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一文读懂什么是区块链并行执行?

2024-05-10 11:45:42 | 来源： | 作者：佚名
区块链领域正在发生重大变化，因为它试图解决其设计中固有的可扩展性和效率问题,我们已经探讨了实现并行执行的各种方法，每种方法都有其独特的优势和挑战,基于状态访问的模型标志着克服区块链的顺序性质的第一步

什么是区块链并行执行？区块链并行执行的潜力、挑战与未来解析！区块链并行执行将会对未来区块链交易产生很大的影响，下面脚本之家小编就给大家详细介绍什么是区块链并行执行和区块链并行执行的平台，有需要的朋友一起看看吧！

区块链并行执行是什么?为什么下一代区块链并行执行很重要

前区块链行业所面临的挑战

目前，主流区块链提供了一系列的应用，包括DeFi、NFT、社交媒体，甚至游戏。然而，这些应用程序的质量和能力受到一个根本性的限制：区块链难以同时处理多个交易。在去中心化应用程序中，并行执行至关重要，因为它允许智能合约平台同时处理多个交易，从而提高网络的整体吞吐量和响应能力。为解决这一关键障碍，过去五年中，行业的发展主要致力于通过并行化改善区块链的性能。

在之前的报告中，我们深入研究了增强可扩展性的各种方法，展示了模块化设计、DAG等创新架构以及Aptos和Sui等案例研究。然而，区块链领域中一个经常被忽视的方面是网络如何处理并行执行以及如何比较这些方法。

本研究报告旨在揭示即将到来的第1层区块链，这将有助于解决当前区块链的问题，并为未来的并行执行建立分类框架。我们将重点关注这些解决方案如何实现并行执行，并比较它们克服现有区块链网络限制的方法。通过研究这些下一代区块链采用的各种策略和技术，我们希望为并行执行的未来及其在推动区块链创新中的作用提供有价值的见解。

EVM

目前大多数智能合约平台都依赖于以太坊虚拟机(EVM)，但它存在一个主要缺点：无法并发执行交易。这一限制促使新一波L1解决方案发展，强调并行执行作为提高可扩展性和效率的手段。

智能合约区块链有两个主要组成部分：共识机制和虚拟机，前者帮助节点就交易排序和纳入达成一致，后者运行应用程序代码并更新应用状态和账户余额。以太坊通过EVM引入了可编程智能合约，EVM是一个共享系统，每个节点保留所有应用程序及其状态的副本。尽管它很受欢迎，但使用EVM的区块链在处理速度方面受限。例如，以太坊每秒可以处理大约10笔交易(tps)，而最快的EVM链Binance Chain仅能达到200多tps。这种低效是由于EVM的顺序处理模式，即交易是一个接一个地处理。

Monad，一个专注于可扩展性的L1，在最近的一篇文章中对此进行了正确的分析，“作为参考：一个简单的纸牌游戏，每10秒有10,000个用户移动一次，需要1000 tps。”就目前的情况来看，EVM不太可能在一条链中支持这么多的交易。

为了应对这一挑战，开发者正在探索支持并行执行的解决方案。本报告旨在创建一个框架，对这些区块链如何实现并行化进行分类，重点关注并行执行的提升。通过实施这些策略，智能合约生态系统可以克服顺序处理的限制，并为更广泛地采用去中心化应用程序铺平道路。

并行执行是什么?

在区块链中，并行执行可以通过一个简单的类比来理解。想象一下，一家杂货店需要为顾客的购买行为收取费用。如果商店只有一条结账通道和收银机，那么队伍就会移动缓慢，使顾客感到沮丧，并可能促使他们去其他地方购物。这家商店采用了多条结账通道和收银机来加快流程。这是在行动中的并行处理，使商店能够同时处理多个顾客的需求，而不是一次一个。

将此类比应用于区块链，多个结账通道代表处理交易的不同路径或通道。在并行执行中，这些通道存在于单个系统中，使其能够同时处理多个交易。这种设置允许单个区块链系统更有效地处理更大量的交易，从而提高整体性能。

现在我们已经掌握了并行执行对区块链效率和可扩展性的重要性，让我们更深入地研究其机制。

并行执行是如何工作的?

