區(qū)塊鏈并行執(zhí)行是什么?為什么下一代區(qū)塊鏈并行執(zhí)行很重要
區(qū)塊鏈并行執(zhí)行是什么?為什么下一代區(qū)塊鏈并行執(zhí)行很重要？區(qū)塊鏈是虛擬機一種軟件基礎(chǔ)的計算模型，它運行在任何人都可以加入但極難被單一實體控制的分布式物理計算機網(wǎng)絡(luò)之上。區(qū)塊鏈的概念最初在中本聰 2008 年發(fā)表的比特幣白皮書中被提出，作為支持比特幣中加密安全點對點支付的核心基礎(chǔ)設(shè)施。對于區(qū)塊鏈而言，交易就像是社交媒體和互聯(lián)網(wǎng)公司的日志；它們作為特定網(wǎng)絡(luò)活動記錄，關(guān)鍵的區(qū)別在于區(qū)塊鏈上的交易是不可篡改的，通常也是公開可查詢的。
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交易究竟是什么
區(qū)塊鏈上的交易涉及將數(shù)字資產(chǎn)從一個地址轉(zhuǎn)移到分布式賬本上的另一個地址，這一過程通過公鑰密碼學技術(shù)來保護。交易不僅可用于去中心化的點對點轉(zhuǎn)賬，還可用于各種認證和驗證流程。
區(qū)塊鏈交易如何運作
當一筆交易被發(fā)起時，比如 Bob 向 Alice 發(fā)送一些代幣，Bob 的交易會被廣播到底層的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。隨后，網(wǎng)絡(luò)中的一群專門節(jié)點開始工作，驗證并確認交易的合法性。一旦足夠多的節(jié)點驗證了交易內(nèi)容，這筆交易就會被添加到一個區(qū)塊中，并與其他用戶交易一起被打包。當一個區(qū)塊滿了，它就會被添加到區(qū)塊鏈上，這就是“區(qū)塊鏈”名稱的由來。此時，Bob 的交易成為了一個安全且透明的賬本的一部分，他和 Alice 都可以驗證交易內(nèi)容。
一般來說，所有區(qū)塊鏈交易都包含了元數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)幫助操作和保護網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點識別并執(zhí)行一組給定的指令和參數(shù)。每一筆交易都會有發(fā)送者輸入的高層級數(shù)據(jù)，比如要轉(zhuǎn)移的金額、目的地地址和用來確認交易的數(shù)字簽名，以及自動創(chuàng)建和附加的各種低層級數(shù)據(jù)，盡管這些數(shù)據(jù)會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)計的不同而有所變化。
然而，交易執(zhí)行前在網(wǎng)絡(luò)層面背后所涉及的過程會根據(jù)區(qū)塊鏈的設(shè)計而有所不同。
內(nèi)存池（ Ethereum ）
內(nèi)存池（memory pool）簡稱 mempool，是區(qū)塊鏈設(shè)計中的一個常見特性，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)如比特幣和以太坊都存在內(nèi)存池。Mempools 本質(zhì)上是緩沖區(qū)或“等待室”，用于存放那些尚未被添加到區(qū)塊中執(zhí)行的待處理交易。
為了更好地理解，我們可以概述一下在采用 mempool 的區(qū)塊鏈上，交易的生命周期：
用戶發(fā)起并簽署一筆交易。
參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的專門節(jié)點驗證交易內(nèi)容的合法性，并確保其包含適當?shù)膮?shù)。
一旦驗證通過，交易就會被路由到公共 mempool，并與其他待處理交易一起等待打包。
最終，根據(jù)用戶為交易支付的燃氣費相對于 mempool 中其他交易的燃氣費，用戶的待處理交易會被選中，并與其他待處理交易一起形成區(qū)塊鏈上的下一個區(qū)塊。此時，交易狀態(tài)將顯示為“成功”。
在一定時間或區(qū)塊生成閾值過后，區(qū)塊本身將被最終確定，交易成為記錄在區(qū)塊鏈上不可篡改的日志，除非發(fā)生 51% 攻擊，否則這是極難實現(xiàn)的。
