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 de Turing, como o Ethereum, estão cada vez mais incapazes de atender à crescente demanda do mercado. Eles enfrentam sérios desafios em escalabilidade e velocidade de processamento de transações. A tecnologia de parallelização de blockchain surgiu para lidar com esses problemas, visando permitir o processamento simultâneo de várias transações.
Modelo de Execução Paralela para Transação de Contrato Inteligente de Blockchain (Fonte: jos.org)
O blockchain paralelo introduz um design de processamento paralelo dentro do blockchain, permitindo que várias 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 e reduzindo a latência de transação, tornando-se assim uma solução fundamental para atender às demandas de aplicativos em grande escala.
Este artigo aborda os princípios fundamentais da paralelização de blockchain, analisando suas vantagens e desafios em aplicações práticas. Ele demonstra a exploração e prática de projetos líderes em tecnologia de paralelização, com o objetivo de fornecer insights valiosos para o futuro desenvolvimento da tecnologia blockchain.
A execução paralela, uma técnica que permite a execução simultânea de várias tarefas, tem sido amplamente aplicada em áreas como processamento de dados e renderização de gráficos. A introdução deste conceito em sistemas blockchain reduz efetivamente os tempos de processamento de transações e aborda as 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 da blockchain, permitindo assim que a 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 ao estado, a execução da transação geralmente utiliza uma estratégia de controlo de concorrência otimista, assumindo que as transações não entram em conflito. Os rollbacks ocorrem apenas quando os conflitos realmente surgem. Este método aumenta a taxa de transferência das transações e melhora a experiência do utilizador, embora exija um mecanismo de deteção de conflitos precisamente concebido para garantir a consistência dos dados e a segurança do sistema.
Sharding é uma das soluções mais comuns para paralelizar blockchains. A sua ideia central é dividir a rede blockchain em vários shards, permitindo que cada shard processe transações e dados de forma independente. Este design melhora significativamente a capacidade de processamento da rede e a escalabilidade, abordando o gargalo de desempenho das blockchains tradicionais. Os projetos atuais que utilizam a tecnologia de sharding incluem Ethereum 2.0, Zilliqa, NEAR Protocol e QuarkChain. Estes projetos abordam eficazmente questões de escalabilidade das blockchains através do sharding, melhorando a eficiência da rede.
Quando aplicada a aplicações de blockchain, a tecnologia de shard geralmente é implementada nos seguintes três métodos:
Como podemos ver, a tecnologia de fragmentação pode efetivamente particionar transações. Embora cada método de fragmentação tenha suas próprias vantagens em melhorar a escalabilidade, todos eles enfrentam o desafio comum da comunicação entre estilhaços. O aperfeiçoamento contínuo dos algoritmos de consistência de dados é necessário para garantir o desempenho geral do sistema.
Tomando o Dynamic Sharding da TON como exemplo
Numa arquitetura de blockchain shardada, a TON (The Open Network) destaca-se devido ao seu design de "sharding dinâmico". Usando o "Paradigma de Sharding Infinito" (ISP), a TON pode ajustar o número de shards de forma flexível para acomodar as exigências da rede em tempo real, alcançando uma gestão eficiente de shards. Esta arquitetura demonstra um potencial de desempenho significativo, permitindo que a TON mantenha um alto desempenho ao lidar com grandes volumes de transações e ao enfrentar os problemas de escalabilidade que as blockchains tradicionais enfrentam.
A estrutura de fragmentação da TON é composta por quatro níveis de cadeias:
A estrutura de fragmentação única do TON suporta processamento paralelo em várias cadeias, com coordenação eficiente alcançada através do MasterChain (Fonte:OKX)
Na prática, a TON ajusta dinamicamente o número de shards para responder a mudanças na carga da rede. O número de ShardChains aumenta ou diminui automaticamente dependendo da carga atual, permitindo que a rede opere de forma eficiente: quando a carga aumenta, a 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, a TON pode suportar um número quase ilimitado de shards, teoricamente alcançando 2 elevado à potência de 60 WorkChains. Além disso, a TON se adapta criando automaticamente mais shards em regiões com aumento de frequência de transações, 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 de hipercubo. Com base na topologia de alta dimensão, este 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 num ambiente fragmentado em larga escala. Além disso, a TON desenvolveu o 'Instant Hypercube Routing', que alavanca o nó raiz da Árvore de Merkle para fornecer prova de roteamento, simplificando mensagens complexas entre cadeias e aprimorando a eficiência de comunicação.