区块链中的并行执行意味着同时处理不相关的交易。把不相关的交易看作互不影响的事件。例如，如果两个人在不同的交易平台上交易代币，他们的交易可以同时处理。但是，如果它们在同一平台上交易，则可能需要按照特定的顺序执行交易。

实现并行执行的主要挑战是确定哪些交易是不相关的，哪些是独立的。这包括了解每个交易如何影响区块链的数据。对于许多相互连接的应用程序，确定哪些交易相互依赖可能很棘手。

有些交易比其他交易更容易被认定为不相关。例如，两个人之间简单的代币转移不会影响其他人，因此很明显，这些类型的交易几乎总是独立的。然而，涉及同一智能合约或账户的交易可以更改其数据，并且不能并行执行。一个例子是涉及多个平台的代币交易，其中所有参与的平台必须等待初始交易完成后才能处理其他交易。

在接下来的章节中，我们将深入研究在区块链系统中实现并行执行的三种不同方法：

状态访问/optimistic、分片和基于计算的并行执行。值得注意的是，传统上，只有状态访问和optimistic模型被区块链行业的其他人认为是真正的并行执行方法，因为它们使单个区块链能够同时处理交易。然而，随着复杂的跨链通信协议的出现，构成并行执行的概念得到了显著扩展。

例如，分片虽然传统上不被视为并行执行的方法，但它确实促进了跨多个分片的交易并行处理，因此值得考虑。最后，我们将探讨相对较新的基于计算的并行执行概念。这一创新的模型虽然尚未广为人知，但它代表了区块链系统中并行交易处理的革命性方法，我们将在本文后面详细介绍。当我们探索这些方法时，我们将揭开每一种方法如何提供独特的优势和挑战，为区块链技术的更高效和可扩展。

并行执行：状态访问和Optimistic 模型

Solana：并行区块链的先驱

Solana已经成为区块链领域的先驱，开创了一种独特的方法来管理交易和扩大可扩展性。它的突破性创新是确定区块链状态的哪些部分——所有账户或资产的综合记录——可以通过特定操作访问。

把它想象成一个庞大的归档系统。每个交易提交一个访问特定文件的请求。如果文件请求是唯一的，则可以独立处理交易。但如果它们请求相同的文件，这些交易就会交织在一起，需要协调。真正的诀窍是确定哪个交易请求哪个文件。

作为第一个并行区块链，Solana引入了一种解决方案。每个交易必须预先声明它打算访问哪个文件。这一要求包含在Solana的“Sea Level”执行模型中，其中所有功能都在基于账户的框架内运行。每个帐户只能由与其关联的交易访问，从而防止潜在的冲突。

至关重要的是，Solana还使用了这些账户中包含的无状态程序。无状态程序是在执行之间不记住任何数据的代码片段——它们每次运行时都从头开始。当进行函数调用时，这些程序被激活，在不依赖任何过去数据的情况下执行它们的任务。这一概念有助于保持交易独立性，并有助于Solana改善区块链可扩展性的创新方法。

Sui：Objects概念

Sui最近首次亮相，在区块链领域引起了不小的轰动。但是，Sui到底带来了什么?为了深入研究Sui架构的细微差别，我们的团队制作了一份全面的论文，将其与Aptos(我们将进一步探索的另一个区块链)进行比较。然而，在这个关键时刻，我们主要关注的是理解Sui实现并行交易执行的独特方法。

Sui的并行化策略与Solana相似，但有一个独特的要点：用一个被称为“objects”的结构代替账户。Sui交易不引用账户，相反，它们改变objects的属性，这些objects可以是资产或智能合约。如果一个交易被指定为独立的(也就是说，如果没有其他交易与目标对象交互)，它将完全绕过共识机制——这一特性被称为拜占庭一致性广播。

举例说明，假设Alice拥有一个独特的NFT，在Sui的环境中，它被表示为一个objects，“Alice”被列为其“所有者”。如果Alice将此NFT转移给Bob，则该交易作为独立的对象交易，绕过了共识过程。但是，如果Alice决定执行更复杂的操作，例如通过市场购买NFT，动态就会发生变化。因为objects可以被其他交易操作，该交易可能被指定为依赖性 交易，并可能需要在执行前进行顺序排序。

