У контексті швидкого розвитку цифрової економіки, технологія блокчейну, як представник децентралізованих механізмів довіри, поступово проникає в сектори, такі як фінанси, ланцюжки постачання та охорона здоров'я. Однак традиційні блокчейн-системи, часто на основі однолінійних архітектур, включаючи блокчейни з повною підтримкою Тюрінга, такі як Ethereum, все більше не можуть задовольнити зростаючий попит ринку. Вони стикаються з серйозними проблемами щодо масштабованості та швидкості обробки транзакцій. Технологія паралельного блокчейну була розроблена для вирішення цих питань з метою забезпечення одночасної обробки кількох транзакцій.
Паралельна модель виконання для транзакції розумного контракту блокчейну (Джерело: jos.org)
Паралельний блокчейн вводить концепцію паралельної обробки всередині блокчейну, що дозволяє обробляти кілька транзакцій або смарт-контрактів одночасно, а не послідовно. Цей механізм дозволяє мережі блокчейну обробляти більше транзакцій одночасно, значно збільшуючи пропускну здатність та зменшуючи затримку транзакцій, тим самим стаючи основним рішенням для вирішення вимог великомасштабних додатків.
Ця стаття вдавається в основні принципи паралельного використання блокчейну, аналізуючи його переваги та виклики в практичних застосуваннях. Вона демонструє дослідження та практику провідних проєктів у технології паралельного використання, спрямовані на надання цінних уявлень для майбутнього розвитку технології блокчейну.
Паралельне виконання, техніка, яка дозволяє запускати кілька завдань одночасно, широко використовується в галузях, таких як обробка даних та візуалізація графіки. Введення цього концепту в блокчейн системи ефективно зменшує час обробки транзакцій та вирішує зростаючі вимоги до обчислювальної потужності.
Існує різноманітні методи впровадження паралельної обробки. Деякі блокчейн проекти фокусуються на паралельному виконанні розумних контрактів, тоді як інші спрямовані на паралельність при перевірці транзакцій та оновленні стану. Однак кожен метод стикається зі специфічними технічними викликами у своїй спробі покращити ефективність мережі, а деталі реалізації залежать від обраного підходу.
Паралельне виконання порівняно з традиційними шляхами виконання (Джерело: foresightnews.pro)
Більшість блокчейнів з паралельним виконанням робить ставку на два популярних методи: метод доступу до стану та оптимістичну модель.
Метод доступу до стану - стратегічний підхід, який передбачає превентивне визначення того, які транзакції можуть отримати доступ до конкретних частин стану блокчейну, що дозволяє блокчейну визначати незалежні транзакції. Натомість, оптимістична модель передбачає, що всі транзакції є незалежними, перевіряючи цю припущення лише у зворотному порядку та вносячи корективи, якщо це необхідно.
У моделі доступу до стану виконання транзакцій зазвичай використовується стратегія оптимістичного контролю конкуренції, припускаючи, що транзакції не конфліктують. Відкати відбуваються лише тоді, коли насправді виникають конфлікти. Цей метод поліпшує пропускну здатність транзакцій та покращує досвід користувача, хоча вимагає точно розробленого механізму виявлення конфліктів, щоб забезпечити консистентність даних та безпеку системи.
Шардинг є одним із найпоширеніших рішень для розпаралелювання блокчейнів. Його основна ідея полягає в тому, щоб розділити мережу блокчейн на кілька шардів, що дозволяє кожному шарду незалежно обробляти транзакції та дані. Ця конструкція значно покращує обчислювальну потужність мережі та масштабованість, усуваючи вузьке місце продуктивності традиційних блокчейнів. Поточні проєкти, які використовують технологію шардингу, включають Ethereum 2.0, Zilliqa, NEAR Protocol і QuarkChain. Ці проєкти ефективно вирішують проблеми масштабованості блокчейну за допомогою шардингу, підвищуючи ефективність мережі.
Коли застосовується до блокчейн-додатків, технологія шардування зазвичай реалізується за наступними трема методами:
Як ми бачимо, технологія шардингу може ефективно розділяти транзакції. Хоча кожен метод шардингу має свої переваги в покращенні масштабованості, всі вони стикаються зі спільною проблемою міжшардової комунікації. Постійне доопрацювання алгоритмів узгодженості даних необхідне для забезпечення загальної продуктивності системи.
Візьмемо для прикладу динамічний шардинг TON
У архітектурі розсіченого блокчейну TON (The Open Network) виділяється завдяки своєму дизайну «динамічного розсічення». За допомогою «Парадигми нескінченного розсічення» (ISP) TON може гнучко налаштовувати кількість розсічок, щоб відповідати потребам мережі в реальному часі, досягаючи ефективного управління розсічками. Ця архітектура продемонструє значний потенціал продуктивності, дозволяючи TON підтримувати високу продуктивність при обробці великого обсягу транзакцій та вирішенні питань масштабованості, з якими зіштовхуються традиційні блокчейни.
Структура розсипання TON складається з чотирьох рівнів ланцюгів:
Унікальна структура розшарування TON підтримує паралельну обробку на кількох ланцюгах, ефективна координація досягається через MasterChain (Джерело:OKX)
На практиці TON динамічно регулює кількість шардів, щоб реагувати на зміну навантаження на мережу. Кількість ShardChains автоматично збільшується або зменшується залежно від поточного навантаження, що дозволяє мережі працювати ефективно: коли навантаження збільшується, TON уточнює шарди для обробки більшої кількості транзакцій; Коли навантаження зменшується, шарди зливаються для економії ресурсів. Завдяки парадигмі Infinite Sharding TON може підтримувати майже необмежену кількість шардів, теоретично досягаючи 2 у степені 60 WorkChains. Крім того, TON адаптується, автоматично створюючи більше шардів у регіонах із підвищеною частотою транзакцій, підвищуючи ефективність обробки.
