A paralelização envolve a execução de várias tarefas ou processos em simultâneo numa cadeia de blocos, permitindo um processamento de transacções mais rápido e eficiente e permitindo que as transacções sejam processadas simultaneamente em vários nós ou núcleos de computação, melhorando significativamente o desempenho da rede.

Considerando que a procura de aplicações baseadas em blockchain continua a crescer em vários sectores, a capacidade de processar transacções de forma rápida e eficiente tornou-se uma preocupação importante para os programadores. A paralelização não só melhora o rendimento das transacções e reduz a latência, como também estabelece as bases para soluções escaláveis capazes de suportar uma vasta gama de casos de utilização. Por isso, a sua utilização oferecer-lhe-ia muitas vantagens.

O que é a paralelização?

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A paralelização é a execução simultânea de várias tarefas ou processos, proporcionando eficiência e velocidade nos sistemas de computação. Para a tecnologia blockchain, envolve o processamento de transacções em simultâneo, em vez de sequencialmente, através de diferentes nós ou núcleos numa rede encriptada. Ao dividir as tarefas relacionadas com o processamento de transacções em unidades mais pequenas e independentes, estas podem ser executadas simultaneamente em várias unidades de processamento ou nós.

Esta abordagem utiliza as capacidades de processamento paralelo inerentes ao hardware moderno, como os processadores multi-core, para efetuar cálculos em simultâneo, acelerando assim o débito global da transação. Num modelo de execução paralela, as transacções são divididas em threads ou processos separados, cada um atribuído a um núcleo ou nó de processamento diferente. Estas threads executam então as suas respectivas tarefas de forma independente, sem esperar pela conclusão de outras threads.

Ao distribuir a carga de trabalho por várias unidades de processamento, a paralelização minimiza os estrangulamentos e maximiza a utilização de recursos, resultando em tempos de processamento de transacções mais rápidos e numa maior eficiência do sistema. Além disso, são utilizados mecanismos de coordenação sofisticados para gerir as dependências entre transacções concorrentes e garantir a consistência e integridade dos dados ao longo do processo de execução paralela.

Isso significa que a paralelização permite que as redes de blockchain atinjam níveis mais elevados de escalabilidade, capacidade de resposta e desempenho, melhorando, em última análise, a experiência do utilizador e expandindo as potenciais aplicações de tecnologias descentralizadas.

Isto contrasta com o processamento sequencial tradicional, em que as transacções são executadas uma após a outra, o que pode conduzir a estrangulamentos e ineficiências à medida que a procura aumenta. Embora estes métodos de processamento tenham sido muito úteis para lançar as bases das primeiras arquitecturas de cadeias de blocos, deparam-se com obstáculos significativos à medida que esta tecnologia evolui e experimenta uma maior adoção.

Desafios como os estrangulamentos de escalabilidade, o débito limitado, o congestionamento, os atrasos e as elevadas taxas de transação tornam-se mais pronunciados com a crescente complexidade e procura de redes de cadeias de blocos.

As ineficiências inerentes ao processamento sequencial dificultam a escalabilidade e a eficiência dos ecossistemas de cadeias de blocos, impedindo a sua capacidade de suportar uma vasta gama de casos de utilização e aplicações.

Desafios do processamento sequencial na cadeia de blocos

As redes tradicionais de cadeias de blocos, como a Ethereum, têm-se baseado em métodos de processamento sequencial para validar e adicionar transacções às suas cadeias de blocos. No entanto, apresenta algumas limitações, tais como:

Rendimento limitado do sistema e restrições de escalabilidade

Embora esta abordagem tenha garantido eficazmente a integridade das transacções e o consenso da rede, também impôs limitações significativas ao rendimento e à escalabilidade do sistema. Isto significa que, à medida que os volumes de transação aumentam, o modelo de processamento sequencial enfrenta desafios para acompanhar a procura crescente, o que, por sua vez, afecta diretamente a capacidade da rede para lidar com o aumento da atividade, dificultando a sua escalabilidade e potencial de crescimento.

