Введение

В контексте быстрого развития цифровой экономики технология блокчейн, как представитель децентрализованных механизмов доверия, постепенно проникает в секторы, такие как финансы, снабжение и здравоохранение. Однако традиционные блокчейн-системы, часто основанные на однолинейных архитектурах, включая блокчейны с полным набором инструкций, такие как Ethereum, все больше не в состоянии удовлетворить растущий спрос рынка. Они сталкиваются с серьезными проблемами масштабируемости и скорости обработки транзакций. Технология параллелизации блокчейна появилась для решения этих проблем, с целью обеспечить одновременную обработку нескольких транзакций.

Модель параллельного выполнения для транзакции умного контракта блокчейна (Источник: jos.org）

Параллельный блокчейн представляет собой дизайн параллельной обработки в блокчейне, позволяя обрабатывать несколько транзакций или смарт-контрактов одновременно, а не последовательно. Этот механизм позволяет сети блокчейна обрабатывать больше транзакций одновременно, значительно увеличивая пропускную способность и снижая задержку транзакций, тем самым становясь основным решением для удовлетворения потребностей крупномасштабных приложений.

Эта статья углубляется в основные принципы параллелизации блокчейна, анализируя ее преимущества и вызовы в практических приложениях. Она демонстрирует исследование и практику ведущих проектов в технологии параллелизации, с целью предоставить ценные идеи для будущего развития технологии блокчейна.

Стратегии технической реализации

Параллельное выполнение, техника, позволяющая одновременно выполнять несколько задач, широко применяется в таких областях, как обработка данных и отрисовка графики. Введение этой концепции в блокчейн-системы эффективно сокращает время обработки транзакций и решает проблемы растущих требований к вычислительной мощности.

Существует различные методы реализации параллельной обработки. Некоторые проекты по блокчейну фокусируются на параллельном выполнении смарт-контрактов, в то время как другие нацелены на параллелизацию при проверке транзакций и обновлении состояния. Однако каждый метод сталкивается с определенными техническими вызовами в поисках улучшения эффективности сети, при этом детали реализации зависят от выбранного подхода.

Параллельное выполнение по сравнению с традиционными путями выполнения (Источник: foresightnews.pro）

State Access / Оптимистичная модель

Большинство блокчейнов с возможностями параллельного выполнения полагаются на два популярных метода: метод доступа к состоянию и оптимистичную модель.

Метод доступа к состоянию - это стратегический подход, который проактивно определяет, какие транзакции могут получить доступ к определенным частям состояния блокчейна, позволяя блокчейну назначать независимые транзакции. В отличие от оптимистичной модели, которая предполагает, что все транзакции независимы, только в последующем подтверждая это предположение и внося необходимые корректировки.

В модели доступа к состоянию выполнение транзакции обычно использует стратегию оптимистичного контроля параллелизма, предполагая, что транзакции не конфликтуют. Откаты происходят только в случае реального возникновения конфликтов. Этот метод повышает пропускную способность транзакций и улучшает пользовательский опыт, хотя для обеспечения согласованности данных и безопасности системы требуется точно спроектированный механизм обнаружения конфликтов.

Архитектура фрагментации

Шардинг — одно из самых распространенных решений для распараллеливания блокчейнов. Его основная идея заключается в том, чтобы разделить сеть блокчейн на несколько шардов, позволяя каждому шарду независимо обрабатывать транзакции и данные. Такая конструкция значительно повышает пропускную способность и масштабируемость сети, устраняя узкие места производительности традиционных блокчейнов. Текущие проекты, использующие технологию шардинга, включают Ethereum 2.0, Zilliqa, NEAR Protocol и QuarkChain. Эти проекты эффективно решают проблемы масштабируемости блокчейна за счет шардинга, повышая эффективность сети.

Когда применяется к блокчейн-приложениям, технология шардинга обычно реализуется следующими тремя методами:

Как мы видим, технология шардинга может эффективно разделить транзакции. Хотя каждый метод шардинга имеет свои преимущества в улучшении масштабируемости, все они сталкиваются с общей проблемой межшарового взаимодействия. Непрерывное совершенствование алгоритмов согласованности данных необходимо для обеспечения общей производительности системы.