Fuel：利用UTXO增强执行力

Fuel通过开发新的虚拟机FuelVM和创新的编程语言Sway，将这一概念变为现实。FuelVM被设计为以太坊虚拟机(EVM)的精简但完全兼容的替代品，这使得开发者更直接地融入Fuel生态系统。

除此之外，Fuel强调模块化的区块链结构。这种模块化方法允许在Fuel内执行的交易在以太坊主网网络上结算。因此，Fuel有能力处理大量交易，所有这些交易都在以太坊上进行整合和结算。这一战略举措使Fuel能够有效地管理繁重的交易负载。

Aptos：以optimistic方式执行

在我们对区块链并行化的探索中，我们首先描述了区块链如何在交易启动时建立依赖关系。我们称之为状态访问方法，其中智能合约或开发者定义哪些交易可以访问状态的哪一部分。现在我们转向另一种技术，叫做optimistic执行。optimistic执行是一种策略，在这种策略中，每个交易都被处理，就好像它没有连接到任何其他交易一样，允许所有交易同时处理。但是，如果结果证明某些交易有联系，则会停止，其结果也会被清除，继而重新运行。当交易大多是独立的时候，这可以加快速度，但当许多交易相连时，处理过程必须经常停止和重置，这可能会使交易变慢。

Aptos使用一种称为区块软件事务性内存(Block-STM)的方法来应用optimistic执行。Aptos是建立在Diem的Move语言和MoveVM之上的，它可以自动发现交易链接。它不需要交易说明它们触及区块链状态的哪个部分(如内存位置)。

在block - stm中，交易首先在区块内按照一定的顺序进行设置，然后在不同的处理线程之间进行拆分，以便同时执行。在处理这些交易时，系统会跟踪每个交易更改的内存位置。在每一轮处理之后，系统检查所有的交易结果。如果它发现某个交易触及了由早期交易更改的内存位置，则擦除其结果并再次运行。这一过程一直持续到区块中的每个交易都被处理完毕。

Block-STM的成功很大程度上取决于交易之间的联系。根据Aptos团队的说法，当交易高度关联时，使用32个处理核心可以使速度提高8倍，当关联较低时可以提高16倍。但是，如果区块中的每个交易都是连接的，那么与逐个执行相比，block - stm可能会导致稍微慢一些。

Monad: EVM链的引领者

Monad在EVM兼容区块链中开创了一种新方法，是第一个在EVM第一层引入并行架构的区块链。与Aptos一样，它采用optimistic执行路径，在交易不相互连接的假设下操作，并在出现依赖关系时加以解决。

这一新颖的方法并非没有挑战。对区块链技术进行重大修改是一项复杂和长期的承诺。尽管如此，Monad仍然致力于创新，并已成为其他区块链网络的灯塔，旨在增强自己的架构。

以Polygon和Binance Smart Chain为例，这两个知名的区块链现在都在努力升级其系统，采用类似的策略。Monad在optimistic执行方面的开创性工作的重要性怎么强调都不为过，因为它影响了大型平台重新评估和修改自己的架构。

例如，Polygon拥有快速的吞吐量和数百万的日交易量。其网络API已经提供了足够的数据来驱动可并行化的引擎，并且通过探索EVM专用的Block-STM，他们已成功地避免了对API的改变。然而，考虑到Polygon PoS链上的庞大交易量，任何区块之间零依赖的假设是不切实际的。因此，他们采用了最小的元数据方法，将交易依赖记录为区块中的元数据，减少冗余和计算需求。

同样，Binance Smart Chain也在探索通过optimistic执行在其EVM链内并行执行的机会，这反映了Monad创新方法对整个行业的影响。

Monad的创新精神及其对推动区块链技术边界的承诺在EVM领域开创了新的趋势。它在EVM层1中采用并行架构的方法不仅提高了自己系统的效率，而且还影响和激励了该领域的其他重要参与者效仿，标志着区块链行业未来的重大转变。

