 TPS em condições ideais. Embora a velocidade real possa variar com a demanda da rede, esse desempenho excede em muito o das blockchains tradicionais.
A escalabilidade horizontal eficaz tornou-se essencial com o rápido crescimento do tráfego de rede. As blockchains paralelas introduzem processamento paralelo multi-thread, dando às redes blockchain a capacidade de escalar com o aumento da demanda do usuário. Isso é particularmente benéfico em aplicativos de transação de alta frequência, como jogos e cadeias de suprimentos, onde o design paralelo permite o processamento descentralizado de tarefas para manter a estabilidade do sistema e a velocidade de resposta, atendendo às demandas de taxa de transferência de aplicativos de grande escala.
Caminho de processamento paralelo Solana (Fonte: blog.slerf.tools)
O processamento paralelo de transações independentes reduz significativamente o atraso desde a submissão da transação até a execução, o que é altamente valorizado no processamento de dados em tempo real. Em cenários que exigem uma resposta rápida - como finanças descentralizadas (DeFi) - a confirmação de transações em tempo real não só melhora a experiência do usuário, mas também reduz os riscos de transação e a pressão de carga do sistema associados aos atrasos.
Por exemplo, o modelo de execução paralela de Sui introduz um mecanismo inovador que permite que transações simples, que não exigem consenso complexo, contornem o mecanismo de consenso, reduzindo drasticamente os tempos de confirmação. Em comparação com o processamento serial tradicional, esse design paralelo oferece suporte à execução de transações em tempo real, o que é fundamental para manter a estabilidade do sistema e uma experiência de usuário suave.
À medida que os protocolos de comunicação entre cadeias e as novas tecnologias de execução paralela continuam a evoluir, as redes blockchain alcançarão modos de operação mais eficientes. Baixa latência e alto rendimento também se tornarão indicadores cruciais da competitividade do mercado.
Em blockchains tradicionais, onde as transações são processadas sequencialmente, na maioria das vezes apenas um nó executa operações enquanto os outros nós esperam, levando a ociosidade de recursos. A tecnologia paralela permite que vários validadores e núcleos de processamento trabalhem simultaneamente, rompendo o gargalo de processamento de um único nó e maximizando a eficiência dos recursos de rede.
Essa otimização da utilização de recursos não só elimina os “períodos ociosos” durante o processamento de transações, mas também melhora significativamente o desempenho geral da rede, especialmente em condições de alta carga, permitindo que a rede lide com mais solicitações de transações com latência reduzida.
Ao contrário do processamento sequencial tradicional, a execução paralela permite uma execução de transação cross-market mais flexível e eficiente através de uma gestão de mercado refinada e uma alocação de recursos otimizada, reduzindo significativamente a carga computacional para a execução de contratos inteligentes e, portanto, reduzindo as taxas de gás. Este design maximiza o uso de recursos de rede e evita o desperdício de recursos computacionais causados por filas de tarefas únicas.
Com uma distribuição racional de carga, os recursos são alocados de forma eficiente, de modo que validadores e nós de processamento não precisam lidar com dados redundantes, resultando em um ambiente de transação de blockchain mais econômico para desenvolvedores e usuários.
Explicação da Rede Sei sobre execução paralela nas redes sociais (Fonte: x)
O Sharding divide o blockchain em vários shards independentes, o que permite aos atacantes concentrarem esforços em um shard específico para obter o controle sobre ele. Se um atacante capturar com sucesso um shard, ele pode manipular transações e dados dentro dele, representando uma ameaça séria para a segurança geral da rede. Esse controle local pode levar a operações inadequadas, manipulação de dados e possivelmente intensificar ataques em outros shards, comprometendo a integridade e confiabilidade de todo o blockchain.
Além disso, a segurança da comunicação entre fragmentos é crucial. Se a comunicação entre fragmentos não for segura, pode levar à perda de dados, manipulação ou erros de transmissão, criando potenciais problemas de confiança dentro do sistema.