На примере динамического шардинга TON

В архитектуре шардированного блокчейна TON (The Open Network) выделяется благодаря своему дизайну «динамического шардинга». Используя «Парадигму бесконечного шардинга» (ISP), TON может гибко настраивать количество шардов для адаптации к требованиям реального времени, обеспечивая эффективное управление шардами. Эта архитектура демонстрирует значительный потенциал производительности, позволяя TON поддерживать высокую производительность при обработке больших объемов транзакций и решать проблемы масштабируемости, с которыми сталкиваются традиционные блокчейны.

Структура шардинга TON состоит из четырех уровней цепочек:

1. AccountChain: цепочка транзакций, связанная с конкретным аккаунтом. Обычно виртуальное понятие, AccountChain обеспечивает независимую запись транзакций для каждого аккаунта, обеспечивая упорядоченность цепочки и согласованность состояния в соответствии с определенными правилами.
2. ShardChain: Коллекция нескольких AccountChains, основная задача которых - обработка транзакций и данных. Независимость каждого ShardChain позволяет каждому шарду поддерживать свое состояние транзакции независимо.
3. WorkChain: Состоит из нескольких ShardChains с настраиваемыми правилами. Например, на основе EVM можно создать WorkChain для поддержки конкретных сред смарт-контрактов. Гибкость WorkChains позволяет пользователям настраивать структуру цепочки под конкретные потребности, хотя их создание требует строгого процесса управления.
4. MasterChain: Основная цепь сети TON, обеспечивающая окончательность для всех ShardChains. Как только хэш блока ShardChain объединяется с блоком MasterChain, он становится неизменным.

Уникальная структура шардинга TON поддерживает параллельную обработку по нескольким цепям, обеспечивая эффективную координацию через MasterChain (Источник: Биржа OKX)

На практике TON динамически корректирует количество шардов, чтобы реагировать на изменения нагрузки на сеть. Количество ShardChains автоматически увеличивается или уменьшается в зависимости от текущей нагрузки, что позволяет сети работать эффективно: при увеличении нагрузки TON дорабатывает шарды для обработки большего количества транзакций; Когда нагрузка уменьшается, шарды сливаются для экономии ресурсов. Благодаря парадигме Infinite Sharding TON может поддерживать практически неограниченное количество шардов, теоретически достигая 2 в степени 60 WorkChains. Кроме того, TON адаптируется, автоматически создавая больше шардов в регионах с повышенной частотой транзакций, повышая эффективность обработки.

Дизайн динамического шардинга в значительной степени зависит от межсетевой связи. Для этого в TON внедрили алгоритм маршрутизации гиперкуба. Основанный на топологии высокой размерности, этот алгоритм присваивает уникальный идентификатор каждому узлу WorkChain, обеспечивая передачу информации между цепочками по кратчайшему пути, удовлетворяя потребности в маршрутизации в крупномасштабной шардированной среде. Кроме того, TON разработала «Instant Hypercube Routing», которая использует корневой узел Merkle Trie для обеспечения доказательства маршрутизации, упрощения сложных межсетевых сообщений и повышения эффективности связи.

Сочетание с механизмом консенсуса PoS

По сравнению с традиционным механизмом Proof of Work (PoW), механизм Proof of Stake (PoS) выбирает узлы с большим количеством токенов для участия в консенсусе, снижая концентрацию вычислительной мощности и минимизируя конкуренцию и энергопотребление среди майнеров. Это повышает эффективность, обеспечивая при этом безопасность системы и децентрализацию. Классическим примером этой технологии является комбинация PoS и sharding в Ethereum 2.0.

В частности, Ethereum 2.0 разделяет сеть на несколько отсеков и использует механизм консенсуса PoS для распределения задач между несколькими валидаторами, при этом каждый валидатор отвечает за проверку транзакций внутри одного отсека, что значительно увеличивает пропускную способность. PoS также снижает риск получения избыточного контроля одним валидатором, случайно выбирая валидаторов и повышая децентрализованность блокчейн сети. Что касается безопасности, проверка каждого отсека управляется разными группами узлов, поэтому злоумышленнику необходимо контролировать несколько отсеков для проведения атаки, что затрудняет реализацию 51% атаки. Этот многоуровневый механизм защиты повышает безопасность сети.