基于分片的并行执行

到目前为止，我们已经讨论了各种区块链如何通过帐户、对象（objects）、UTXO和optimistic模型等概念打破顺序排序并实现并行化。然而，我们即将研究的下一代区块链采用了一种独特的并行化方法。这些平台类似于分片模型，而不是拥有能够并行处理交易的单个区块链。区块链被划分为多个部分，每个部分负责处理自己的交易。

Shardeum：EVM的分片方法

Shardeum通过动态分片为区块链可扩展性带来了突破性的方法，实现了线性可扩展性。分片是网络的子部分，每个分片处理网络交易的一部分，从而提高了资源效率和吞吐量。考虑到一个用户在Shardeum上托管的去中心化应用程序（dapp）上进行交易，该交易根据其关联数据分配给特定的分片。分片与其管辖范围内的其他分片并发处理交易，就像一个迷你区块链。用户受益于更快的处理，优化用户体验。

Shardeum的一个关键特性是它与以太坊虚拟机(EVM)兼容性。开发者可以轻松地将他们基于以太坊的dapp迁移到Shardeum，将Shardeum的动态分片和并行处理与广泛的以太坊生态系统相结合。

动态分片保证了网络对波动需求的适应性，促进了系统的可扩展性和高效率。Shardeum自动执行跨分片交易，允许无缝执行需要多个用户输入的复杂应用程序，从而增强可扩展性。

Shardeum的独特之处在于它的线性扩展能力。随着节点的增加，网络呈线性扩展，这意味着交易吞吐量与节点数量成比例地增加。这种线性扩展，结合节点灵活性和自动扩展功能，使Shardeum能够以最佳方式处理不同的工作负载和网络增长。Shardeum通过增强复杂应用程序的可扩展性并为现实世界的交易需求提供实用的解决方案，并为现实世界的交易需求提供了一个实用的解决方案。

Linera：革命性的多链协议

Linera对区块链可扩展性的创新解决方案通过其动态多链协议脱颖而出，该协议包括用户链、公共链和临时链。

上图显示了Linera系统中的三种不同的链类型：用户链、公共链和临时链。每种链类型都有一个独特的角色，对协议的整体功能和可扩展性做出贡献。

与Shardeum不同，Linera开创了用户控制链的概念，Shardeum将其网络划分为许多碎片链，每个碎片链负责一个子集的交易。这一细化的方法为用户提供了更多的控制和 自主 权，同时优化了整个网络的资源分配。

由用户单独拥有和控制的用户链构成了Linera架构的支柱。这些链独立地处理特定最终用户的交易，允许并行执行，并在减少延迟的同时显著提高吞吐量。

公共链是Linera设计的另一个重要组成部分。这些链是去中心化的应用程序，如自动做市商(Automated Market Makers, amm)的所在。公共链对所有网络参与者开放，为需要开放和不受限制的交互的应用程序提供一个公共平台。

Linera还引入了临时链的概念，专门用于处理原子交换等复杂操作。与需要在主链上记录交易的协议相比，该特性提供了一个显著的优势，后者可能会造成瓶颈。在Linera中，在原子交换期间创建一个临时链，独立于其他交易并与其他交易并行处理。一旦交换结束，临时链就会消失，更新后的状态会反映在相关的用户链中。

该协议的结构支持横向扩展，这是在不同负载下保持系统性能的基本特性。随着流量的增加，验证者可以添加更多的工作机器来管理增加的活动，并在高负载下保持高吞吐量。

与Cosmos等其他协议不同，其中每个区块链或“区域”由一组不同的验证者操作，Linera将所有链统一在一组验证器中。这种统一的方法增强了Linera协议的效率和安全性，通过消除单独验证器集验证的复杂性来简化跨链交互，这可能会导致延迟或差异的增加。因此，交易在整个生态系统中得到更有效的处理，显著降低了冲突的风险。

Quai Network：通过工作量证明增强并行性和互操作性

Quai Network以其独特的可扩展性方法在区块链行业中开辟了自己的道路。通过实现动态和可互操作的多链架构，Quai为可扩展性问题提供了独特的基于工作量证明的解决方案，通过无限执行分片实现交易并行化。这种方法将Quai与Linera等协议区分开来，Linera利用用户控制的链，同时与Shardeum的动态分片有一些相似之处。