Transações entre fragmentos exigem a coordenação de dados de estado entre diferentes fragmentos para garantir a atomicidade das transações. Para evitar falhas nas transações devido a atrasos ou problemas de rede, os desenvolvedores também precisam otimizar os mecanismos de mensagens e sincronização de estado.
Este desafio não apenas aumenta a complexidade do design do sistema, mas também requer novas estratégias dentro da lógica do contrato para lidar com erros e inconsistências potenciais. A execução bem-sucedida de contratos inteligentes entre shards depende não apenas das capacidades técnicas do blockchain subjacente, mas também da implementação de estratégias mais complexas no design do contrato para garantir uma execução suave e eficiente em um ambiente shardado.
A atual tecnologia blockchain paralela carece de padronização, com diferentes plataformas adotando tecnologias e protocolos variados. Essa diversidade levou a diferenças significativas nos mecanismos de consenso, estruturas de dados e camadas de protocolo. Embora essa diversidade tenha impulsionado a inovação, ela também reduziu significativamente a interoperabilidade entre diferentes blockchains, tornando as operações entre cadeias mais complexas e difíceis.
A falta de interoperabilidade não apenas restringe o fluxo livre de ativos entre diferentes blockchains, mas também pode representar riscos de segurança, como possível perda de ativos em operações entre cadeias. Portanto, abordar os riscos de interoperabilidade da execução paralela requer inovação tecnológica e padronização e ampla cooperação dentro da indústria para estabelecer um ecossistema mais robusto.
Pesquisas futuras em blockchain paralelizado devem se concentrar na otimização da comunicação entre shards.
A indústria deve explorar ativamente protocolos padronizados e estruturas de interoperabilidade para garantir a consistência dos dados e o processamento preciso de transações em todos os shards, a fim de promover a integração contínua do sistema e o compartilhamento de recursos, aumentando assim a sinergia dentro do ecossistema blockchain. Além disso, a segurança continua sendo um aspecto fundamental na otimização do sharding, pesquisas futuras devem desenvolver modelos de segurança mais robustos para proteger contra ataques maliciosos e incorporar tecnologias emergentes, como provas de conhecimento zero e criptografia homomórfica, para aumentar a privacidade e a interoperabilidade on-chain.
No que diz respeito à expansão do aplicativo, já existem estudos de caso bem-sucedidos para se inspirar. Por exemplo, a Uniswap melhorou significativamente as capacidades de resposta por meio do processamento paralelo, reduzindo assim os custos de transação e otimizando os processos de pagamento transfronteiriços. Diferentes setores devem explorar aplicativos de cadeia paralela diversificados para desbloquear seu valor em várias áreas. Isso ajudaria a estabelecer uma base sólida para um ambiente de desenvolvimento tecnológico eficiente, transparente e sustentável, acelerando a transformação digital e apoiando um futuro de economia digital mais eficiente.
Referências
1.https://foresightnews.pro/article/detail/34400
2.https://pages.near.org/papers/nightshade/
3.https://www.sohu.com/a/479352768_121118710
4..https://www.immunebytes.com/blog/what-is-polkadot-a-brief-introduction/
5.https://blackmountainig.com/visão-geral-das-soluções-de-escalabilidade-de-camada-2/
6.https://www.sealevel.com/
No contexto do rápido desenvolvimento da economia digital, a tecnologia blockchain, como representante de mecanismos de confiança descentralizados, está gradualmente permeando setores como finanças, cadeias de suprimentos e saúde. No entanto, os sistemas tradicionais de blockchain, muitas vezes baseados em arquiteturas lineares únicas, incluindo blockchains completos como Ethereum, estão cada vez mais incapazes de atender à crescente demanda do mercado. Eles enfrentam desafios sérios em escalabilidade e velocidade de processamento de transações. A tecnologia de paralelização de blockchain surgiu para abordar essas questões, visando possibilitar o processamento simultâneo de várias transações.