Аналогично, протокол NEAR [2] также сочетает в себе технологию PoS и шардинга. С помощью своего протокола «Nightshade» NEAR интегрирует консенсус PoS в параллельный дизайн блокчейна, повышая эффективность и позволяя каждому шарду поддерживать только свою часть состояния. Это не только обеспечивает согласованность глобальной сети, но и повышает безопасность системы.

Параллелизм на основе вычислений

Вычислительно-ориентированное параллельное выполнение - это относительно новая концепция, которая стремится оптимизировать эффективность обработки блокчейна, разбивая сложные вычислительные задачи на более мелкие единицы для параллельного выполнения. Хотя эту инновационную модель еще не получила широкого распространения, ее потенциальное революционное влияние заслуживает внимания.

На практике сложные вычисления распределяются по разным узлам для параллельного выполнения, и результаты агрегируются после завершения вычислений каждым узлом. Такой подход повышает вычислительную эффективность, снижает задержку транзакций и хорошо подходит для вычислительно интенсивных приложений. Однако реализация этого метода представляет несколько вызовов, таких как обеспечение эффективности коммуникации между узлами и достижение окончательной согласованности вычислительных результатов.

Два выдающихся кейса

В эволюции технологии блокчейн Ethereum 2.0 и Polkadot выступают как два первоначальных примера. Эти проекты на передовой в решении критических проблем в области блокчейна, а именно масштабируемости, безопасности и устойчивости. Давайте углубимся в подробный анализ этих двух новаторских случаев.

Ethereum 2.0

Ethereum 2.0 (Eth2) - это крупное обновление сети Ethereum 1.0, которое стремится улучшить масштабируемость, безопасность и устойчивость. Параллельное выполнение является ключевым компонентом для достижения этих целей.

Перейдя от механизма Proof of Work (PoW) к Proof of Stake (PoS), Ethereum 2.0 вводит шардинг, разделяя всю сеть блокчейна на более мелкие «шарды». Каждый шард может независимо обрабатывать и проверять транзакции, значительно увеличивая общую пропускную способность. Кроме того, Ethereum 2.0 позволяет каждому шарду поддерживать свое собственное независимое состояние, что еще больше повышает эффективность параллельного выполнения и снижает нагрузку на основную цепочку, тем самым обеспечивая более эффективную обработку транзакций. Наконец, Ethereum 2.0 включает в себя эффективный механизм связи между шардами для обеспечения согласованности данных и взаимодействия между различными шардами, что необходимо для поддержки сложных децентрализованных приложений [3].

Ожидается, что благодаря параллельной обработке Ethereum 2.0 значительно увеличит скорость обработки транзакций, эффективно удовлетворяя растущий спрос пользователей и различные сценарии применения, особенно в таких секторах, как DeFi и NFT. Таким образом, внедряя параллельное исполнение, Ethereum 2.0 не только достигает технического прорыва, но и создает более прочную основу для роста децентрализованных приложений, повышая адаптивность сети Ethereum в будущем.

Иллюстрация шардинга данных Ethereum 2.0 (Источник: sohu.com)

Polkadot

Polkadot - инновационный протокол сети мультицепочек, разработанный для обеспечения взаимодействия и масштабируемости между блокчейнами. В качестве гетерогенной мультицепочечной архитектуры Polkadot состоит из централизованной «Цепи Реле» и нескольких независимых «Парачейн». Каждый Парачейн может иметь свою собственную модель управления и экономики, позволяя различным блокчейнам эффективно обмениваться данными.

Дизайн Polkadot использует общий механизм безопасности, гарантируя, что все парачейны получают выгоду от безопасности, обеспечиваемой Relay Chain, тем самым снижая нагрузку на безопасность каждого отдельного парачейна. Кроме того, Polkadot использует технологию параллельного выполнения, позволяющую нескольким парачейнам обрабатывать транзакции одновременно, что значительно увеличивает общую пропускную способность сети. Эта возможность параллельной обработки позволяет Polkadot эффективно обрабатывать растущие потребности в транзакциях, особенно в DeFi, NFT и других сложных сценариях приложений [4].