Динамічний дизайн шардингу значною мірою покладається на міжланцюгову комунікацію. Для цього TON ввів алгоритм маршрутизації гіперкуба. Ґрунтуючись на топології високої розмірності, цей алгоритм присвоює унікальний ідентифікатор кожному вузлу WorkChain, дозволяючи передавати інформацію між ланцюгами найкоротшим шляхом, задовольняючи потреби в маршрутизації у великомасштабному сегментованому середовищі. Крім того, TON розробила «Instant Hypercube Routing», яка використовує кореневий вузол Merkle Trie для забезпечення доказу маршрутизації, спрощуючи складний крос-чейн обмін повідомленнями та підвищуючи ефективність зв'язку.
Порівняно з традиційним механізмом Proof of Work (PoW), механізм Proof of Stake (PoS) вибирає вузли з більшою кількістю токенів для участі в консенсусі, зменшуючи концентрацію обчислювальної потужності та мінімізуючи конкуренцію та споживання енергії серед майнерів. Це покращує ефективність, забезпечуючи при цьому безпеку і децентралізацію системи. Поєднання PoS і фрагментації в Ethereum 2.0 є класичним прикладом такої технології.
Зокрема, Ethereum 2.0 розділяє мережу на кілька шардів і використовує механізм консенсусу PoS для призначення завдань між кількома валідаторами, при цьому кожен валідатор відповідає за перевірку транзакцій у межах одного шарда, що значно збільшує пропускну здатність. PoS також знижує ризик того, що будь-який окремий валідатор отримає надмірний контроль шляхом випадкового вибору валідаторів, посилюючи децентралізовану природу мережі блокчейн. Що стосується безпеки, валідацією кожного шарда керують різні групи вузлів, тому зловмиснику потрібно буде контролювати кілька шардів, щоб розпочати атаку, що ускладнює проведення атаки 51%. Цей багаторівневий механізм захисту підвищує безпеку мережі.
Так само, Протокол NEAR [2] також поєднує технологію PoS та шарування. Через свій протокол “Nightshade”, NEAR інтегрує консенсус PoS в паралельному дизайні блокчейну, що збільшує ефективність, дозволяючи кожному шару підтримувати лише свою частину стану. Це не лише забезпечує глобальну консистентність мережі, але й підвищує безпеку системи.
Виконання паралельних обчислень на основі обчислень - це досить нова концепція, яка спрямована на оптимізацію ефективності обробки блокчейну шляхом розбиття складних обчислювальних завдань на менші одиниці для паралельного виконання. Хоча ця інноваційна модель ще не отримала широкого поширення, її потенційний революційний вплив варто відзначити.
На практиці складні обчислення розподіляються на різні вузли для паралельного виконання, а результати агрегуються після завершення обчислень кожним вузлом. Цей підхід покращує ефективність обчислень, зменшує затримку транзакцій та добре підходить для обчислювально-інтенсивних застосувань. Однак впровадження цього методу ставить перед собою кілька викликів, таких як забезпечення ефективності комунікації між вузлами та досягнення кінцевої консистентності результатів обчислень.
У процесі еволюції технології блокчейну Ethereum 2.0 та Polkadot виступають як два провідних приклади. Ці проекти знаходяться на передньому краю вирішення критичних викликів у сфері блокчейну, а саме масштабованості, безпеки та сталості. Давайте заглибимося в детальний аналіз цих двох проривних випадків.
Ethereum 2.0 (Eth2) - це значне оновлення мережі Ethereum 1.0, яке спрямоване на покращення масштабованості, безпеки та стійкості. Паралельне виконання є ключовою складовою досягнення цих цілей.
Переходячи від механізму Proof of Work (PoW) до Proof of Stake (PoS), Ethereum 2.0 вводить шардування, розділяючи всю мережу блокчейну на менші «шарди». Кожен шард може незалежно обробляти та перевіряти транзакції, значно збільшуючи загальну пропускну здатність. Крім того, Ethereum 2.0 дозволяє кожному шарду підтримувати свій власний незалежний стан, додатково підвищуючи ефективність паралельного виконання та зменшуючи навантаження на основний ланцюжок, тим самим дозволяючи більш ефективну обробку транзакцій. Наприкінці, Ethereum 2.0 включає ефективний механізм міжшарової комунікації для забезпечення консистентності даних та взаємодії між різними шардами, що є необхідним для підтримки складних децентралізованих додатків [3].
Через паралельну обробку, очікується, що Ethereum 2.0 значно збільшить швидкість обробки транзакцій, ефективно вирішуючи зростаючий попит користувачів та різноманітні сценарії застосування, особливо в секторах, таких як DeFi та NFT. Загалом, введенням паралельного виконання Ethereum 2.0 досягає не тільки технічного прориву, але й створює міцнішу основу для розвитку децентралізованих додатків, сприяючи адаптивності мережі Ethereum у майбутньому.
Ілюстрація фрагментації даних Ethereum 2.0 (Джерело:sohu.com)
Polkadot — це інноваційний багатоланцюговий мережевий протокол, розроблений для забезпечення сумісності та масштабованості між блокчейнами. Як гетерогенна багатоланцюгова архітектура, Polkadot складається з централізованого «Relay Chain» і кількох незалежних «парачейнів». Кожен парачейн може мати власну модель управління та економіки, що дозволяє різним блокчейнам ефективно взаємодіяти та обмінюватися даними.
Дизайн Polkadot використовує спільний механізм безпеки, гарантуючи, що всі парачейни отримують вигоду від безпеки, яку забезпечує Relay Chain, таким чином зменшуючи навантаження на безпеку кожного окремого парачейна. Крім того, Polkadot використовує технологію паралельного виконання, що дозволяє кільком парачейнам обробляти транзакції одночасно, значно збільшуючи загальну пропускну здатність мережі. Ця можливість паралельної обробки дозволяє Polkadot ефективно справлятися зі зростаючими вимогами транзакцій, особливо в DeFi, NFT та інших складних сценаріях застосування [4].
Механізм Cross-Chain Message Passing (XCMP) Polkadot дозволяє безшовну взаємодію між різними Парачейнами, надаючи розробникам більший простір для інновацій. За допомогою XCMP розробники можуть створювати взаємопов'язані децентралізовані додатки, що сприяє подальшому зростанню екосистеми.