Modelo de Execução Paralela para Transação de Contrato Inteligente de Blockchain (Fonte: jos.org)
Blockchain paralelizado introduz um design de processamento paralelo dentro da blockchain, permitindo que múltiplas transações ou contratos inteligentes sejam processados simultaneamente, em vez de sequencialmente. Esse mecanismo permite que a rede blockchain lide com mais transações ao mesmo tempo, aumentando significativamente a capacidade de processamento e reduzindo a latência das transações, tornando-se assim uma solução central para atender às demandas de aplicativos em grande escala.
Este artigo explora os princípios fundamentais da paralelização de blockchain, analisando suas vantagens e desafios em aplicações práticas. Ele mostra a exploração e a prática de projetos líderes em tecnologia de paralelização, visando fornecer informações valiosas para o futuro desenvolvimento da tecnologia blockchain.
A execução paralela, uma técnica que permite que várias tarefas sejam executadas simultaneamente, tem sido amplamente aplicada em áreas como processamento de dados e renderização de gráficos. A introdução desse conceito nos sistemas de blockchain reduz efetivamente os tempos de processamento de transações e atende às crescentes demandas de poder computacional.
Existem vários métodos para implementar o processamento paralelo. Alguns projetos de blockchain focam na execução paralela de contratos inteligentes, enquanto outros visam a paralelização na verificação de transações e atualizações de estado. No entanto, cada método enfrenta desafios técnicos específicos ao buscar melhorar a eficiência da rede, com os detalhes de implementação dependendo da abordagem escolhida.
Execução paralela versus caminhos de execução tradicionais (Fonte: foresightnews.pro)
A maioria das blockchains com capacidades de execução paralela depende de dois métodos populares: o método de acesso ao estado e o modelo otimista.
O método de acesso ao estado é uma abordagem estratégica que identifica proativamente quais transações podem acessar partes específicas do estado do blockchain, permitindo assim que o blockchain designe transações independentes. Em contraste, o modelo otimista pressupõe que todas as transações são independentes, verificando apenas essa suposição retrospectivamente e fazendo ajustes, se necessário.
No modelo de acesso de estado, a execução da transação normalmente usa uma estratégia de controle de concorrência otimista, assumindo que as transações não entram em conflito. Os retornos ocorrem apenas quando os conflitos realmente surgem. Este método melhora a taxa de transferência da transação e a experiência do usuário, embora exija um mecanismo de detecção de conflitos precisamente projetado para garantir a consistência dos dados e a segurança do sistema.
Sharding é uma das soluções mais comuns para paralelizar blockchains. Sua ideia principal é dividir a rede blockchain em vários fragmentos, permitindo que cada fragmento processe transações e dados independentemente. Esse design melhora significativamente a capacidade de processamento e a escalabilidade da rede, abordando o gargalo de desempenho das blockchains tradicionais. Os projetos atuais que utilizam a tecnologia de shard incluem Ethereum 2.0, Zilliqa, NEAR Protocol e QuarkChain. Esses projetos abordam efetivamente os problemas de escalabilidade das blockchains por meio do sharding, aprimorando a eficiência da rede.
Quando aplicada a aplicativos blockchain, a tecnologia de fragmentação é normalmente implementada nos três métodos a seguir:
Como podemos ver, a tecnologia de fragmentação pode efetivamente particionar transações. Embora cada método de fragmentação tenha suas próprias vantagens na melhoria da escalabilidade, todos enfrentam o desafio comum da comunicação entre fragmentos. O aprimoramento contínuo dos algoritmos de consistência de dados é necessário para garantir o desempenho geral do sistema.
Tomando o Sharding Dinâmico da TON como Exemplo
Em uma arquitetura de blockchain fragmentada, a TON (The Open Network) se destaca devido ao seu design de "fragmentação dinâmica". Usando o "Paradigma de Fragmentação Infinita" (ISP), a TON pode ajustar o número de fragmentos de forma flexível para acomodar as demandas da rede em tempo real, alcançando uma gestão eficiente de fragmentos. Essa arquitetura demonstra um potencial de desempenho significativo, permitindo que a TON mantenha um alto desempenho ao lidar com grandes volumes de transações e abordar os problemas de escalabilidade enfrentados pelos blockchains tradicionais.