Механизм передачи сообщений между цепями (XCMP) Polkadot позволяет без проблем взаимодействовать между различными Параблоками, предоставляя разработчикам большие возможности для инноваций. Благодаря XCMP разработчики могут создавать взаимосвязанные децентрализованные приложения, дополнительно способствуя росту экосистемы.

Структура взаимодействия Polkadot (Источник:Что такое Polkadot? Краткое введение - ImmuneBytes)

Сравнение функций

Ethereum 2.0 VS. Polkadot (Table source: gate Learn)

Альтернативные решения

Решение проблем масштабируемости блокчейна остается ключевой областью исследований. Помимо технологии параллельного выполнения, стоит рассмотреть несколько альтернативных решений для повышения масштабируемости.

Слой 2 Решения

Решения уровня 2 (L2) специально разработаны для расширения пропускной способности блокчейна. В своей основе они предоставляют независимый уровень исполнения, обычно состоящий из двух частей: сети для обработки транзакций и смарт-контрактов, развернутых на базовом блокчейне. Смарт-контракты управляют спорами и передают результаты консенсуса из сети L2 на главную цепь для проверки и подтверждения.

Решения уровня 2 обладают явными преимуществами и техническими особенностями. Во-первых, они значительно улучшают масштабируемость, поскольку транзакции не нужно подтверждать индивидуально в основной цепочке. L2 может обрабатывать более высокий объем транзакций, уменьшая перегрузку в сетях уровня 1 (таких как Ethereum и Bitcoin) и значительно снижая комиссию за транзакции за счет обработки вне сети. Несмотря на то, что большинство операций происходит вне блокчейна, L2 по-прежнему полагается на безопасность основной цепочки, гарантируя, что окончательные результаты транзакций являются надежными и неизменными.

К распространенным решениям L2 относятся каналы состояния, накопительные пакеты и Plasma. Каналы состояний позволяют нескольким участникам часто взаимодействовать вне сети, отправляя окончательное состояние в блокчейн только в конце; Типичным примером является Lightning Network Биткоина. Роллапы, в настоящее время наиболее широко распространенное решение L2, делятся на оптимистичные роллапы и zk-роллапы: оптимистичные роллапы предполагают, что транзакции действительны, если они не оспариваются, в то время как zk-роллапы используют доказательства с нулевым разглашением для обеспечения точности транзакций при отправке данных. Plasma — это фреймворк, позволяющий создавать многоуровневые субчейны, каждый из которых способен обрабатывать множество транзакций.

Обзор решений уровня 2 (Источник: blackmountainig.com)

Улучшение механизмов согласия

Улучшение механизмов консенсуса также является эффективным подходом к повышению масштабируемости блокчейна. Это включает в себя внедрение более эффективных алгоритмов консенсуса (таких как Proof of Stake (PoS) и Byzantine Fault Tolerance (BFT)), чтобы увеличить скорость обработки транзакций. По сравнению с традиционным Proof of Work (PoW), эти новые механизмы консенсуса быстрее подтверждают транзакции и значительно снижают энергопотребление, лучше соответствуя требованиям устойчивого развития.

Кроме того, эти механизмы ускоряют процесс консенсуса, определяя генераторы блоков на основе таких факторов, как токены, удерживаемые валидаторскими узлами. Однако, несмотря на многие преимущества улучшенных механизмов консенсуса, переход от существующих механизмов к новым часто сопровождается техническими проблемами и рисками, особенно проблемами совместимости и нестабильностью системы в переходный период. Некоторые механизмы консенсуса также могут привести к централизации власти, создавая явление «богатеют все богаче», что потенциально угрожает основному принципу децентрализации блокчейна. Тем не менее, для блокчейн-сетей с высокими требованиями к эффективности обработки транзакций и энергопотреблению улучшение механизмов консенсуса остается перспективным решением масштабируемости для исследования.