Структура взаємодії Polkadot (Джерело: Що таке Polkadot? Короткий вступ - ImmuneBytes)
Ethereum 2.0 VS. Polkadot (Table source: gate Learn)
Вирішення проблем масштабованості блокчейну залишається ключовою областю дослідження. Помимо технології паралельного виконання, варто розглянути кілька альтернативних рішень для масштабованості.
Рішення рівня 2 (L2) призначені спеціально для розширення потужності блокчейну. На їх основі вони надають незалежний шар виконання, який зазвичай складається з двох частин: мережі для обробки транзакцій та розгортання розумних контрактів на базовому блокчейні. Розумні контракти вирішують спори та передають результати консенсусу з мережі L2 до основного ланцюжка для перевірки та підтвердження.
Рішення другого рівня мають відмінні переваги та технічні особливості. По-перше, вони значно підвищують масштабованість, оскільки транзакції не потребують окремого підтвердження на головному ланцюжку. L2 може обробляти великий обсяг транзакцій, зменшуючи затори на мережах першого рівня (таких як Ethereum та Bitcoin) і значно знижуючи комісії за транзакції за рахунок обробки поза ланцюжком. Хоча більшість операцій відбуваються поза ланцюжком, L2 все ще залежить від безпеки головного ланцюжка, забезпечуючи надійність та незмінність кінцевих результатів транзакцій.
Типові рішення L2 включають канали стану, Rollups і Plasma. Канали стану дозволяють багатьом учасникам взаємодіяти поза ланцюжком часто, подаючи остаточний стан на блокчейн лише в кінці; Повітряна мережа Bitcoin є типовим прикладом. Rollups, наразі найбільш поширене рішення L2, поділяються на Оптимістичні Rollups та zk-Rollups: Оптимістичні Rollups передбачають, що транзакції є дійсними, якщо ніхто не оскаржує, тоді як zk-Rollups використовують докази з нульовим знанням, щоб забезпечити точність транзакцій при подачі даних. Plasma - це рамка, яка дозволяє створювати багатошарові підланки, кожна з яких може обробляти численні транзакції.
Огляд рішень рівня 2 (Джерело: blackmountainig.com)
Покращення механізмів згоди також є ефективним підходом до підвищення масштабованості блокчейну. Це включає впровадження більш ефективних алгоритмів згоди (таких як Proof of Stake (PoS) і Byzantine Fault Tolerance (BFT)) для збільшення швидкості обробки транзакцій. Порівняно з традиційним Proof of Work (PoW), ці нові механізми згоди швидші в підтвердженні транзакцій і значно знижують споживання енергії, що краще відповідає вимогам сталого розвитку.
Крім того, ці механізми прискорюють процес консенсусу, визначаючи генератори блоків на основі таких факторів, як токени, що зберігаються вузлами валідаторів. Однак, незважаючи на численні переваги вдосконалених механізмів консенсусу, перехід від існуючих механізмів до нових часто пов'язаний з технічними проблемами та ризиками, особливо проблемами сумісності та нестабільністю системи під час перехідного періоду. Деякі механізми консенсусу також можуть призвести до централізації влади, створюючи феномен «багаті стають багатшими», потенційно загрожуючи основному принципу децентралізації блокчейну. Тим не менш, для блокчейн-мереж з високими вимогами до ефективності обробки транзакцій та енергоспоживання, покращення механізмів консенсусу залишається гідним рішенням для вивчення.
Механізми консенсусу PoW проти PoS (Джерело: blog.csdn.net)
Оптимізація параметрів блоку передбачає коригування ключових параметрів, таких як розмір блоку та час блоку, для покращення обчислювальної потужності та швидкості реагування блокчейну. Цей підхід пропонує швидке підвищення продуктивності, відносно простий у реалізації та має низькі витрати на впровадження, що робить його добре придатним для сценаріїв, що вимагають швидкого реагування, таких як обробка сплесків трафіку або короткострокових стрибків транзакцій.
Проте, виключно налаштування параметрів часто мають обмежений вплив, і збалансованість мережі є важливою для її продуктивності та стабільності. Надмірні або екстремальні зміни параметрів можуть спричинити навантаження мережі або конфлікти в механізмі консенсусу. Тому оптимізація параметрів блоку зазвичай підходить для сценаріїв з короткостроковими вимогами до продуктивності, наприклад, швидко реагувати на зміни на ринку.
Кожне рішення щодо масштабованості найкраще підходить для різних випадків використання. При виборі відповідного рішення щодо масштабованості виробники рішень повинні забезпечити, щоб обрані рішення могли доповнювати одне одного, надаючи галузі більш гнучкий і ефективний шлях масштабованості.
Порівняння рішень
Порівняння різних рішень щодо масштабування (Джерело таблиці: gate Learn)
Порівняно з традиційними послідовними моделями обробки, паралельні ланцюгові мережі можуть досягати швидкостей обробки транзакцій (TPS) в 100 разів більше, ніж послідовна обробка. Наприклад, архітектура SeaLevel від Solana [6] може обробляти понад 50 000 TPS за оптимальних умов. Хоча фактична швидкість може варіюватися залежно від попиту в мережі, ця продуктивність далеко перевершує традиційні блокчейни.
Ефективна горизонтальна масштабованість стала невід'ємною зі стрімким зростанням мережевого трафіку. Паралельні блокчейни вводять багатопотокову паралельну обробку, що дозволяє блокчейнам масштабуватися зі зростанням попиту користувачів. Це особливо корисно для додатків з високою частотою транзакцій, таких як геймінг і ланцюжки поставок, де паралельне проектування дозволяє децентралізовану обробку завдань для підтримки стабільності та швидкості відгуку системи, що задовольняє потреби пропускної здатності великомасштабних додатків.