A estrutura de fragmentação do TON é composta por quatro níveis de cadeias:
A estrutura de shard única da TON suporta processamento paralelo em várias cadeias, com coordenação eficiente alcançada através da MasterChain (Fonte:OKX)
Na prática, o TON ajusta dinamicamente o número de shards para responder às mudanças na carga da rede. O número de ShardChains aumenta ou diminui automaticamente, dependendo da carga atual, permitindo que a rede opere de maneira eficiente: quando a carga aumenta, o TON refina os shards para lidar com mais transações; quando a carga diminui, os shards se fundem para conservar recursos. Através do Paradigma de Sharding Infinito, o TON pode suportar um número quase ilimitado de shards, teoricamente alcançando 2 elevado à 60 WorkChains. Além disso, o TON se adapta criando automaticamente mais shards em regiões com frequência de transação aumentada, melhorando a eficiência de processamento.
O design de fragmentação dinâmica depende fortemente da comunicação entre cadeias. Para isso, a TON introduziu o algoritmo de roteamento hipercubo. Com base na topologia de alta dimensão, esse algoritmo atribui um identificador único a cada nó da WorkChain, permitindo a transferência de informações entre cadeias através do caminho mais curto, atendendo às necessidades de roteamento em um ambiente fragmentado em grande escala. Além disso, a TON desenvolveu o 'Instant Hypercube Routing', que utiliza o nó raiz do Trie de Merkle para fornecer prova de roteamento, simplificando mensagens complexas entre cadeias e aprimorando a eficiência de comunicação.
Em comparação com o mecanismo tradicional de Prova de Trabalho (PoW), o mecanismo de Prova de Participação (PoS) seleciona nós com mais tokens para participar do consenso, reduzindo a concentração de poder computacional e minimizando a competição e o consumo de energia entre os mineradores. Isso aumenta a eficiência e, ao mesmo tempo, garante a segurança e a descentralização do sistema. A combinação de PoS e sharding do Ethereum 2.0 é um exemplo clássico dessa tecnologia.
Especificamente, o Ethereum 2.0 divide a rede em vários shards e usa o mecanismo de consenso PoS para atribuir tarefas entre vários validadores, sendo que cada validador é responsável por verificar transações dentro de um shard, aumentando significativamente a taxa de transferência. O PoS também reduz o risco de qualquer validador único obter controle excessivo, selecionando aleatoriamente validadores e aprimorando a natureza descentralizada da rede blockchain. Em relação à segurança, a validação de cada shard é gerenciada por diferentes grupos de nós, portanto, um atacante precisaria controlar vários shards para lançar um ataque, tornando mais difícil realizar um ataque de 51%. Esse mecanismo de proteção em várias camadas melhora a segurança da rede.
Da mesma forma, o Protocolo NEAR [2] também combina PoS e tecnologia de sharding. Através do seu protocolo “Nightshade”, o NEAR integra o consenso PoS em um design de blockchain paralelizado, aumentando a eficiência ao permitir que cada shard mantenha apenas sua parte do estado. Isso não apenas garante a consistência da rede global, mas também melhora a segurança do sistema.
A execução paralela baseada em computação é um conceito relativamente novo que visa otimizar a eficiência de processamento de blockchain, dividindo tarefas computacionais complexas em unidades menores para execução paralela. Embora esse modelo inovador ainda não tenha alcançado adoção generalizada, seu potencial impacto revolucionário é notável.
Na prática, cálculos complexos são distribuídos para diferentes nós para execução paralela, e os resultados são agregados depois que cada nó completa seus cálculos. Esta abordagem melhora a eficiência computacional, reduz a latência da transação e é adequada para aplicações intensivas em computação. No entanto, a implementação deste método apresenta vários desafios, como garantir a eficiência da comunicação entre os nós e alcançar a consistência final dos resultados computacionais.