Comparado com o mecanismo tradicional de Prova de Trabalho (PoW), o mecanismo de Prova de Participação (PoS) seleciona nós com mais tokens para participar no consenso, reduzindo a concentração de poder computacional e minimizando a competição e o consumo de energia entre os mineiros. Isto aumenta a eficiência, ao mesmo tempo que garante a segurança do sistema e a descentralização. A combinação de PoS e sharding do Ethereum 2.0 é um exemplo clássico desta tecnologia.
Especificamente, o Ethereum 2.0 divide a rede em vários fragmentos e utiliza o mecanismo de consenso PoS para atribuir tarefas entre vários validadores, sendo que cada validador é responsável por verificar transações dentro de um fragmento, aumentando significativamente a capacidade. O PoS também reduz o risco de qualquer validador único ganhar controle excessivo ao selecionar aleatoriamente validadores, melhorando a natureza descentralizada da rede blockchain. Em relação à segurança, a validação de cada fragmento é gerida por diferentes grupos de nós, pelo que um atacante necessitaria de controlar vários fragmentos para lançar um ataque, tornando mais difícil executar um ataque de 51%. Este mecanismo de proteção em várias camadas melhora a segurança da rede.
Da mesma forma, o Protocolo NEAR [2] também combina a tecnologia PoS e de fragmentação. Através do seu protocolo “Nightshade”, o NEAR integra o consenso PoS num design de blockchain paralelizado, aumentando a eficiência e permitindo que cada shard mantenha apenas a sua parte do estado. Isso não só garante a consistência da rede global, mas também melhora a segurança do sistema.
A execução em paralelo 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 em paralelo. Embora esse modelo inovador ainda não tenha sido amplamente adotado, seu potencial impacto revolucionário é notável.
Na prática, cálculos complexos são distribuídos para diferentes nós para execução paralela, e os resultados são agregados após cada nó completar seus cálculos. Esta abordagem melhora a eficiência computacional, reduz a latência das transações 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 de desafios críticos no espaço blockchain, ou seja, escalabilidade, segurança e sustentabilidade. Vamos nos aprofundar em uma análise detalhada desses dois casos inovadores.
O Ethereum 2.0 (Eth2) é uma atualização importante para a rede Ethereum 1.0 que visa melhorar a escalabilidade, segurança e sustentabilidade. A execução paralela é um componente chave para alcançar esses objetivos.
Ao fazer a transição do mecanismo Proof of Work (PoW) para o Proof of Stake (PoS), o Ethereum 2.0 introduz o sharding, dividindo toda a rede blockchain em "fragmentos" menores. Cada fragmento 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 estilhaços para garantir a consistência de dados e a interação entre diferentes fragmentos, o que é essencial para suportar aplicações descentralizadas complexas [3].
Através do processamento paralelo, espera-se que o Ethereum 2.0 aumente significativamente a velocidade de processamento de transações, abordando efetivamente a crescente demanda dos usuários e cenários de aplicação diversificados, especialmente nos setores de DeFi e NFTs. Em resumo, ao introduzir a execução paralela, o Ethereum 2.0 não apenas alcança uma ruptura técnica, mas também estabelece uma base mais sólida para o crescimento de aplicativos descentralizados, avançando a adaptabilidade da rede Ethereum no futuro.
Ilustração da fragmentação de dados do Ethereum 2.0 (Fonte:sohu.com)
Polkadot é um protocolo de rede multi-cadeia inovador projetado para permitir a interoperabilidade e escalabilidade entre blockchains. Como uma arquitetura multi-cadeia heterogênea, Polkadot consiste em uma "Cadeia de Relé" centralizada e várias "Parachains" independentes. Cada Parachain pode ter sua própria governança e modelo econômico, permitindo que diferentes blockchains se comuniquem e compartilhem dados de forma eficiente.
O design da Polkadot aproveita um mecanismo de segurança compartilhado, garantindo que todos os Parachains se beneficiem da segurança fornecida pela Relay Chain, reduzindo assim a carga de segurança em cada Parachain individual. Além disso, Polkadot emprega tecnologia de execução paralela, permitindo que vários Parachains processem transações simultaneamente, aumentando significativamente a taxa de transferência geral da rede. Essa capacidade de processamento paralelo permite que a Polkadot lide com demandas crescentes de transações de forma eficaz, especialmente em DeFi, NFT e outros cenários de aplicativos complexos [4].