Шлях паралельної обробки Solana (Джерело: блог.slerf.tools)
Паралельна обробка незалежних транзакцій значно скорочує затримку від подачі транзакції до виконання, що дуже цінно при обробці даних в режимі реального часу. У сценаріях, що вимагають швидкого реагування, таких як децентралізовані фінанси (DeFi), підтвердження транзакцій у режимі реального часу не тільки покращує взаємодію з користувачем, але й знижує ризики транзакцій і навантаження на систему, пов'язані із затримками.
Наприклад, паралельна модель виконання Sui вводить інноваційний механізм, який дозволяє простим транзакціям, що не потребують складного консенсусу, обійти механізм консенсусу, радикально скорочуючи час підтвердження. Порівняно з традиційною послідовною обробкою, цей паралельний дизайн підтримує виконання транзакцій в реальному часі, що є ключовим для забезпечення стабільності системи та плавного користувацького досвіду.
По мірі розвитку протоколів міжланцюжкової комунікації та нових технологій паралельного виконання мереж блокчейн будуть досягати більш ефективних режимів роботи. Низька затримка і велика пропускна спроможність також стануть важливими показниками конкурентоспроможності на ринку.
У традиційних блокчейнах, де транзакції обробляються послідовно, більшість часу лише один вузол виконує операції, поки інші вузли чекають, що призводить до простою ресурсів. Паралельна технологія дозволяє одночасно працювати кільком перевіряючим вузлам та процесорним ядрам, ламаючи обробний затор одного вузла та максимізуючи ефективність мережевих ресурсів.
Ця оптимізація використання ресурсів не тільки усуває «періоди простою» під час обробки транзакцій, але й значно підвищує загальну продуктивність мережі, особливо в умовах високого навантаження, дозволяючи мережі обробляти більше запитів на транзакції зі зменшеною затримкою.
На відміну від традиційної послідовної обробки, паралельне виконання дозволяє більш гнучке й ефективне виконання транзакцій на різних ринках завдяки вдосконаленому управлінню ринком та оптимізованому розподілу ресурсів, що значно зменшує обчислювальне навантаження для виконання смарт-контрактів та, відповідно, знижує газові витрати. Це рішення максимізує використання мережевих ресурсів та уникне втрати обчислювальних ресурсів, що виникають від чергування однієї задачі.
Завдяки раціональному розподілу навантаження ресурси розподіляються ефективно, тому валідаторам і вузлам обробки не потрібно обробляти надлишкові дані, що призводить до більш економічного середовища транзакцій блокчейну для розробників і користувачів.
Пояснення Sei Network щодо паралельного виконання в соціальних медіа (Джерело: x)
Шардинг розділяє блокчейн на кілька незалежних шардів, що може дозволити зловмисникам зосередити зусилля на конкретному сегменті, щоб отримати контроль над ним. Якщо зловмисник успішно захоплює шард, він може маніпулювати транзакціями та даними в ньому, створюючи серйозну загрозу загальній безпеці мережі. Цей локальний контроль може призвести до неправильних операцій, фальсифікації даних і, можливо, ескалації атак на інші шарди, що ставить під загрозу цілісність і надійність усього блокчейну.
Додатково, безпека міжшарової комунікації є критичною. Якщо міжшарова комунікація не є безпечною, це може призвести до втрати даних, підробки або помилок передачі, створюючи потенційні проблеми довіри у системі.
Перекресні транзакції вимагають координації даних стану на різних шардах, щоб забезпечити атомарність транзакцій. Щоб запобігти відмовам транзакцій через затримки або проблеми з мережею, розробники також повинні оптимізувати механізми передачі повідомлень та синхронізації стану.
Це завдання не тільки збільшує складність дизайну системи, але також вимагає нових стратегій у логіці контракту для обробки можливих помилок та невідповідностей. Успішне виконання крос-шарових розумних контрактів залежить не тільки від технічних можливостей базового блокчейну, але й від впровадження більш складних стратегій у дизайні контракту для забезпечення гладкої та ефективної реалізації в розшареному середовищі.
Поточна технологія паралельного блокчейну не має стандартизації, різні платформи використовують різні технології та протоколи. Ця різноманітність призвела до значних відмінностей у механізмах консенсусу, структурах даних та протокольних рівнях. Хоча ця різноманітність сприяла інноваціям, вона також значно знизила взаємодію між різними блокчейнами, зробивши перехідні операції більш складними та важкими.
Відсутність сумісності не тільки обмежує вільний потік активів між різними блокчейнами, але й може становити ризики для безпеки, такі як потенційна втрата активів у крос-чейн операціях. Таким чином, усунення ризиків сумісності, пов'язаних з паралельним виконанням, вимагає технологічних інновацій і стандартизації, а також широкої співпраці в галузі для створення більш надійної екосистеми.
Подальші дослідження в галузі паралельного блокчейну повинні бути зосереджені на оптимізації міжшардового зв'язку.
Галузь повинна активно досліджувати стандартизовані протоколи та фреймворки взаємодії, щоб забезпечити однорідність даних та точну обробку транзакцій через фрагменти для сприяння безперервної інтеграції систем та спільного використання ресурсів, тим самим підвищуючи синергію всередині екосистеми блокчейну. Крім того, безпека залишається ключовим аспектом оптимізації фрагментації; майбутні дослідження повинні розробляти більш міцні моделі безпеки для захисту від зловмисних атак і включати нові технології, такі як докази нуль-знання та гомоморфне шифрування, щоб підвищити конфіденційність та взаємодію на ланцюжку.
Щодо розширення додатків, вже є успішні випадки, з яких можна брати приклад. Наприклад, Uniswap значно покращив можливості відповіді за допомогою паралельної обробки, тим самим зменшивши витрати на транзакції та оптимізувавши процеси міжнародних платежів. Різні галузі повинні досліджувати різноманітні застосування паралельних ланцюгів для розблокування їхньої цінності у різних галузях. Це допоможе закласти міцну основу для ефективного, прозорого та сталого середовища розвитку технологій, прискорюючи цифрову трансформацію та підтримуючи більш ефективну цифрову економіку майбутнього.