Na evolução da tecnologia blockchain, Ethereum 2.0 e Polkadot surgem como dois exemplos pioneiros. Esses projetos estão na vanguarda da abordagem dos desafios críticos no espaço da blockchain - ou seja, escalabilidade, segurança e sustentabilidade. Vamos aprofundar uma análise detalhada desses dois casos inovadores.
O Ethereum 2.0 (Eth2) é uma atualização importante para a rede Ethereum 1.0 que tem como objetivo aprimorar a escalabilidade, segurança e sustentabilidade. A execução paralela é um componente-chave para alcançar esses objetivos.
Ao fazer a transição do mecanismo de Prova de Trabalho (PoW) para Prova de Participação (PoS), o Ethereum 2.0 introduz o sharding, dividindo toda a rede blockchain em "fragmentos" menores. Cada estilhaço pode processar e verificar transações de forma independente, aumentando significativamente a taxa de transferência geral. Além disso, o Ethereum 2.0 permite que cada fragmento mantenha seu próprio estado independente, aumentando ainda mais a eficiência da execução paralela e reduzindo a carga na cadeia principal, permitindo assim um processamento de transações mais eficiente. Por fim, o Ethereum 2.0 incorpora um eficiente mecanismo de comunicação entre fragmentos para garantir a consistência dos dados e a interação entre diferentes fragmentos, o que é essencial para suportar aplicações descentralizadas complexas [3].
Por meio do processamento paralelo, espera-se que o Ethereum 2.0 aumente significativamente a velocidade de processamento de transações, abordando efetivamente a crescente demanda do usuário e cenários de aplicação diversificados, especialmente em setores como DeFi e NFTs. Em resumo, ao introduzir execução paralela, o Ethereum 2.0 não apenas alcança um avanço técnico, mas também estabelece uma base mais sólida para o crescimento de aplicativos descentralizados, avançando a adaptabilidade da rede Ethereum no futuro.
Ilustração do Ethereum 2.0 data sharding (Fonte:sohu.com)
Polkadot é um protocolo de rede multi-cadeia inovador projetado para permitir interoperabilidade e escalabilidade entre blockchains. Como uma arquitetura multi-cadeia heterogênea, o Polkadot é composto por uma "Cadeia de Relevo" centralizada e múltiplas "Paracadeias" independentes. Cada Paracadeia pode ter seu próprio modelo de governança e econômico, permitindo que diferentes blockchains se comuniquem e compartilhem dados de forma eficiente.
O design do Polkadot alavanca um mecanismo de segurança compartilhado, garantindo que todas as Parachains se beneficiem da segurança fornecida pela Relay Chain, reduzindo assim a carga de segurança em cada Parachain individual. Além disso, o Polkadot emprega tecnologia de execução paralela, permitindo que várias Parachains processem transações simultaneamente, aumentando significativamente a capacidade geral da rede. Essa capacidade de processamento paralelo permite que o Polkadot lide efetivamente com as crescentes demandas de transações, especialmente em cenários de aplicativos complexos como DeFi, NFT e outros [4].
O mecanismo de Passagem de Mensagens entre Cadeias Cruzadas (XCMP) da Polkadot permite a interação perfeita entre diferentes Parachains, proporcionando aos desenvolvedores uma maior amplitude para a inovação. Através do XCMP, os desenvolvedores podem criar aplicativos descentralizados interconectados, promovendo ainda mais o crescimento do ecossistema.
Estrutura de interoperabilidade Polkadot (Fonte:O que é Polkadot? Uma breve introdução - ImmuneBytes)
Ethereum 2.0 VS. Polkadot (Fonte da tabela: gate Learn)
A abordagem dos desafios de escalabilidade da blockchain continua sendo uma área-chave de pesquisa. Além da tecnologia de execução paralela, várias soluções alternativas para escalabilidade valem a pena explorar.