Quai使用的分片版本类似于用于增强中心化系统中数据库性能的传统方法。然而，Quai不同于典型的分片方案，它具有动态、适应性强、深度交织的多链架构。这有点类似于Shardeum的动态分片，其中网络被划分为独立处理交易的分片链。然而，Quai使用合并挖掘层次结构来协调这些不同的分片，创建了一个独特的互联结构，允许跨网络并行执行操作。与所有现有的分片实现不同，它们引入了一些新的信任机制来促进互操作性(跨分片交易)，Quai网络使用合并挖掘来互连分片，确保处理跨链交易所需的唯一机制是挖掘。Quai Network通过合并挖掘实现互操作性的独特方法显着提高了吞吐量，并提供了在不牺牲去中心化或性能的情况下容纳大量并发交易的能力。

为了能够协调无限数量的执行分片，Quai网络引入了一种新的共识机制，称为PoEM。PoEM基于工作量证明(PoW)共识，但与其他共识机制不同，它是第一个消除基于共识的分叉的共识机制。在运行 PoEM 时，所有节点将始终立即对序列中的下一个区块具有相同的偏好，给定相同的信息集。PoEM允许所有节点立即公平地比较任何提议的区块，从而消除了共识的所有不确定性。通过确保共识始终是即时的，PoEM为无限分片提供了必要的先决条件。如果建立共识需要任何时间，那么可以协调的执行分片数量就会受到严格限制。PoEM作为第一个达成共识的“零时间”方法，是第一个也是唯一一个适合协调无限增长的链集的共识算法。

Quai架构的一个突出特点是引入了并行执行线程(PETs)，在Quai中称为“区域”。每个“区域”或并行执行线程独立且异步地处理事务。每个Quai执行线程独立处理事务的能力支持网络的并行处理能力，这是Quai可伸缩性背后的核心概念之一。

Quai Network中的链的数量是动态的和可适应的，就像Shardeum的动态分片一样。然而，Quai Network使用PoEM共识机制的独特之处在于，它允许无限地执行这种动态分片模式，而不会降低性能。Quai Network通过动态分片添加执行分片有一个明显的权衡：随着更多的执行分片被添加到网络中，跨链交易被其目标分片引用所需的时间将会增加。这种关系是次线性的——例如，Quai从9个分片扩展到16个分片，将使跨链交易到达目的地的平均时间从3300秒增加到4400秒。进一步扩展到25个分片将使平均时间增加到约5,500秒。理论上，如果Quai扩展到100个分片，到全球跨链结算的平均时间约为11000秒。Quai Network的动态分片算法监控网络的Gas限制和叔块率，以了解何时需要额外的吞吐量，并自动将额外的执行分片编织成共识，以适应增加的吞吐量需求。

此外，Quai的编织结构支持可组合的多链智能合约，并允许高效的跨链合约交互。每个Quai执行线程都有一个EVM，并引入了新的操作码，以便与位于备用分片上的EVM进行通信。这种能力使开发者能够跨多个或所有Quai链部署合约，确保整个网络中去中心应用程序(dapps)的可操作性。

Quai Network的分片创新应用，加上其合并挖掘的互操作性和并行执行线程，代表了基于工作的共识机制下区块链可扩展性的重大进步。跨链交易的强大处理和先进的智能合约功能使Quai成为可扩展区块链协议不断发展的领域中值得注意的贡献者。

基于计算的并行执行

区块链并行执行中的一个新兴范例是基于计算的模型。这个术语是由我们在Amber Group的研究团队创造的，它描述了一种在共享环境中同时处理计算任务的方法。与状态访问和optimistic模型不同，基于计算的模型并不严格依赖于基于顺序内存的计算。相反，它按照高度并行的虚拟机的原理运行。这种设计促进了健壮和高效的并行执行。以下部分将探讨基于计算的并行执行的原理、潜在应用，以及它给更广泛的区块链技术领域带来的独特挑战。