Посилання
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/
У контексті швидкого розвитку цифрової економіки, технологія блокчейну, як представник децентралізованих механізмів довіри, поступово проникає в сектори, такі як фінанси, ланцюжки постачання та охорона здоров'я. Однак традиційні блокчейн-системи, часто на основі однолінійних архітектур, включаючи блокчейни з повною підтримкою Тюрінга, такі як Ethereum, все більше не можуть задовольнити зростаючий попит ринку. Вони стикаються з серйозними проблемами щодо масштабованості та швидкості обробки транзакцій. Технологія паралельного блокчейну була розроблена для вирішення цих питань з метою забезпечення одночасної обробки кількох транзакцій.
Паралельна модель виконання для транзакції розумного контракту блокчейну (Джерело: jos.org)
Паралельний блокчейн вводить концепцію паралельної обробки всередині блокчейну, що дозволяє обробляти кілька транзакцій або смарт-контрактів одночасно, а не послідовно. Цей механізм дозволяє мережі блокчейну обробляти більше транзакцій одночасно, значно збільшуючи пропускну здатність та зменшуючи затримку транзакцій, тим самим стаючи основним рішенням для вирішення вимог великомасштабних додатків.
Ця стаття вдавається в основні принципи паралельного використання блокчейну, аналізуючи його переваги та виклики в практичних застосуваннях. Вона демонструє дослідження та практику провідних проєктів у технології паралельного використання, спрямовані на надання цінних уявлень для майбутнього розвитку технології блокчейну.
Паралельне виконання, техніка, яка дозволяє запускати кілька завдань одночасно, широко використовується в галузях, таких як обробка даних та візуалізація графіки. Введення цього концепту в блокчейн системи ефективно зменшує час обробки транзакцій та вирішує зростаючі вимоги до обчислювальної потужності.
Існує різноманітні методи впровадження паралельної обробки. Деякі блокчейн проекти фокусуються на паралельному виконанні розумних контрактів, тоді як інші спрямовані на паралельність при перевірці транзакцій та оновленні стану. Однак кожен метод стикається зі специфічними технічними викликами у своїй спробі покращити ефективність мережі, а деталі реалізації залежать від обраного підходу.
Паралельне виконання порівняно з традиційними шляхами виконання (Джерело: foresightnews.pro)
Більшість блокчейнів з паралельним виконанням робить ставку на два популярних методи: метод доступу до стану та оптимістичну модель.
Метод доступу до стану - стратегічний підхід, який передбачає превентивне визначення того, які транзакції можуть отримати доступ до конкретних частин стану блокчейну, що дозволяє блокчейну визначати незалежні транзакції. Натомість, оптимістична модель передбачає, що всі транзакції є незалежними, перевіряючи цю припущення лише у зворотному порядку та вносячи корективи, якщо це необхідно.
У моделі доступу до стану виконання транзакцій зазвичай використовується стратегія оптимістичного контролю конкуренції, припускаючи, що транзакції не конфліктують. Відкати відбуваються лише тоді, коли насправді виникають конфлікти. Цей метод поліпшує пропускну здатність транзакцій та покращує досвід користувача, хоча вимагає точно розробленого механізму виявлення конфліктів, щоб забезпечити консистентність даних та безпеку системи.
Шардинг є одним із найпоширеніших рішень для розпаралелювання блокчейнів. Його основна ідея полягає в тому, щоб розділити мережу блокчейн на кілька шардів, що дозволяє кожному шарду незалежно обробляти транзакції та дані. Ця конструкція значно покращує обчислювальну потужність мережі та масштабованість, усуваючи вузьке місце продуктивності традиційних блокчейнів. Поточні проєкти, які використовують технологію шардингу, включають Ethereum 2.0, Zilliqa, NEAR Protocol і QuarkChain. Ці проєкти ефективно вирішують проблеми масштабованості блокчейну за допомогою шардингу, підвищуючи ефективність мережі.
Коли застосовується до блокчейн-додатків, технологія шардування зазвичай реалізується за наступними трема методами:
Як ми бачимо, технологія шардингу може ефективно розділяти транзакції. Хоча кожен метод шардингу має свої переваги в покращенні масштабованості, всі вони стикаються зі спільною проблемою міжшардової комунікації. Постійне доопрацювання алгоритмів узгодженості даних необхідне для забезпечення загальної продуктивності системи.
Візьмемо для прикладу динамічний шардинг TON
У архітектурі розсіченого блокчейну TON (The Open Network) виділяється завдяки своєму дизайну «динамічного розсічення». За допомогою «Парадигми нескінченного розсічення» (ISP) TON може гнучко налаштовувати кількість розсічок, щоб відповідати потребам мережі в реальному часі, досягаючи ефективного управління розсічками. Ця архітектура продемонструє значний потенціал продуктивності, дозволяючи TON підтримувати високу продуктивність при обробці великого обсягу транзакцій та вирішенні питань масштабованості, з якими зіштовхуються традиційні блокчейни.
Структура розсипання TON складається з чотирьох рівнів ланцюгів:
Унікальна структура розшарування TON підтримує паралельну обробку на кількох ланцюгах, ефективна координація досягається через MasterChain (Джерело:OKX)
На практиці TON динамічно регулює кількість шардів, щоб реагувати на зміну навантаження на мережу. Кількість ShardChains автоматично збільшується або зменшується залежно від поточного навантаження, що дозволяє мережі працювати ефективно: коли навантаження збільшується, TON уточнює шарди для обробки більшої кількості транзакцій; Коли навантаження зменшується, шарди зливаються для економії ресурсів. Завдяки парадигмі Infinite Sharding TON може підтримувати майже необмежену кількість шардів, теоретично досягаючи 2 у степені 60 WorkChains. Крім того, TON адаптується, автоматично створюючи більше шардів у регіонах із підвищеною частотою транзакцій, підвищуючи ефективність обробки.