O mecanismo de Passagem de Mensagens entre Cadeias Cruzadas (XCMP) da Polkadot permite uma interação perfeita entre diferentes Parachains, proporcionando aos desenvolvedores uma maior amplitude para a inovação. Através do XCMP, os desenvolvedores podem criar aplicações descentralizadas interconectadas, 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 (Table source: gate Learn)
Abordar os desafios de escalabilidade da blockchain ainda é uma área-chave de pesquisa. Além da tecnologia de execução paralela, várias soluções alternativas para escalabilidade valem a pena explorar.
As soluções de Camada 2 (L2) são especificamente projetadas para expandir a capacidade da blockchain. No cerne delas, fornecem uma camada de execução independente, normalmente composta por duas partes: uma rede para processar transações e contratos inteligentes implantados na blockchain subjacente. Os contratos inteligentes lidam com disputas e transmitem resultados de consenso da rede L2 para a cadeia principal para validação e confirmação.
As soluções de camada 2 oferecem vantagens e características técnicas distintas. Primeiro, eles melhoram significativamente a escalabilidade, uma vez que as transações não precisam ser confirmadas individualmente na cadeia principal. L2 pode lidar com um maior volume de transações, aliviando o congestionamento em redes de Camada 1 (como Ethereum e Bitcoin) e reduzindo substancialmente as taxas de transação através do processamento off-chain. Embora a maioria das operações ocorra fora da cadeia, a L2 ainda depende da segurança da cadeia principal, garantindo que os resultados finais das transações sejam confiáveis e imutáveis.
Soluções comuns L2 incluem canais de estado, Rollups e Plasma. Canais de estado permitem que vários participantes interajam off-chain com frequência, enviando apenas o estado final para o blockchain 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 inúmeras transações.
Visão geral das soluções de camada 2 (Fonte: blackmountainig.com)
Melhorar os mecanismos de consenso é também uma abordagem eficaz para aumentar a escalabilidade da blockchain. Isso envolve a introdução de algoritmos de consenso mais eficientes (como a Prova de Participação (PoS) e a Tolerância a Falhas Bizantinas (BFT)) para aumentar a velocidade de processamento de transações. Comparados com o tradicional Prova de Trabalho (PoW), estes 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 pelos nós validadores. No entanto, apesar das muitas vantagens da melhoria dos mecanismos de consenso, a transição dos mecanismos existentes para os novos comporta frequentemente 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 custos de implementação baixos, o que a torna adequada para cenários que exigem uma resposta rápida, como lidar com picos de tráfego ou picos de transações a curto prazo.
No entanto, confiar exclusivamente em ajustes de parâmetros geralmente tem um impacto limitado, e equilibrar o desempenho da rede com a estabilidade é essencial. Mudanças excessivas ou extremas nos parâmetros podem causar congestionamento de rede ou conflitos no mecanismo de consenso. Portanto, a otimização dos parâmetros do bloco é tipicamente adequada para cenários com demandas de desempenho de curto prazo, como responder rapidamente às mudanças do mercado.
Cada solução de escalabilidade é mais adequada para diferentes casos de uso. Ao escolher a solução de escalabilidade adequada, os tomadores de decisão devem garantir que as soluções selecionadas possam se complementar, fornecendo ao setor um caminho de escalabilidade mais flexível e eficiente.
Comparação de Soluções
Comparação de Soluções de Escalonamento Diferentes (Fonte da Tabela: Aprenda na gate)
Comparados aos modelos de processamento sequencial tradicionais, as redes de cadeia paralela podem alcançar velocidades de processamento de transações (TPS) até 100 vezes maiores 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 de acordo com a demanda da rede, esse desempenho supera em muito o das blockchains tradicionais.
A escalabilidade horizontal eficaz tornou-se essencial com o rápido crescimento do tráfego de rede. As blockchains paralelizadas introduzem processamento paralelo multi-threaded, dando às redes blockchain a capacidade de escalar com a crescente demanda do usuário. Isso é particularmente benéfico em aplicações 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 do Solana (Fonte: blog.slerf.tools)
O processamento paralelo de transações independentes reduz significativamente o atraso da submissão à execução da transação, o que é muito valioso no processamento de dados em tempo real. Em cenários que exigem uma resposta rápida, como finanças descentralizadas (DeFi), a confirmação em tempo real não apenas 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 requerem um consenso complexo, contornem o mecanismo de consenso, reduzindo drasticamente os tempos de confirmação. Comparado ao processamento serial tradicional, esse design paralelo suporta a execução de transações em tempo real, o que é fundamental para manter a estabilidade do sistema e uma experiência do 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. A latência baixa e a alta taxa de transferência também se tornarão indicadores cruciais de competitividade no mercado.