Механизмы консенсуса PoW против PoS (Источник: blog.csdn.net）

Оптимизация параметров блока

Оптимизация параметров блока включает в себя настройку ключевых параметров, таких как размер блока и время блока, для повышения производительности и скорости отклика блокчейна. Этот подход обеспечивает быстрое повышение производительности, относительно прост в реализации и имеет низкие затраты на внедрение, что делает его хорошо подходящим для сценариев, требующих быстрого реагирования, таких как обработка всплесков трафика или краткосрочных всплесков транзакций.

Однако полное полагание на настройку параметров часто оказывает ограниченное влияние, и балансировка производительности сети и стабильности является важной. Чрезмерные или экстремальные изменения параметров могут вызвать сетевую перегрузку или конфликты в механизме консенсуса. Поэтому оптимизация блочных параметров обычно подходит для сценариев с краткосрочными требованиями к производительности, таких как быстрое реагирование на изменения на рынке.

Каждое решение по масштабируемости наилучшим образом подходит для различных случаев использования. При выборе соответствующего решения по масштабируемости принимающие решения лица должны обеспечить совместимость выбранных решений, обеспечивая отрасль более гибким и эффективным путем масштабируемости.

Сравнение решений

Сравнение различных решений масштабирования (источник таблицы: gate Learn)

Сводка преимуществ

Увеличенная пропускная способность

По сравнению с традиционными последовательными моделями обработки, параллельные сети цепей могут достичь скорости обработки транзакций (TPS) в 100 раз больше, чем последовательная обработка. Например, архитектура SeaLevel Solana [6] может обрабатывать более 50 000 TPS при оптимальных условиях. Хотя фактическая скорость может варьироваться в зависимости от спроса в сети, эта производительность значительно превышает производительность традиционных блокчейнов.

Эффективная горизонтальная масштабируемость стала необходимой с быстрым ростом сетевого трафика. Параллельные блокчейны вводят многопоточную параллельную обработку, обеспечивая блокчейн-сетям возможность масштабирования с увеличением спроса пользователей. Это особенно полезно в приложениях с высокой частотой транзакций, таких как игры и цепочки поставок, где параллельный дизайн обеспечивает децентрализованную обработку задач для поддержания стабильности системы и скорости ответа, удовлетворяя требованиям пропускной способности крупномасштабных приложений.

Путь параллельной обработки Solana (Источник: blog.slerf.tools）

Сниженная задержка

Параллельная обработка независимых транзакций значительно сокращает задержку от отправки транзакции до ее выполнения, что является очень ценным в обработке данных в режиме реального времени. В сценариях, требующих быстрого ответа, например, в децентрализованной финансовой (DeFi), подтверждение транзакции в режиме реального времени не только улучшает пользовательский опыт, но и снижает риски транзакций и давление на систему, связанное с задержками.

Например, модель параллельного исполнения Sui представляет собой инновационный механизм, позволяющий простым транзакциям, не требующим сложного консенсуса, обходить механизм консенсуса, значительно сокращая время подтверждения. По сравнению с традиционной последовательной обработкой, эта параллельная схема поддерживает выполнение транзакций в режиме реального времени, что является ключом к поддержанию стабильности системы и бесперебойной работы пользователей.

По мере развития протоколов межцепочечного взаимодействия и новых технологий параллельного выполнения, сети блокчейна будут достигать более эффективных режимов работы. Задержка и пропускная способность будут также становиться важными показателями конкурентоспособности на рынке.

Оптимизированное использование ресурсов

В традиционных блокчейнах, где транзакции обрабатываются последовательно, большую часть времени операции выполняет только один узел, в то время как другие узлы ожидают, что приводит к простою ресурсов. Параллельная технология позволяет нескольким валидаторам и ядрам процессора работать одновременно, преодолевая узкое место обработки одного узла и максимизируя эффективность сетевых ресурсов.

Эта оптимизация использования ресурсов не только устраняет «периоды простоя» во время обработки транзакций, но также значительно повышает общую производительность сети, особенно при высокой загрузке, что позволяет сети обрабатывать больше запросов на транзакции с уменьшенной задержкой.

Снижение затрат на транзакции

В отличие от традиционной последовательной обработки, параллельное выполнение обеспечивает более гибкое и эффективное выполнение транзакций между рынками благодаря улучшенному управлению рынком и оптимизированному выделению ресурсов, что значительно снижает вычислительную нагрузку при выполнении смарт-контрактов и, таким образом, снижает комиссии за газ. Этот дизайн максимизирует использование сетевых ресурсов и избегает расточительства вычислительных ресурсов, вызванного очередью однозадачности.