Динамічний дизайн шардингу значною мірою покладається на міжланцюгову комунікацію. Для цього TON ввів алгоритм маршрутизації гіперкуба. Ґрунтуючись на топології високої розмірності, цей алгоритм присвоює унікальний ідентифікатор кожному вузлу WorkChain, дозволяючи передавати інформацію між ланцюгами найкоротшим шляхом, задовольняючи потреби в маршрутизації у великомасштабному сегментованому середовищі. Крім того, TON розробила «Instant Hypercube Routing», яка використовує кореневий вузол Merkle Trie для забезпечення доказу маршрутизації, спрощуючи складний крос-чейн обмін повідомленнями та підвищуючи ефективність зв'язку.
Порівняно з традиційним механізмом Proof of Work (PoW), механізм Proof of Stake (PoS) вибирає вузли з більшою кількістю токенів для участі в консенсусі, зменшуючи концентрацію обчислювальної потужності та мінімізуючи конкуренцію та споживання енергії серед майнерів. Це покращує ефективність, забезпечуючи при цьому безпеку і децентралізацію системи. Поєднання PoS і фрагментації в Ethereum 2.0 є класичним прикладом такої технології.
Зокрема, Ethereum 2.0 розділяє мережу на кілька шардів і використовує механізм консенсусу PoS для призначення завдань між кількома валідаторами, при цьому кожен валідатор відповідає за перевірку транзакцій у межах одного шарда, що значно збільшує пропускну здатність. PoS також знижує ризик того, що будь-який окремий валідатор отримає надмірний контроль шляхом випадкового вибору валідаторів, посилюючи децентралізовану природу мережі блокчейн. Що стосується безпеки, валідацією кожного шарда керують різні групи вузлів, тому зловмиснику потрібно буде контролювати кілька шардів, щоб розпочати атаку, що ускладнює проведення атаки 51%. Цей багаторівневий механізм захисту підвищує безпеку мережі.
Так само, Протокол NEAR [2] також поєднує технологію PoS та шарування. Через свій протокол “Nightshade”, NEAR інтегрує консенсус PoS в паралельному дизайні блокчейну, що збільшує ефективність, дозволяючи кожному шару підтримувати лише свою частину стану. Це не лише забезпечує глобальну консистентність мережі, але й підвищує безпеку системи.
Виконання паралельних обчислень на основі обчислень - це досить нова концепція, яка спрямована на оптимізацію ефективності обробки блокчейну шляхом розбиття складних обчислювальних завдань на менші одиниці для паралельного виконання. Хоча ця інноваційна модель ще не отримала широкого поширення, її потенційний революційний вплив варто відзначити.
На практиці складні обчислення розподіляються на різні вузли для паралельного виконання, а результати агрегуються після завершення обчислень кожним вузлом. Цей підхід покращує ефективність обчислень, зменшує затримку транзакцій та добре підходить для обчислювально-інтенсивних застосувань. Однак впровадження цього методу ставить перед собою кілька викликів, таких як забезпечення ефективності комунікації між вузлами та досягнення кінцевої консистентності результатів обчислень.
У процесі еволюції технології блокчейну Ethereum 2.0 та Polkadot виступають як два провідних приклади. Ці проекти знаходяться на передньому краю вирішення критичних викликів у сфері блокчейну, а саме масштабованості, безпеки та сталості. Давайте заглибимося в детальний аналіз цих двох проривних випадків.
Ethereum 2.0 (Eth2) - це значне оновлення мережі Ethereum 1.0, яке спрямоване на покращення масштабованості, безпеки та стійкості. Паралельне виконання є ключовою складовою досягнення цих цілей.
Переходячи від механізму Proof of Work (PoW) до Proof of Stake (PoS), Ethereum 2.0 вводить шардування, розділяючи всю мережу блокчейну на менші «шарди». Кожен шард може незалежно обробляти та перевіряти транзакції, значно збільшуючи загальну пропускну здатність. Крім того, Ethereum 2.0 дозволяє кожному шарду підтримувати свій власний незалежний стан, додатково підвищуючи ефективність паралельного виконання та зменшуючи навантаження на основний ланцюжок, тим самим дозволяючи більш ефективну обробку транзакцій. Наприкінці, Ethereum 2.0 включає ефективний механізм міжшарової комунікації для забезпечення консистентності даних та взаємодії між різними шардами, що є необхідним для підтримки складних децентралізованих додатків [3].
Через паралельну обробку, очікується, що Ethereum 2.0 значно збільшить швидкість обробки транзакцій, ефективно вирішуючи зростаючий попит користувачів та різноманітні сценарії застосування, особливо в секторах, таких як DeFi та NFT. Загалом, введенням паралельного виконання Ethereum 2.0 досягає не тільки технічного прориву, але й створює міцнішу основу для розвитку децентралізованих додатків, сприяючи адаптивності мережі Ethereum у майбутньому.
Ілюстрація фрагментації даних Ethereum 2.0 (Джерело:sohu.com)
Polkadot — це інноваційний багатоланцюговий мережевий протокол, розроблений для забезпечення сумісності та масштабованості між блокчейнами. Як гетерогенна багатоланцюгова архітектура, Polkadot складається з централізованого «Relay Chain» і кількох незалежних «парачейнів». Кожен парачейн може мати власну модель управління та економіки, що дозволяє різним блокчейнам ефективно взаємодіяти та обмінюватися даними.
Дизайн Polkadot використовує спільний механізм безпеки, гарантуючи, що всі парачейни отримують вигоду від безпеки, яку забезпечує Relay Chain, таким чином зменшуючи навантаження на безпеку кожного окремого парачейна. Крім того, Polkadot використовує технологію паралельного виконання, що дозволяє кільком парачейнам обробляти транзакції одночасно, значно збільшуючи загальну пропускну здатність мережі. Ця можливість паралельної обробки дозволяє Polkadot ефективно справлятися зі зростаючими вимогами транзакцій, особливо в DeFi, NFT та інших складних сценаріях застосування [4].
Механізм Cross-Chain Message Passing (XCMP) Polkadot дозволяє безшовну взаємодію між різними Парачейнами, надаючи розробникам більший простір для інновацій. За допомогою XCMP розробники можуть створювати взаємопов'язані децентралізовані додатки, що сприяє подальшому зростанню екосистеми.