Em blockchains tradicionais, onde as transações são processadas sequencialmente, na maioria das vezes apenas um nó executa operações enquanto outros nós esperam, levando à ociosidade dos recursos. A tecnologia paralela permite que vários validadores e núcleos de processador trabalhem simultaneamente, quebrando o gargalo de processamento de um único nó e maximizando a eficiência dos recursos da rede.
Esta otimização da utilização de recursos não só elimina os "períodos de inatividade" durante o processamento de transações, mas também aumenta significativamente o desempenho geral da rede, especialmente em condições de alta carga, permitindo que a rede processe mais solicitações de transação com latência reduzida.
Ao contrário do processamento sequencial tradicional, a execução paralela permite uma execução de transações cruzadas entre mercados mais flexível e eficiente através de uma gestão de mercado refinada e alocação otimizada de recursos, reduzindo significativamente a carga computacional para a execução de contratos inteligentes e, assim, diminuindo as taxas de gás. Esse design maximiza o uso dos recursos de rede e evita o desperdício de recursos computacionais causado pela fila de tarefas únicas.
Com uma distribuição racional de carga, os recursos são alocados eficientemente, para que os validadores e os nós de processamento não precisem lidar com dados redundantes, resultando em um ambiente de transação de blockchain mais econômico para desenvolvedores e usuários.
Explicação da execução paralela da rede Sei nas redes sociais(Fonte:x)
O compartilhamento divide o blockchain em vários fragmentos independentes, o que pode permitir que os invasores concentrem esforços em um fragmento específico para obter controle sobre ele. Se um invasor capturar com êxito um fragmento, ele poderá manipular transações e dados dentro dele, representando uma séria ameaça à segurança geral da rede. Esse controle local pode levar a operações inadequadas, adulteração de dados e, possivelmente, aumentar os ataques a outros fragmentos, comprometendo a integridade e a confiabilidade de todo o blockchain.
Além disso, a segurança da comunicação entre shards é crucial. Se a comunicação entre shards não for segura, pode levar à perda de dados, adulteração ou erros de transmissão, criando potenciais problemas de confiança dentro do sistema.
As transações entre shards cruzados requerem a coordenação dos dados de estado em diferentes shards para garantir a atomicidade das transações. Para evitar falhas de transação devido a atrasos ou problemas de rede, os desenvolvedores também precisam otimizar os mecanismos de mensagens e sincronização de estado.
Este desafio não só 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 fragmentos depende não apenas das capacidades técnicas da blockchain subjacente, mas também da implementação de estratégias mais complexas no design do contrato para garantir uma execução suave e eficiente em um ambiente fragmentado.
A tecnologia atual da blockchain paralela não possui 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 só restringe o livre fluxo de ativos entre diferentes blockchains, mas também pode representar riscos de segurança, como perda potencial de ativos em operações entre cadeias. Portanto, abordar os riscos de interoperabilidade da execução paralela requer inovação tecnológica e padronização e cooperação generalizada dentro da indústria para estabelecer um ecossistema mais robusto.
Pesquisas futuras em blockchain paralelo devem se concentrar na otimização da comunicação entre shards.
A indústria deve explorar ativamente protocolos padronizados e estruturas de interoperabilidade para garantir consistência de dados e processamento preciso de transações entre fragmentos, a fim de promover a integração perfeita do sistema e compartilhamento de recursos, aprimorando assim a sinergia dentro do ecossistema blockchain. Além disso, a segurança continua sendo um aspecto-chave da otimização de fragmentação, pesquisas futuras devem desenvolver modelos de segurança mais robustos para se proteger contra ataques maliciosos e incorporar tecnologias emergentes, como provas de conhecimento zero e criptografia homomórfica, para aprimorar a privacidade e interoperabilidade em cadeia.
No que diz respeito à expansão de aplicações, já existem estudos de caso bem-sucedidos a serem extraídos. Por exemplo, a Uniswap melhorou significativamente as capacidades de resposta através do processamento paralelo, reduzindo assim os custos de transação e otimizando os processos de pagamento transfronteiriços. Diferentes indústrias devem explorar aplicações diversificadas de cadeia paralela para desbloquear o seu valor em vários domínios. Tal 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/o-que-e-polkadot-uma-breve-introducao/
5.https://blackmountainig.com/overview-of-layer-2-scaling-solutions/
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 de Turing, como o Ethereum, estão cada vez mais incapazes de atender à crescente demanda do mercado. Eles enfrentam sérios desafios em escalabilidade e velocidade de processamento de transações. A tecnologia de parallelização de blockchain surgiu para lidar com esses problemas, visando permitir o processamento simultâneo de várias transações.