Soluções de Camada 2 (L2) são especificamente projetadas para expandir a capacidade da blockchain. Em sua essência, elas fornecem uma camada de execução independente, geralmente composta por duas partes: uma rede para processar transações e smart contracts implantados na blockchain subjacente. Os smart contracts lidam com disputas e transmitem os resultados do consenso da rede L2 para a cadeia principal para validação e confirmação.
Soluções de Camada 2 oferecem vantagens distintas e recursos técnicos. Primeiro, elas melhoram significativamente a escalabilidade, uma vez que as transações não precisam ser confirmadas individualmente na cadeia principal. A L2 pode lidar com um volume de transações mais elevado, aliviando a congestão nas redes da Camada 1 (como Ethereum e Bitcoin) e reduzindo substancialmente as taxas de transação por meio do processamento off-chain. Embora a maioria das operações ocorra off-chain, a L2 ainda depende da segurança da cadeia principal, garantindo que os resultados finais das transações sejam confiáveis e imutáveis.
Soluções comuns de L2 incluem canais de estado, Rollups e Plasma. Canais de estado permitem que vários participantes interajam off-chain com frequência, enviando o estado final para a blockchain apenas no final; a Lightning Network do Bitcoin é um exemplo típico. Rollups, atualmente a solução L2 mais amplamente adotada, são divididos em Rollups Otimistas e zk-Rollups: Rollups Otimistas assumem que as transações são válidas, a menos que contestadas, enquanto zk-Rollups usam provas de conhecimento zero para garantir a precisão das transações quando os dados são enviados. Plasma é uma estrutura que permite a criação de subcadeias de várias camadas, cada uma capaz de lidar com numerosas transações.
Visão geral das soluções de camada 2 (Fonte: blackmountainig.com)
Melhorar os mecanismos de consenso também é uma abordagem eficaz para aumentar a escalabilidade do blockchain. Isso envolve a introdução de algoritmos de consenso mais eficientes (como Proof of Stake (PoS) e Byzantine Fault Tolerance (BFT)) para aumentar a velocidade de processamento de transações. Em comparação com o tradicional Proof of Work (PoW), esses novos mecanismos de consenso são mais rápidos na confirmação de transações e reduzem significativamente o consumo de energia, alinhando-se melhor com os requisitos de desenvolvimento sustentável.
Além disso, esses mecanismos aceleram o processo de consenso, determinando geradores de blocos com base em fatores como os tokens mantidos por nós validadores. No entanto, apesar das muitas vantagens de mecanismos de consenso aprimorados, a transição de mecanismos existentes para novos frequentemente vem acompanhada de desafios e riscos técnicos, especialmente problemas de compatibilidade e instabilidade do sistema durante o período de transição. Alguns mecanismos de consenso também podem levar à centralização do poder, criando um fenômeno de "ricos ficam mais ricos", potencialmente ameaçando o princípio central da descentralização do blockchain. No entanto, para redes blockchain com altos requisitos de eficiência de processamento de transações e consumo de energia, melhorar os mecanismos de consenso continua sendo uma solução de escalabilidade que vale a pena explorar.
Mecanismos de consenso PoW vs. PoS (Fonte: blog.csdn.net)
A otimização dos parâmetros do bloco envolve ajustar parâmetros-chave como o tamanho do bloco e o tempo do bloco para melhorar a capacidade de processamento e a capacidade de resposta da blockchain. Esta abordagem oferece melhorias rápidas de desempenho, é relativamente simples de implementar e tem baixos custos de implementação, tornando-a adequada para cenários que exigem uma resposta rápida, como lidar com picos no tráfego ou surtos de curto prazo em transações.
No entanto, confiar apenas em ajustes de parâmetros muitas vezes tem impacto limitado, e equilibrar o desempenho da rede com a estabilidade é essencial. Mudanças excessivas ou extremas de parâmetros podem causar congestionamento de rede ou conflitos no mecanismo de consenso. Portanto, a otimização de parâmetros de bloco é tipicamente adequada para cenários com demandas de desempenho de curto prazo, como responder rapidamente a mudanças de mercado.