Структура взаємодії Polkadot (Джерело: Що таке Polkadot? Короткий вступ - ImmuneBytes)
Ethereum 2.0 VS. Polkadot (Table source: gate Learn)
Вирішення проблем масштабованості блокчейну залишається ключовою областю дослідження. Помимо технології паралельного виконання, варто розглянути кілька альтернативних рішень для масштабованості.
Рішення рівня 2 (L2) призначені спеціально для розширення потужності блокчейну. На їх основі вони надають незалежний шар виконання, який зазвичай складається з двох частин: мережі для обробки транзакцій та розгортання розумних контрактів на базовому блокчейні. Розумні контракти вирішують спори та передають результати консенсусу з мережі L2 до основного ланцюжка для перевірки та підтвердження.
Рішення другого рівня мають відмінні переваги та технічні особливості. По-перше, вони значно підвищують масштабованість, оскільки транзакції не потребують окремого підтвердження на головному ланцюжку. L2 може обробляти великий обсяг транзакцій, зменшуючи затори на мережах першого рівня (таких як Ethereum та Bitcoin) і значно знижуючи комісії за транзакції за рахунок обробки поза ланцюжком. Хоча більшість операцій відбуваються поза ланцюжком, L2 все ще залежить від безпеки головного ланцюжка, забезпечуючи надійність та незмінність кінцевих результатів транзакцій.
Типові рішення L2 включають канали стану, Rollups і Plasma. Канали стану дозволяють багатьом учасникам взаємодіяти поза ланцюжком часто, подаючи остаточний стан на блокчейн лише в кінці; Повітряна мережа Bitcoin є типовим прикладом. Rollups, наразі найбільш поширене рішення L2, поділяються на Оптимістичні Rollups та zk-Rollups: Оптимістичні Rollups передбачають, що транзакції є дійсними, якщо ніхто не оскаржує, тоді як zk-Rollups використовують докази з нульовим знанням, щоб забезпечити точність транзакцій при подачі даних. Plasma - це рамка, яка дозволяє створювати багатошарові підланки, кожна з яких може обробляти численні транзакції.
Огляд рішень рівня 2 (Джерело: blackmountainig.com)
Покращення механізмів згоди також є ефективним підходом до підвищення масштабованості блокчейну. Це включає впровадження більш ефективних алгоритмів згоди (таких як Proof of Stake (PoS) і Byzantine Fault Tolerance (BFT)) для збільшення швидкості обробки транзакцій. Порівняно з традиційним Proof of Work (PoW), ці нові механізми згоди швидші в підтвердженні транзакцій і значно знижують споживання енергії, що краще відповідає вимогам сталого розвитку.
Крім того, ці механізми прискорюють процес консенсусу, визначаючи генератори блоків на основі таких факторів, як токени, що зберігаються вузлами валідаторів. Однак, незважаючи на численні переваги вдосконалених механізмів консенсусу, перехід від існуючих механізмів до нових часто пов'язаний з технічними проблемами та ризиками, особливо проблемами сумісності та нестабільністю системи під час перехідного періоду. Деякі механізми консенсусу також можуть призвести до централізації влади, створюючи феномен «багаті стають багатшими», потенційно загрожуючи основному принципу децентралізації блокчейну. Тим не менш, для блокчейн-мереж з високими вимогами до ефективності обробки транзакцій та енергоспоживання, покращення механізмів консенсусу залишається гідним рішенням для вивчення.
Механізми консенсусу PoW проти PoS (Джерело: blog.csdn.net)
Оптимізація параметрів блоку передбачає коригування ключових параметрів, таких як розмір блоку та час блоку, для покращення обчислювальної потужності та швидкості реагування блокчейну. Цей підхід пропонує швидке підвищення продуктивності, відносно простий у реалізації та має низькі витрати на впровадження, що робить його добре придатним для сценаріїв, що вимагають швидкого реагування, таких як обробка сплесків трафіку або короткострокових стрибків транзакцій.
Проте, виключно налаштування параметрів часто мають обмежений вплив, і збалансованість мережі є важливою для її продуктивності та стабільності. Надмірні або екстремальні зміни параметрів можуть спричинити навантаження мережі або конфлікти в механізмі консенсусу. Тому оптимізація параметрів блоку зазвичай підходить для сценаріїв з короткостроковими вимогами до продуктивності, наприклад, швидко реагувати на зміни на ринку.
Кожне рішення щодо масштабованості найкраще підходить для різних випадків використання. При виборі відповідного рішення щодо масштабованості виробники рішень повинні забезпечити, щоб обрані рішення могли доповнювати одне одного, надаючи галузі більш гнучкий і ефективний шлях масштабованості.
Порівняння рішень
Порівняння різних рішень щодо масштабування (Джерело таблиці: gate Learn)
Порівняно з традиційними послідовними моделями обробки, паралельні ланцюгові мережі можуть досягати швидкостей обробки транзакцій (TPS) в 100 разів більше, ніж послідовна обробка. Наприклад, архітектура SeaLevel від Solana [6] може обробляти понад 50 000 TPS за оптимальних умов. Хоча фактична швидкість може варіюватися залежно від попиту в мережі, ця продуктивність далеко перевершує традиційні блокчейни.
Ефективна горизонтальна масштабованість стала невід'ємною зі стрімким зростанням мережевого трафіку. Паралельні блокчейни вводять багатопотокову паралельну обробку, що дозволяє блокчейнам масштабуватися зі зростанням попиту користувачів. Це особливо корисно для додатків з високою частотою транзакцій, таких як геймінг і ланцюжки поставок, де паралельне проектування дозволяє децентралізовану обробку завдань для підтримки стабільності та швидкості відгуку системи, що задовольняє потреби пропускної здатності великомасштабних додатків.