Modelo de Execução Paralela para Transação de Contrato Inteligente de Blockchain (Fonte: jos.org)
O blockchain paralelo introduz um design de processamento paralelo dentro do blockchain, permitindo que várias 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 e reduzindo a latência de transação, tornando-se assim uma solução fundamental para atender às demandas de aplicativos em grande escala.
Este artigo aborda os princípios fundamentais da paralelização de blockchain, analisando suas vantagens e desafios em aplicações práticas. Ele demonstra a exploração e prática de projetos líderes em tecnologia de paralelização, com o objetivo de fornecer insights valiosos para o futuro desenvolvimento da tecnologia blockchain.
A execução paralela, uma técnica que permite a execução simultânea de várias tarefas, tem sido amplamente aplicada em áreas como processamento de dados e renderização de gráficos. A introdução deste conceito em sistemas blockchain reduz efetivamente os tempos de processamento de transações e aborda as 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 da blockchain, permitindo assim que a 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 ao estado, a execução da transação geralmente utiliza uma estratégia de controlo de concorrência otimista, assumindo que as transações não entram em conflito. Os rollbacks ocorrem apenas quando os conflitos realmente surgem. Este método aumenta a taxa de transferência das transações e melhora a experiência do utilizador, embora exija um mecanismo de deteção de conflitos precisamente concebido para garantir a consistência dos dados e a segurança do sistema.
Sharding é uma das soluções mais comuns para paralelizar blockchains. A sua ideia central é dividir a rede blockchain em vários shards, permitindo que cada shard processe transações e dados de forma independente. Este design melhora significativamente a capacidade de processamento da rede e a escalabilidade, abordando o gargalo de desempenho das blockchains tradicionais. Os projetos atuais que utilizam a tecnologia de sharding incluem Ethereum 2.0, Zilliqa, NEAR Protocol e QuarkChain. Estes projetos abordam eficazmente questões de escalabilidade das blockchains através do sharding, melhorando a eficiência da rede.
Quando aplicada a aplicações de blockchain, a tecnologia de shard geralmente é implementada nos seguintes três métodos:
Como podemos ver, a tecnologia de fragmentação pode efetivamente particionar transações. Embora cada método de fragmentação tenha suas próprias vantagens em melhorar a escalabilidade, todos eles enfrentam o desafio comum da comunicação entre estilhaços. O aperfeiçoamento contínuo dos algoritmos de consistência de dados é necessário para garantir o desempenho geral do sistema.
Tomando o Dynamic Sharding da TON como exemplo
Numa arquitetura de blockchain shardada, a TON (The Open Network) destaca-se devido ao seu design de "sharding dinâmico". Usando o "Paradigma de Sharding Infinito" (ISP), a TON pode ajustar o número de shards de forma flexível para acomodar as exigências da rede em tempo real, alcançando uma gestão eficiente de shards. Esta arquitetura demonstra um potencial de desempenho significativo, permitindo que a TON mantenha um alto desempenho ao lidar com grandes volumes de transações e ao enfrentar os problemas de escalabilidade que as blockchains tradicionais enfrentam.
A estrutura de fragmentação da TON é composta por quatro níveis de cadeias:
A estrutura de fragmentação única do TON suporta processamento paralelo em várias cadeias, com coordenação eficiente alcançada através do MasterChain (Fonte:OKX)
Na prática, a TON ajusta dinamicamente o número de shards para responder a mudanças na carga da rede. O número de ShardChains aumenta ou diminui automaticamente dependendo da carga atual, permitindo que a rede opere de forma eficiente: quando a carga aumenta, a 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, a TON pode suportar um número quase ilimitado de shards, teoricamente alcançando 2 elevado à potência de 60 WorkChains. Além disso, a TON se adapta criando automaticamente mais shards em regiões com aumento de frequência de transações, 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 de hipercubo. Com base na topologia de alta dimensão, este 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 num ambiente fragmentado em larga escala. Além disso, a TON desenvolveu o 'Instant Hypercube Routing', que alavanca o nó raiz da Árvore de Merkle para fornecer prova de roteamento, simplificando mensagens complexas entre cadeias e aprimorando a eficiência de comunicação.