Cada solução de escalabilidade é mais adequada para diferentes casos de uso. Ao escolher a solução de escalabilidade apropriada, os tomadores de decisão devem garantir que as soluções selecionadas possam se complementar, proporcionando à indústria um caminho de escalabilidade mais flexível e eficiente.
Comparação de Soluções
Comparação de diferentes soluções de escalonamento (Fonte da tabela: gate Learn)
Em comparação com os modelos tradicionais de processamento sequencial, as redes de cadeias paralelas podem atingir velocidades de processamento de transações (TPS) até 100 vezes maiores do que o processamento sequencial. Por exemplo, a arquitetura SeaLevel da Solana [6] pode lidar com mais de 50.000 TPS em condições ideais. Embora a velocidade real possa variar com a demanda da rede, esse desempenho excede em muito o das blockchains tradicionais.
A escalabilidade horizontal eficaz tornou-se essencial com o rápido crescimento do tráfego de rede. As blockchains paralelas introduzem processamento paralelo multi-thread, dando às redes blockchain a capacidade de escalar com o aumento da demanda do usuário. Isso é particularmente benéfico em aplicativos de transação de alta frequência, como jogos e cadeias de suprimentos, onde o design paralelo permite o processamento descentralizado de tarefas para manter a estabilidade do sistema e a velocidade de resposta, atendendo às demandas de taxa de transferência de aplicativos de grande escala.
Caminho de processamento paralelo Solana (Fonte: blog.slerf.tools)
O processamento paralelo de transações independentes reduz significativamente o atraso desde a submissão da transação até a execução, o que é altamente valorizado no processamento de dados em tempo real. Em cenários que exigem uma resposta rápida - como finanças descentralizadas (DeFi) - a confirmação de transações em tempo real não só melhora a experiência do usuário, mas também reduz os riscos de transação e a pressão de carga do sistema associados aos atrasos.
Por exemplo, o modelo de execução paralela de Sui introduz um mecanismo inovador que permite que transações simples, que não exigem consenso complexo, contornem o mecanismo de consenso, reduzindo drasticamente os tempos de confirmação. Em comparação com o processamento serial tradicional, esse design paralelo oferece suporte à execução de transações em tempo real, o que é fundamental para manter a estabilidade do sistema e uma experiência de usuário suave.
À medida que os protocolos de comunicação entre cadeias e as novas tecnologias de execução paralela continuam a evoluir, as redes blockchain alcançarão modos de operação mais eficientes. Baixa latência e alto rendimento também se tornarão indicadores cruciais da competitividade do mercado.
Em blockchains tradicionais, onde as transações são processadas sequencialmente, na maioria das vezes apenas um nó executa operações enquanto os outros nós esperam, levando a ociosidade de recursos. A tecnologia paralela permite que vários validadores e núcleos de processamento trabalhem simultaneamente, rompendo o gargalo de processamento de um único nó e maximizando a eficiência dos recursos de rede.
Essa otimização da utilização de recursos não só elimina os “períodos ociosos” durante o processamento de transações, mas também melhora significativamente o desempenho geral da rede, especialmente em condições de alta carga, permitindo que a rede lide com mais solicitações de transações com latência reduzida.
Ao contrário do processamento sequencial tradicional, a execução paralela permite uma execução de transação cross-market mais flexível e eficiente através de uma gestão de mercado refinada e uma alocação de recursos otimizada, reduzindo significativamente a carga computacional para a execução de contratos inteligentes e, portanto, reduzindo as taxas de gás. Este design maximiza o uso de recursos de rede e evita o desperdício de recursos computacionais causados por filas de tarefas únicas.
Com uma distribuição racional de carga, os recursos são alocados de forma eficiente, de modo que validadores e nós de processamento não precisam lidar com dados redundantes, resultando em um ambiente de transação de blockchain mais econômico para desenvolvedores e usuários.