Kindelia：基于计算的并行执行的强者

Kindelia已经成为区块链中基于计算的并行执行模型中一个很有前途的解决方案。它由Higher Order 公司开发，基于称为Higher-Order 虚拟机 (HVM) 的独特运行时，可实现高效的并行计算。

Kindelia的创新是建立在一种被称为“交互网络”的新型计算模型上的，这一概念与支撑大多数现代计算机的图灵机模型有所不同。交互网络基于交互节点的图，每个节点都拥有一组重写的规则，这些规则规定了它如何与网络中的其他节点交互。计算是通过减少交互网络，并根据其重写规则系统地从网络中删除节点，直到达到最终状态来实现的。该模型允许并行进行计算，而不需要中央时钟来指示过程，因为节点在本地交互而无需任何全局协调。

Victor Taelin (Higher Order Company首席执行官)的图纸告诉我们如何减少交互网络。

这种模式的优点是多方面的。由于其固有的并行性，它促进了更快和更有效的计算，大大优于传统的顺序计算模型。此外，它还在计算机科学的各个领域开辟了一个应用领域。在区块链背景下，Kindelia作为第一个真正的并行虚拟机脱颖而出，实现了许多alt L1所渴望的目标。然而，由于它们依赖于基于图灵机的架构，这些竞争对手可能永远不会达到相同的并行化水平。

Kindelia的设计需要更少的计算步骤来执行功能，最大限度地利用处理核心，并确保操作以正确的顺序执行——所有这些都只需要开发人员付出最小的额外努力。这种简化的执行过程，加上更高级别的安全性，使Kindelia成为区块链技术中基于计算的并行执行的前沿例子。

虽然Kindelia和HVM的理论基础有些超前，但实际意义很容易理解：提高区块链计算的速度、效率和安全性。通过Kindelia，我们见证了区块链技术的革命性飞跃，标志着这一变革领域不断发展的重要里程碑。

对并行执行的关注

当我们探索并行区块链的潜力时，重要的是要承认，虽然它们具有可观的可扩展性和速度优势，但它也带来了独特的挑战和潜在的缺点。经常提及的两个主要问题是增加中心化的可能性和高交易冲突率。

并行区块链将交易处理分布在众多节点之间，从而提高了交易处理吞吐量。然而，这种分布也可能导致权力集中在几个节点内，从而带来一定程度的中心化。这种中心化可能会破坏区块链的可信度和安全性，使其更容易受到攻击。此外，并行区块链会增加网络停机的风险。例如，由于交易请求过多，Solana网络在2021年9月经历了停机事件。这一事件强调了与扩展区块链网络相关的潜在风险，并强调了在不影响稳定性的情况下处理高交易量的解决方案的必要性。

交易冲突率是另一个重要问题。此比率指的是由于冲突而无法同时执行的交易的百分比。高冲突率可能导致并行区块链中的大量交易重做。根据Flashbots报告，2017年以太坊交易的冲突率约为35%。随着OpenSea和Uniswap等主要应用程序主导以太坊网络，冲突率可能会更高。

在optimistic执行的情况下，如果冲突率超过30%，则交易重做的数量会严重破坏管道。每次重做都会减慢交易处理速度，降低并行化带来的好处。因此，管理交易冲突率对于确保并行区块链的效率至关重要。

结论

区块链领域正在发生重大变化，因为它试图解决其设计中固有的可扩展性和效率问题。我们已经探讨了实现并行执行的各种方法，每种方法都有其独特的优势和挑战。基于状态访问的模型标志着克服区块链的顺序性质的第一步。

optimistic执行虽然有希望，但也带来了冲突的风险，需要有效的冲突解决策略。分片通过将网络划分为更小的、可管理的部分，使我们更进一步，每个部分都能够独立处理事务。最后，基于计算的并行执行使用尖端的计算机科学来最大化节点性能和应用程序安全性。尽管存在挑战和潜在的问题，但这些模型显示出显著提高区块链技术性能的潜力。随着这些技术的不断发展和成熟，我们正站在区块链技术新时代的风口。

以上就是脚本之家小编给家分享的深度解读区块链并行执行的详细教程了，希望大家喜欢！

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