Comparado com o mecanismo tradicional de Prova de Trabalho (PoW), o mecanismo de Prova de Participação (PoS) seleciona nós com mais tokens para participar no consenso, reduzindo a concentração de poder computacional e minimizando a competição e o consumo de energia entre os mineiros. Isto aumenta a eficiência, ao mesmo tempo que garante a segurança do sistema e a descentralização. A combinação de PoS e sharding do Ethereum 2.0 é um exemplo clássico desta tecnologia.
Especificamente, o Ethereum 2.0 divide a rede em vários fragmentos e utiliza o mecanismo de consenso PoS para atribuir tarefas entre vários validadores, sendo que cada validador é responsável por verificar transações dentro de um fragmento, aumentando significativamente a capacidade. O PoS também reduz o risco de qualquer validador único ganhar controle excessivo ao selecionar aleatoriamente validadores, melhorando a natureza descentralizada da rede blockchain. Em relação à segurança, a validação de cada fragmento é gerida por diferentes grupos de nós, pelo que um atacante necessitaria de controlar vários fragmentos para lançar um ataque, tornando mais difícil executar um ataque de 51%. Este mecanismo de proteção em várias camadas melhora a segurança da rede.
Da mesma forma, o Protocolo NEAR [2] também combina a tecnologia PoS e de fragmentação. Através do seu protocolo “Nightshade”, o NEAR integra o consenso PoS num design de blockchain paralelizado, aumentando a eficiência e permitindo que cada shard mantenha apenas a sua parte do estado. Isso não só garante a consistência da rede global, mas também melhora a segurança do sistema.
A execução em paralelo 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 em paralelo. Embora esse modelo inovador ainda não tenha sido amplamente adotado, seu potencial impacto revolucionário é notável.
Na prática, cálculos complexos são distribuídos para diferentes nós para execução paralela, e os resultados são agregados após cada nó completar seus cálculos. Esta abordagem melhora a eficiência computacional, reduz a latência das transações 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 de desafios críticos no espaço blockchain, ou seja, escalabilidade, segurança e sustentabilidade. Vamos nos aprofundar em uma análise detalhada desses dois casos inovadores.
O Ethereum 2.0 (Eth2) é uma atualização importante para a rede Ethereum 1.0 que visa melhorar a escalabilidade, segurança e sustentabilidade. A execução paralela é um componente chave para alcançar esses objetivos.
Ao fazer a transição do mecanismo Proof of Work (PoW) para o Proof of Stake (PoS), o Ethereum 2.0 introduz o sharding, dividindo toda a rede blockchain em "fragmentos" menores. Cada fragmento 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 estilhaços para garantir a consistência de dados e a interação entre diferentes fragmentos, o que é essencial para suportar aplicações descentralizadas complexas [3].
Através do processamento paralelo, espera-se que o Ethereum 2.0 aumente significativamente a velocidade de processamento de transações, abordando efetivamente a crescente demanda dos usuários e cenários de aplicação diversificados, especialmente nos setores de DeFi e NFTs. Em resumo, ao introduzir a execução paralela, o Ethereum 2.0 não apenas alcança uma ruptura técnica, mas também estabelece uma base mais sólida para o crescimento de aplicativos descentralizados, avançando a adaptabilidade da rede Ethereum no futuro.
Ilustração da fragmentação de dados do Ethereum 2.0 (Fonte:sohu.com)
Polkadot é um protocolo de rede multi-cadeia inovador projetado para permitir a interoperabilidade e escalabilidade entre blockchains. Como uma arquitetura multi-cadeia heterogênea, Polkadot consiste em uma "Cadeia de Relé" centralizada e várias "Parachains" independentes. Cada Parachain pode ter sua própria governança e modelo econômico, permitindo que diferentes blockchains se comuniquem e compartilhem dados de forma eficiente.
O design da Polkadot aproveita um mecanismo de segurança compartilhado, garantindo que todos os Parachains se beneficiem da segurança fornecida pela Relay Chain, reduzindo assim a carga de segurança em cada Parachain individual. Além disso, Polkadot emprega tecnologia de execução paralela, permitindo que vários Parachains processem transações simultaneamente, aumentando significativamente a taxa de transferência geral da rede. Essa capacidade de processamento paralelo permite que a Polkadot lide com demandas crescentes de transações de forma eficaz, especialmente em DeFi, NFT e outros cenários de aplicativos complexos [4].