無內(nèi)存池 (Solana)
值得注意的是，一些區(qū)塊鏈，如 Solana，并不使用 mempool，而是直接將交易轉(zhuǎn)發(fā)給區(qū)塊生產(chǎn)者，以此來實現(xiàn)高速和高吞吐量，通過連續(xù)的區(qū)塊生產(chǎn)。
讓我們繼續(xù)通過非 mempool 區(qū)塊鏈上的交易生命周期來了解：
用戶為其正在使用的應(yīng)用程序發(fā)起并簽署交易。
應(yīng)用程序?qū)⒔灰仔畔⒙酚傻竭h程過程調(diào)用（RPC）服務(wù)器。
RPC 提供商將交易發(fā)送給當前指定的區(qū)塊生產(chǎn)者，以及接下來的三個生產(chǎn)者；這是在當前領(lǐng)導者無法及時執(zhí)行交易時的預防步驟。Solana 采用了時隙領(lǐng)導者計劃，這有助于 RPC 更容易地路由交易。
區(qū)塊生產(chǎn)者隨后將已簽名的交易發(fā)送給共識節(jié)點進行驗證。
共識節(jié)點投票驗證交易內(nèi)容，一旦完成，交易狀態(tài)就會被路由回 RPC > 應(yīng)用程序 > 用戶，顯示為“成功”或“失敗”。
與基于 mempool 的區(qū)塊鏈類似，區(qū)塊本身在一定時間或基于區(qū)塊的閾值通過后會被最終確定。
順序執(zhí)行
較老的區(qū)塊鏈，尤其是比特幣和以太坊，采用交易的順序執(zhí)行機制。每筆添加到區(qū)塊鏈上的交易都會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，而虛擬機（VM）被設(shè)計為僅為了安全起見一次只處理一個狀態(tài)變化。
這導致了底層網(wǎng)絡(luò)吞吐量的顯著瓶頸，因為能夠添加到區(qū)塊中的交易數(shù)量受到限制，導致等待時間變長，交易成本的空前飆升，有時甚至使網(wǎng)絡(luò)無法使用。此外，順序執(zhí)行模型使用硬件組件的效率相當?shù)?，因此無法從計算的突破性進展中受益，比如多處理器核心。
并行執(zhí)行
并行計算是計算機架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，其起源可以追溯到 20 世紀 50 年代末，盡管其理念和理論甚至可以追溯到 1837 年。根據(jù)定義，平行計算指的是同時使用多個處理元素來解決一個操作，其中將一個更大更復雜的任務(wù)分解為更小的任務(wù)，以便比串行方式更有效地完成。
最初僅在高性能計算系統(tǒng)中實施，隨著互聯(lián)網(wǎng)時代對計算的需求呈指數(shù)級增長，以及過去幾十年頻率縮放限制的加劇，平行計算已經(jīng)演變成當今計算機架構(gòu)中的主導范式。
這種架構(gòu)標準同樣適用于區(qū)塊鏈，只是計算機解決的主要任務(wù)是處理和執(zhí)行交易，或者從智能合約 A 到智能合約 B 的價值轉(zhuǎn)移，因此稱為并行執(zhí)行。
并行執(zhí)行意味著，區(qū)塊鏈不是按順序處理交易，而是可以同時處理多個不沖突的交易。這可以大大增加區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，使其更具有可擴展性，更有效地處理更高的活動負載和區(qū)塊空間的需求。
為了簡化理解，可以想象一下雜貨店的結(jié)賬效率：有多個通道供顧客結(jié)賬，與只有一個通道供所有人使用相對比。
為什么并行執(zhí)行很重要
區(qū)塊鏈中的并行執(zhí)行旨在提高網(wǎng)絡(luò)的速度和性能，尤其是在網(wǎng)絡(luò)看到更高的流量和資源需求時。在加密生態(tài)系統(tǒng)的背景下，如果 Bob 想鑄造最新的流行 NFT 系列，而 Alice 想購買她最喜歡的模因幣，網(wǎng)絡(luò)將同時為兩個用戶服務(wù)，而不會影響性能和用戶體驗。
雖然這可能看起來只是一個直觀的生活質(zhì)量特性，但并行執(zhí)行所開啟的網(wǎng)絡(luò)性能提升為開發(fā)創(chuàng)新的用例和應(yīng)用程序鋪平了道路，這些應(yīng)用程序可以利用低延遲和高容量，這本身為將下一批大規(guī)模用戶群體引入加密生態(tài)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