A natureza sequencial do processamento significa que as transacções devem ser executadas uma após a outra, resultando numa progressão linear que se torna cada vez mais tensa à medida que a utilização da rede se intensifica. À medida que o número de transacções à espera de serem processadas aumenta, a capacidade do sistema para as tratar diminui, levando a congestionamentos e atrasos.

Aumento do congestionamento, atrasos nas transacções e aumento das taxas de gás

As limitações inerentes ao processamento sequencial contribuem para o aumento do congestionamento nas redes blockchain, levando a atrasos significativos nas transacções e ao aumento das taxas de transação. À medida que as transacções se acumulam no mempool à espera de confirmação, os utilizadores licitam frequentemente taxas mais elevadas para dar prioridade às suas transacções.

Esta concorrência pela atribuição de prioridades agrava o problema dos elevados custos de transação, uma vez que os utilizadores lutam pela inclusão no bloco seguinte. Consequentemente, as taxas de transação tornam-se inflacionadas, afectando a vontade dos utilizadores de se envolverem com a rede e diminuindo a experiência geral do utilizador.

Outra consequência é que os atrasos nas transacções resultantes do congestionamento agravam ainda mais a situação, uma vez que os utilizadores são susceptíveis de sentir frustração e insatisfação com o desempenho da rede. Estes atrasos dificultam a adoção da tecnologia de cadeias de blocos para aplicações em tempo real ou de grande volume e comprometem o princípio básico do acesso equitativo aos recursos das cadeias de blocos.

Execução paralela na cadeia de blocos

A execução paralela na cadeia de blocos significa a transição do modelo tradicional de processamento sequencial para uma abordagem dinâmica e concorrente. Esta mudança permite que as redes de cadeias de blocos processem transacções em simultâneo, de forma a que os utilizadores obtenham diferentes benefícios em termos de eficiência, escalabilidade e desempenho.

Ao contrário do processamento sequencial, que executa as transacções uma após a outra, a execução paralela permite que várias transacções sejam processadas ao mesmo tempo, como se fossem várias faixas paralelas numa estrada, como uma figura de estilo.

Ao permitir o processamento paralelo, as redes blockchain podem aumentar significativamente o rendimento das transacções, reduzir a latência e melhorar a eficiência da rede.

Atualmente, quando se trata de processadores modernos em computadores, estes estão equipados com múltiplos núcleos que podem executar threads em simultâneo, oferecendo um aumento significativo no poder computacional. Seguindo esse exemplo, as redes de cadeias de blocos podem aumentar o rendimento das transacções e a velocidade de processamento. Ao contrário do processamento sequencial tradicional, que utiliza apenas um único segmento para a execução de transacções, a execução paralela permite que as transacções sejam distribuídas por vários núcleos, possibilitando o processamento simultâneo.

Desafios de escalabilidade

A escalabilidade tem sido há muito um desafio para as redes de cadeias de blocos, particularmente à medida que os volumes de transação e as taxas de gás continuam a aumentar. Os métodos de processamento sequencial têm dificuldade em acompanhar o ritmo da procura crescente, o que resulta em congestionamento da rede, atrasos nas transacções e taxas mais elevadas.

A execução paralela oferece uma solução promissora para estes desafios de escalabilidade, permitindo o processamento simultâneo de transacções. Esta capacidade alivia o congestionamento, reduz os atrasos nas transacções e melhora a escalabilidade e a eficiência globais das redes de cadeias de blocos.

Embora esta tecnologia apresente uma solução promissora para melhorar a eficiência do processamento de transacções em redes de cadeias de blocos, também introduz desafios de escalabilidade que devem ser cuidadosamente abordados:

• Complexidade da coordenação: A execução paralela exige mecanismos de coordenação sofisticados para garantir que as transacções concorrentes não entrem em conflito ou resultem em inconsistências no livro-razão da cadeia de blocos.