O mecanismo de Passagem de Mensagens entre Cadeias Cruzadas (XCMP) da Polkadot permite uma interação perfeita entre diferentes Parachains, proporcionando aos desenvolvedores uma maior amplitude para a inovação. Através do XCMP, os desenvolvedores podem criar aplicações descentralizadas interconectadas, 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 (Table source: gate Learn)
Abordar os desafios de escalabilidade da blockchain ainda é uma área-chave de pesquisa. Além da tecnologia de execução paralela, várias soluções alternativas para escalabilidade valem a pena explorar.
As soluções de Camada 2 (L2) são especificamente projetadas para expandir a capacidade da blockchain. No cerne delas, fornecem uma camada de execução independente, normalmente composta por duas partes: uma rede para processar transações e contratos inteligentes implantados na blockchain subjacente. Os contratos inteligentes lidam com disputas e transmitem resultados de consenso da rede L2 para a cadeia principal para validação e confirmação.
As soluções de camada 2 oferecem vantagens e características técnicas distintas. Primeiro, eles melhoram significativamente a escalabilidade, uma vez que as transações não precisam ser confirmadas individualmente na cadeia principal. L2 pode lidar com um maior volume de transações, aliviando o congestionamento em redes de Camada 1 (como Ethereum e Bitcoin) e reduzindo substancialmente as taxas de transação através do processamento off-chain. Embora a maioria das operações ocorra fora da cadeia, a L2 ainda depende da segurança da cadeia principal, garantindo que os resultados finais das transações sejam confiáveis e imutáveis.
Soluções comuns L2 incluem canais de estado, Rollups e Plasma. Canais de estado permitem que vários participantes interajam off-chain com frequência, enviando apenas o estado final para o blockchain 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 inúmeras transações.
Visão geral das soluções de camada 2 (Fonte: blackmountainig.com)
Melhorar os mecanismos de consenso é também uma abordagem eficaz para aumentar a escalabilidade da blockchain. Isso envolve a introdução de algoritmos de consenso mais eficientes (como a Prova de Participação (PoS) e a Tolerância a Falhas Bizantinas (BFT)) para aumentar a velocidade de processamento de transações. Comparados com o tradicional Prova de Trabalho (PoW), estes 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 pelos nós validadores. No entanto, apesar das muitas vantagens da melhoria dos mecanismos de consenso, a transição dos mecanismos existentes para os novos comporta frequentemente 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 custos de implementação baixos, o que a torna adequada para cenários que exigem uma resposta rápida, como lidar com picos de tráfego ou picos de transações a curto prazo.
No entanto, confiar exclusivamente em ajustes de parâmetros geralmente tem um impacto limitado, e equilibrar o desempenho da rede com a estabilidade é essencial. Mudanças excessivas ou extremas nos parâmetros podem causar congestionamento de rede ou conflitos no mecanismo de consenso. Portanto, a otimização dos parâmetros do bloco é tipicamente adequada para cenários com demandas de desempenho de curto prazo, como responder rapidamente às mudanças do mercado.
Cada solução de escalabilidade é mais adequada para diferentes casos de uso. Ao escolher a solução de escalabilidade adequada, os tomadores de decisão devem garantir que as soluções selecionadas possam se complementar, fornecendo ao setor um caminho de escalabilidade mais flexível e eficiente.
Comparação de Soluções
Comparação de Soluções de Escalonamento Diferentes (Fonte da Tabela: Aprenda na gate)
Comparados aos modelos de processamento sequencial tradicionais, as redes de cadeia paralela podem alcançar velocidades de processamento de transações (TPS) até 100 vezes maiores 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 de acordo com a demanda da rede, esse desempenho supera em muito o das blockchains tradicionais.
A escalabilidade horizontal eficaz tornou-se essencial com o rápido crescimento do tráfego de rede. As blockchains paralelizadas introduzem processamento paralelo multi-threaded, dando às redes blockchain a capacidade de escalar com a crescente demanda do usuário. Isso é particularmente benéfico em aplicações 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 do Solana (Fonte: blog.slerf.tools)
O processamento paralelo de transações independentes reduz significativamente o atraso da submissão à execução da transação, o que é muito valioso no processamento de dados em tempo real. Em cenários que exigem uma resposta rápida, como finanças descentralizadas (DeFi), a confirmação em tempo real não apenas 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 requerem um consenso complexo, contornem o mecanismo de consenso, reduzindo drasticamente os tempos de confirmação. Comparado ao processamento serial tradicional, esse design paralelo suporta a execução de transações em tempo real, o que é fundamental para manter a estabilidade do sistema e uma experiência do 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. A latência baixa e a alta taxa de transferência também se tornarão indicadores cruciais de competitividade no mercado.