Шлях паралельної обробки Solana (Джерело: блог.slerf.tools)
Паралельна обробка незалежних транзакцій значно скорочує затримку від подачі транзакції до виконання, що дуже цінно при обробці даних в режимі реального часу. У сценаріях, що вимагають швидкого реагування, таких як децентралізовані фінанси (DeFi), підтвердження транзакцій у режимі реального часу не тільки покращує взаємодію з користувачем, але й знижує ризики транзакцій і навантаження на систему, пов'язані із затримками.
Наприклад, паралельна модель виконання Sui вводить інноваційний механізм, який дозволяє простим транзакціям, що не потребують складного консенсусу, обійти механізм консенсусу, радикально скорочуючи час підтвердження. Порівняно з традиційною послідовною обробкою, цей паралельний дизайн підтримує виконання транзакцій в реальному часі, що є ключовим для забезпечення стабільності системи та плавного користувацького досвіду.
По мірі розвитку протоколів міжланцюжкової комунікації та нових технологій паралельного виконання мереж блокчейн будуть досягати більш ефективних режимів роботи. Низька затримка і велика пропускна спроможність також стануть важливими показниками конкурентоспроможності на ринку.
У традиційних блокчейнах, де транзакції обробляються послідовно, більшість часу лише один вузол виконує операції, поки інші вузли чекають, що призводить до простою ресурсів. Паралельна технологія дозволяє одночасно працювати кільком перевіряючим вузлам та процесорним ядрам, ламаючи обробний затор одного вузла та максимізуючи ефективність мережевих ресурсів.
Ця оптимізація використання ресурсів не тільки усуває «періоди простою» під час обробки транзакцій, але й значно підвищує загальну продуктивність мережі, особливо в умовах високого навантаження, дозволяючи мережі обробляти більше запитів на транзакції зі зменшеною затримкою.
На відміну від традиційної послідовної обробки, паралельне виконання дозволяє більш гнучке й ефективне виконання транзакцій на різних ринках завдяки вдосконаленому управлінню ринком та оптимізованому розподілу ресурсів, що значно зменшує обчислювальне навантаження для виконання смарт-контрактів та, відповідно, знижує газові витрати. Це рішення максимізує використання мережевих ресурсів та уникне втрати обчислювальних ресурсів, що виникають від чергування однієї задачі.
Завдяки раціональному розподілу навантаження ресурси розподіляються ефективно, тому валідаторам і вузлам обробки не потрібно обробляти надлишкові дані, що призводить до більш економічного середовища транзакцій блокчейну для розробників і користувачів.
Пояснення Sei Network щодо паралельного виконання в соціальних медіа (Джерело: x)
Шардинг розділяє блокчейн на кілька незалежних шардів, що може дозволити зловмисникам зосередити зусилля на конкретному сегменті, щоб отримати контроль над ним. Якщо зловмисник успішно захоплює шард, він може маніпулювати транзакціями та даними в ньому, створюючи серйозну загрозу загальній безпеці мережі. Цей локальний контроль може призвести до неправильних операцій, фальсифікації даних і, можливо, ескалації атак на інші шарди, що ставить під загрозу цілісність і надійність усього блокчейну.
Додатково, безпека міжшарової комунікації є критичною. Якщо міжшарова комунікація не є безпечною, це може призвести до втрати даних, підробки або помилок передачі, створюючи потенційні проблеми довіри у системі.
Перекресні транзакції вимагають координації даних стану на різних шардах, щоб забезпечити атомарність транзакцій. Щоб запобігти відмовам транзакцій через затримки або проблеми з мережею, розробники також повинні оптимізувати механізми передачі повідомлень та синхронізації стану.
Це завдання не тільки збільшує складність дизайну системи, але також вимагає нових стратегій у логіці контракту для обробки можливих помилок та невідповідностей. Успішне виконання крос-шарових розумних контрактів залежить не тільки від технічних можливостей базового блокчейну, але й від впровадження більш складних стратегій у дизайні контракту для забезпечення гладкої та ефективної реалізації в розшареному середовищі.
Поточна технологія паралельного блокчейну не має стандартизації, різні платформи використовують різні технології та протоколи. Ця різноманітність призвела до значних відмінностей у механізмах консенсусу, структурах даних та протокольних рівнях. Хоча ця різноманітність сприяла інноваціям, вона також значно знизила взаємодію між різними блокчейнами, зробивши перехідні операції більш складними та важкими.
Відсутність сумісності не тільки обмежує вільний потік активів між різними блокчейнами, але й може становити ризики для безпеки, такі як потенційна втрата активів у крос-чейн операціях. Таким чином, усунення ризиків сумісності, пов'язаних з паралельним виконанням, вимагає технологічних інновацій і стандартизації, а також широкої співпраці в галузі для створення більш надійної екосистеми.
Подальші дослідження в галузі паралельного блокчейну повинні бути зосереджені на оптимізації міжшардового зв'язку.
Галузь повинна активно досліджувати стандартизовані протоколи та фреймворки взаємодії, щоб забезпечити однорідність даних та точну обробку транзакцій через фрагменти для сприяння безперервної інтеграції систем та спільного використання ресурсів, тим самим підвищуючи синергію всередині екосистеми блокчейну. Крім того, безпека залишається ключовим аспектом оптимізації фрагментації; майбутні дослідження повинні розробляти більш міцні моделі безпеки для захисту від зловмисних атак і включати нові технології, такі як докази нуль-знання та гомоморфне шифрування, щоб підвищити конфіденційність та взаємодію на ланцюжку.
Щодо розширення додатків, вже є успішні випадки, з яких можна брати приклад. Наприклад, Uniswap значно покращив можливості відповіді за допомогою паралельної обробки, тим самим зменшивши витрати на транзакції та оптимізувавши процеси міжнародних платежів. Різні галузі повинні досліджувати різноманітні застосування паралельних ланцюгів для розблокування їхньої цінності у різних галузях. Це допоможе закласти міцну основу для ефективного, прозорого та сталого середовища розвитку технологій, прискорюючи цифрову трансформацію та підтримуючи більш ефективну цифрову економіку майбутнього.
Посилання
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/