Explicação da Rede Sei sobre execução paralela nas redes sociais (Fonte: x)
O Sharding divide o blockchain em vários shards independentes, o que permite aos atacantes concentrarem esforços em um shard específico para obter o controle sobre ele. Se um atacante capturar com sucesso um shard, ele pode manipular transações e dados dentro dele, representando uma ameaça séria para a segurança geral da rede. Esse controle local pode levar a operações inadequadas, manipulação de dados e possivelmente intensificar ataques em outros shards, comprometendo a integridade e confiabilidade de todo o blockchain.
Além disso, a segurança da comunicação entre fragmentos é crucial. Se a comunicação entre fragmentos não for segura, pode levar à perda de dados, manipulação ou erros de transmissão, criando potenciais problemas de confiança dentro do sistema.
Transações entre fragmentos exigem a coordenação de dados de estado entre diferentes fragmentos para garantir a atomicidade das transações. Para evitar falhas nas transações devido a atrasos ou problemas de rede, os desenvolvedores também precisam otimizar os mecanismos de mensagens e sincronização de estado.
Este desafio não apenas aumenta a complexidade do design do sistema, mas também requer novas estratégias dentro da lógica do contrato para lidar com erros e inconsistências potenciais. A execução bem-sucedida de contratos inteligentes entre shards depende não apenas das capacidades técnicas do blockchain subjacente, mas também da implementação de estratégias mais complexas no design do contrato para garantir uma execução suave e eficiente em um ambiente shardado.
A atual tecnologia blockchain paralela carece de padronização, com diferentes plataformas adotando tecnologias e protocolos variados. Essa diversidade levou a diferenças significativas nos mecanismos de consenso, estruturas de dados e camadas de protocolo. Embora essa diversidade tenha impulsionado a inovação, ela também reduziu significativamente a interoperabilidade entre diferentes blockchains, tornando as operações entre cadeias mais complexas e difíceis.
A falta de interoperabilidade não apenas restringe o fluxo livre de ativos entre diferentes blockchains, mas também pode representar riscos de segurança, como possível perda de ativos em operações entre cadeias. Portanto, abordar os riscos de interoperabilidade da execução paralela requer inovação tecnológica e padronização e ampla cooperação dentro da indústria para estabelecer um ecossistema mais robusto.
Pesquisas futuras em blockchain paralelizado devem se concentrar na otimização da comunicação entre shards.
A indústria deve explorar ativamente protocolos padronizados e estruturas de interoperabilidade para garantir a consistência dos dados e o processamento preciso de transações em todos os shards, a fim de promover a integração contínua do sistema e o compartilhamento de recursos, aumentando assim a sinergia dentro do ecossistema blockchain. Além disso, a segurança continua sendo um aspecto fundamental na otimização do sharding, pesquisas futuras devem desenvolver modelos de segurança mais robustos para proteger contra ataques maliciosos e incorporar tecnologias emergentes, como provas de conhecimento zero e criptografia homomórfica, para aumentar a privacidade e a interoperabilidade on-chain.
No que diz respeito à expansão do aplicativo, já existem estudos de caso bem-sucedidos para se inspirar. Por exemplo, a Uniswap melhorou significativamente as capacidades de resposta por meio do processamento paralelo, reduzindo assim os custos de transação e otimizando os processos de pagamento transfronteiriços. Diferentes setores devem explorar aplicativos de cadeia paralela diversificados para desbloquear seu valor em várias áreas. Isso ajudaria a estabelecer uma base sólida para um ambiente de desenvolvimento tecnológico eficiente, transparente e sustentável, acelerando a transformação digital e apoiando um futuro de economia digital mais eficiente.
Referências
1.https://foresightnews.pro/article/detail/34400
2.https://pages.near.org/papers/nightshade/
3.https://www.sohu.com/a/479352768_121118710
4..https://www.immunebytes.com/blog/what-is-polkadot-a-brief-introduction/
5.https://blackmountainig.com/visão-geral-das-soluções-de-escalabilidade-de-camada-2/
6.https://www.sealevel.com/