Em blockchains tradicionais, onde as transações são processadas sequencialmente, na maioria das vezes apenas um nó executa operações enquanto outros nós esperam, levando à ociosidade dos recursos. A tecnologia paralela permite que vários validadores e núcleos de processador trabalhem simultaneamente, quebrando o gargalo de processamento de um único nó e maximizando a eficiência dos recursos da rede.
Esta otimização da utilização de recursos não só elimina os "períodos de inatividade" durante o processamento de transações, mas também aumenta significativamente o desempenho geral da rede, especialmente em condições de alta carga, permitindo que a rede processe mais solicitações de transação com latência reduzida.
Ao contrário do processamento sequencial tradicional, a execução paralela permite uma execução de transações cruzadas entre mercados mais flexível e eficiente através de uma gestão de mercado refinada e alocação otimizada de recursos, reduzindo significativamente a carga computacional para a execução de contratos inteligentes e, assim, diminuindo as taxas de gás. Esse design maximiza o uso dos recursos de rede e evita o desperdício de recursos computacionais causado pela fila de tarefas únicas.
Com uma distribuição racional de carga, os recursos são alocados eficientemente, para que os validadores e os nós de processamento não precisem lidar com dados redundantes, resultando em um ambiente de transação de blockchain mais econômico para desenvolvedores e usuários.
Explicação da execução paralela da rede Sei nas redes sociais(Fonte:x)
O compartilhamento divide o blockchain em vários fragmentos independentes, o que pode permitir que os invasores concentrem esforços em um fragmento específico para obter controle sobre ele. Se um invasor capturar com êxito um fragmento, ele poderá manipular transações e dados dentro dele, representando uma séria ameaça à segurança geral da rede. Esse controle local pode levar a operações inadequadas, adulteração de dados e, possivelmente, aumentar os ataques a outros fragmentos, comprometendo a integridade e a confiabilidade de todo o blockchain.
Além disso, a segurança da comunicação entre shards é crucial. Se a comunicação entre shards não for segura, pode levar à perda de dados, adulteração ou erros de transmissão, criando potenciais problemas de confiança dentro do sistema.
As transações entre shards cruzados requerem a coordenação dos dados de estado em diferentes shards para garantir a atomicidade das transações. Para evitar falhas de transação devido a atrasos ou problemas de rede, os desenvolvedores também precisam otimizar os mecanismos de mensagens e sincronização de estado.
Este desafio não só 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 fragmentos depende não apenas das capacidades técnicas da blockchain subjacente, mas também da implementação de estratégias mais complexas no design do contrato para garantir uma execução suave e eficiente em um ambiente fragmentado.
A tecnologia atual da blockchain paralela não possui 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 só restringe o livre fluxo de ativos entre diferentes blockchains, mas também pode representar riscos de segurança, como perda potencial de ativos em operações entre cadeias. Portanto, abordar os riscos de interoperabilidade da execução paralela requer inovação tecnológica e padronização e cooperação generalizada dentro da indústria para estabelecer um ecossistema mais robusto.
Pesquisas futuras em blockchain paralelo devem se concentrar na otimização da comunicação entre shards.
A indústria deve explorar ativamente protocolos padronizados e estruturas de interoperabilidade para garantir consistência de dados e processamento preciso de transações entre fragmentos, a fim de promover a integração perfeita do sistema e compartilhamento de recursos, aprimorando assim a sinergia dentro do ecossistema blockchain. Além disso, a segurança continua sendo um aspecto-chave da otimização de fragmentação, pesquisas futuras devem desenvolver modelos de segurança mais robustos para se proteger contra ataques maliciosos e incorporar tecnologias emergentes, como provas de conhecimento zero e criptografia homomórfica, para aprimorar a privacidade e interoperabilidade em cadeia.
No que diz respeito à expansão de aplicações, já existem estudos de caso bem-sucedidos a serem extraídos. Por exemplo, a Uniswap melhorou significativamente as capacidades de resposta através do processamento paralelo, reduzindo assim os custos de transação e otimizando os processos de pagamento transfronteiriços. Diferentes indústrias devem explorar aplicações diversificadas de cadeia paralela para desbloquear o seu valor em vários domínios. Tal 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/o-que-e-polkadot-uma-breve-introducao/
5.https://blackmountainig.com/overview-of-layer-2-scaling-solutions/
6.https://www.sealevel.com/