С рациональным распределением нагрузки ресурсы распределяются эффективно, поэтому валидаторы и узлы обработки не нуждаются в обработке избыточных данных, что приводит к более экономичной среде транзакций блокчейн для разработчиков и пользователей.

Объяснение Sei Network о параллельном выполнении в социальных медиа (Источник: x）

Анализ рисков

Риски безопасности

Шардинг делит блокчейн на несколько независимых фрагментов, что позволяет злоумышленникам сконцентрировать свои усилия на конкретном фрагменте, чтобы получить над ним контроль. Если злоумышленнику удается захватить фрагмент, он может манипулировать транзакциями и данными внутри него, представляя серьезную угрозу для общей безопасности сети. Этот локальный контроль может привести к неправильным операциям, подделке данных и, возможно, усилению атак на другие фрагменты, подрывая целостность и надежность всего блокчейна.

Кроме того, безопасность межшардового взаимодействия имеет решающее значение. Если обмен данными между сегментами небезопасен, это может привести к потере данных, подделке или ошибкам передачи, что может привести к проблемам с доверием в системе.

Техническая сложность

Транзакции между сегментами требуют координации данных о состоянии в разных сегментах, чтобы обеспечить атомарность транзакций. Чтобы предотвратить сбои транзакций из-за задержек или проблем с сетью, разработчикам также необходимо оптимизировать механизмы обмена сообщениями и синхронизации состояний.

Этот вызов не только увеличивает сложность проектирования системы, но также требует новых стратегий в логике контракта для обработки потенциальных ошибок и несоответствий. Успешное выполнение умных контрактов между шардами зависит не только от технических возможностей базового блокчейна, но также от реализации более сложных стратегий в дизайне контракта, чтобы обеспечить плавное и эффективное выполнение во взаимодействующей среде.

Отсутствие взаимодействия

Существующая параллельная технология блокчейна не обладает стандартизацией, поскольку различные платформы применяют разные технологии и протоколы. Это разнообразие привело к значительным различиям в механизмах консенсуса, структурах данных и протокольных уровнях. Хотя это разнообразие стимулирует инновации, оно также значительно снижает совместимость между различными блокчейнами, делая операции межцепочными более сложными и трудными.

Отсутствие совместимости не только ограничивает свободный поток активов между различными блокчейнами, но также может представлять угрозу безопасности, такую как потенциальные потери активов при кросс-чейн операциях. Поэтому решение проблем совместимости параллельного выполнения требует технологических инноваций и стандартизации и широкой сотрудничества внутри отрасли для создания более надежной экосистемы.

Рекомендации на будущее

Будущие исследования в параллельном блокчейне должны сосредоточиться на оптимизации межшаровой коммуникации.

Отрасль должна активно изучать стандартизированные протоколы и фреймворки совместимости, чтобы обеспечить согласованность данных и точную обработку транзакций между сегментами, чтобы способствовать бесшовной системной интеграции и совместному использованию ресурсов, тем самым усиливая синергию в экосистеме блокчейна. Кроме того, безопасность остается ключевым аспектом оптимизации шардинга, будущие исследования должны разработать более надежные модели безопасности для защиты от вредоносных атак и включить новые технологии, такие как доказательства с нулевым разглашением и гомоморфное шифрование для повышения конфиденциальности и совместимости в цепочке.

Одним из примеров успешного применения расширения приложений является Uniswap. Благодаря параллельной обработке Uniswap значительно улучшил возможности ответа, что позволило снизить затраты на транзакции и оптимизировать процессы международных платежей. Различные отрасли должны исследовать разнообразные приложения параллельных цепей для разблокировки их ценности в различных областях. Это поможет заложить прочный фундамент для эффективной, прозрачной и устойчивой среды развития технологий, ускоряющей цифровую трансформацию и поддерживающей более эффективное будущее цифровой экономики.

Ссылки

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/overview-of-layer-2-scaling-solutions/
6.https://www.sealevel.com/