A coordenação de transacções em vários nós de uma rede descentralizada introduz complexidades, como a gestão de dependências entre transacções e a resolução de conflitos resultantes do acesso simultâneo a recursos partilhados.

• Sobrecarga de sincronização: A obtenção de consenso entre os nós que processam transacções em paralelo acrescenta sobrecarga ao sistema, afectando potencialmente o desempenho e a escalabilidade.

Os mecanismos de sincronização, tais como bloqueios ou operações atómicas, são frequentemente necessários para manter a integridade dos dados e evitar condições de corrida. No entanto, o uso excessivo de sincronização pode levar a estrangulamentos e reduzir os benefícios da paralelização.

• Contenção de recursos: À medida que o número de transacções simultâneas aumenta, pode ocorrer contenção de recursos, particularmente em recursos partilhados, como a memória ou a largura de banda da rede. A competição por recursos pode levar a ineficiências e degradar o desempenho geral do sistema, limitando a escalabilidade da execução paralela.
• Escalabilidade dos algoritmos de consenso: A escalabilidade dos algoritmos de consenso, como a prova de trabalho ou a prova de participação, também pode colocar desafios à execução paralela. A coordenação do acordo de vários nós sobre a validade de transacções processadas em simultâneo exige uma análise cuidadosa da conceção do protocolo de consenso para garantir a escalabilidade e manter a segurança da rede.

Ao conceber modelos de execução paralela para mitigar a sobrecarga de coordenação, minimizar a contenção de recursos e melhorar a escalabilidade do consenso, as redes de cadeias de blocos podem beneficiar da paralelização, garantindo simultaneamente a escalabilidade e a eficiência no processamento de transacções.

A Sui, a Aptos e a Solana desenvolveram modelos de execução paralela para melhorar a eficiência do processamento de transacções de cadeias de blocos. Estes modelos têm como objetivo aumentar o débito e a escalabilidade da rede.

O Sui e o Aptos utilizam abordagens inovadoras para a execução de transacções concorrentes, permitindo que as transacções que não entram em conflito entre si sejam processadas simultaneamente. Isto é possível graças aos seus mecanismos de consenso e estruturas de execução únicos, que categorizam e tratam as transacções em paralelo, aumentando a eficiência do sistema.

O Solana consegue um processamento paralelo através da sua Prova de História (PoH) e do tempo de execução Sealevel. O PoH estabelece uma ordem verificável de eventos, permitindo que os nós cheguem a acordo sobre as sequências de eventos sem comunicação em tempo real, reduzindo as despesas gerais. O Sealevel permite que os contratos inteligentes sejam executados em paralelo em diferentes componentes de hardware, maximizando a utilização de recursos computacionais. Esta abordagem permite que a Solana processe milhares de transacções por segundo, respondendo aos desafios de escalabilidade da tecnologia blockchain.

A Sui, por exemplo, adopta uma abordagem centrada no objeto para o paralelismo, segmentando o estado da cadeia de blocos em objectos discretos que podem ser operados de forma independente e em paralelo. Esta arquitetura minimiza a contenção de transacções e acelera os tempos de processamento das transacções, aumentando a capacidade da rede para gerir um maior volume de transacções em simultâneo.

Do mesmo modo, o Aptos introduz um mecanismo de consenso denominado Block-STM (Software Transactional Memory), que facilita a execução de transacções simultâneas, mantendo as propriedades ACID cruciais para as transacções de bases de dados. Ao sequenciar estrategicamente as transacções dentro de um bloco e ao resolver eficazmente conflitos ou dependências em tempo real, o Aptos aumenta significativamente o rendimento e a escalabilidade da rede.

Desafios da paralelização

A paralelização introduz o risco de inconsistências no livro-razão, como gastos duplos ou alterações na ordem das transacções, que podem comprometer a integridade e a segurança das redes de cadeias de blocos. Além disso, a coordenação de transacções simultâneas apresenta complexidades, uma vez que a garantia de que as transacções não entram em conflito exige mecanismos de coordenação avançados e algoritmos complexos. Estes desafios realçam a importância de desenvolver soluções robustas para manter a integridade do registo, apesar do aumento do rendimento.

Outro desafio para a acessibilidade da rede é o facto de exigir recursos computacionais, em especial para as redes menos ricas em recursos. As estratégias para gerir a procura de recursos computacionais incluem a otimização de algoritmos e infra-estruturas para utilizar eficientemente os recursos disponíveis, bem como a garantia de acessibilidade da rede, fornecendo suporte para uma gama diversificada de dispositivos e configurações de rede e minimizando as barreiras à entrada dos participantes na rede.

Maximizando os benefícios da paralelização

Encontrar uma forma de equilibrar a inovação técnica e a afetação de recursos pode ser muito importante para maximizar os benefícios da paralelização e, ao mesmo tempo, tentar atenuar os desafios associados.

Isto requer uma abordagem estratégica que dê prioridade ao investimento em investigação e desenvolvimento para impulsionar a inovação técnica, assegurando simultaneamente uma atribuição eficiente de recursos para apoiar o processamento paralelo e a colaboração através da partilha de conhecimentos no seio da comunidade da cadeia de blocos. Esta abordagem pode ajudar a facilitar o desenvolvimento de melhores práticas para enfrentar eficazmente os desafios da paralelização.

Perspectivas futuras

Olhando para o futuro, o futuro da paralelização em blockchain é promissor para melhorar o cenário das tecnologias descentralizadas. À medida que continuam a ser feitos avanços em novos modelos e são desenvolvidas soluções inovadoras para enfrentar os desafios existentes, o potencial das redes de cadeias de blocos para atingir novos níveis de escalabilidade, eficiência e interoperabilidade torna-se ainda mais tangível.

À medida que as técnicas de paralelização amadurecem e se tornam mais amplamente adoptadas, espera-se que resolvam alguns dos desafios de escalabilidade que a adoção generalizada da tecnologia de cadeias de blocos pode colocar.

Ao distribuir as tarefas de processamento de transacções por vários nós ou núcleos de processamento, a paralelização pode aumentar significativamente a capacidade das redes de blockchain para lidar com volumes crescentes de transacções sem sacrificar o desempenho ou a descentralização. Desde as finanças descentralizadas (DeFi) e os tokens não fungíveis (NFT) até à gestão da cadeia de abastecimento e à identidade digital, tem o potencial de desbloquear novas possibilidades e impulsionar a inovação num grande número de sectores.

Ao permitir transacções de blockchain mais rápidas e mais eficientes, a paralelização pode melhorar a funcionalidade e a usabilidade de aplicações descentralizadas, tornando-as mais acessíveis a utilizadores e empresas.

Os principais desafios, como a gestão das inconsistências do livro-razão, a coordenação de transacções simultâneas e o equilíbrio da procura de recursos computacionais, devem ser abordados através de investigação, colaboração e inovação contínuas. Além disso, garantir que as técnicas de paralelização sejam implementadas de forma segura, fiável e sustentável será essencial para criar mais confiança nas redes de cadeias de blocos.

Conclusão

A adoção da execução paralela é um avanço disruptivo na tecnologia blockchain. Oferece oportunidades sem precedentes para melhorar a eficiência e a escalabilidade do processamento de transacções.

As inconsistências do registo, as complexidades de coordenação e as exigências de recursos computacionais têm de ser cuidadosamente controladas para garantir a integridade, a segurança e a acessibilidade das redes de cadeias de blocos. No entanto, estes desafios podem ser ultrapassados com planeamento estratégico, inovação técnica e colaboração no seio da comunidade da cadeia de blocos.