并行執(zhí)行如何工作
盡管并行執(zhí)行的概念相對直接，但底層區(qū)塊鏈設(shè)計的細節(jié)影響了并行執(zhí)行過程本身的表現(xiàn)。設(shè)計具有并行執(zhí)行的區(qū)塊鏈的最重要特性是交易能夠訪問其底層網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，包括賬戶余額、存儲和智能合約。
區(qū)塊鏈上的并行執(zhí)行可以被歸類為確定性或樂觀性。確定性并行執(zhí)行，如 Solana 所采用的，本質(zhì)上要求交易事先聲明所有內(nèi)存依賴關(guān)系，即它們事先想要訪問的全局狀態(tài)的哪些部分。雖然這一步為開發(fā)人員創(chuàng)造了額外的開銷，但它允許網(wǎng)絡(luò)在執(zhí)行前對不沖突的交易進行排序和識別，創(chuàng)建了一個可預測和高效的優(yōu)化系統(tǒng)。相反，樂觀的并行執(zhí)行結(jié)構(gòu)是為了并行處理所有交易，基于沒有沖突的假設(shè)。這使得底層區(qū)塊鏈能夠提供更快的交易執(zhí)行速度，盡管如果發(fā)生沖突，可能需要之后的潛在重新執(zhí)行。如果發(fā)現(xiàn)兩個沖突的交易，即嘗試訪問相同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的交易，系統(tǒng)可以重新處理和重新執(zhí)行它們，無論是并行還是順序。
為了更好地理解這些設(shè)計細節(jié)的影響，通過當今推動并行執(zhí)行前沿的團隊的視角來分析并行執(zhí)行可能會有所幫助。
當下并行執(zhí)行的市場格局
Solana 虛擬機（SVM）
Solana 是第一個圍繞并行執(zhí)行設(shè)計的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，其靈感來自創(chuàng)始人 Anatoly Yakovenko 在電信行業(yè)的以往經(jīng)驗。Solana 旨在提供一個開發(fā)平臺，其運行速度盡可能快，因此并行計算的速度和效率是一個簡單直觀的設(shè)計選擇。
Sealevel 是 Solana 網(wǎng)絡(luò)的并行智能合約運行時環(huán)境，是實現(xiàn)其快速速度和高吞吐量的關(guān)鍵組件。與基于 EVM 和 WASM 的環(huán)境不同，Sealevel 采用多線程架構(gòu)，這意味著它可以在驗證器核心的容量范圍內(nèi)同時處理多個交易。
Solana 并行執(zhí)行的關(guān)鍵是在啟用交易時，網(wǎng)絡(luò)會為該交易分配一系列要執(zhí)行的指令，具體是訪問哪些賬戶和狀態(tài)以及進行哪些更改——這是確定哪些交易不沖突并且可以同時執(zhí)行的關(guān)鍵，同時也允許嘗試訪問相同狀態(tài)的交易同時進行。
考慮機場托運行李系統(tǒng)中標簽提供的效率。
Solana 還利用 Cloudbreak，其自定義的 accountsDB，用于存儲和管理狀態(tài)數(shù)據(jù)，以支持交易的并發(fā)讀寫。Cloudbreak 針對并行執(zhí)行進行了優(yōu)化，可以水平擴展以跨多個節(jié)點分布和管理狀態(tài)數(shù)據(jù)。
得益于其并行架構(gòu)，Solana 能夠處理大量交易，同時仍然快速執(zhí)行，為交易提供近乎即時的最終性。Solana 目前平均每秒處理 2,000 到 10,000 筆交易（TPS）。此外，隨著像 Eclipse 這樣的團隊推出旨在利用 SVM 作為執(zhí)行環(huán)境的 Layer 2 基礎(chǔ)設(shè)施，SVM 的用例正在緩慢但穩(wěn)步擴展。
并行EVM
Parallel EVM 描述了一種新的區(qū)塊鏈執(zhí)行環(huán)境，旨在結(jié)合 Solana 和 Ethereum 設(shè)計的優(yōu)點，即 Solana 的速度和性能以及 Ethereum 的安全性和流動性。與傳統(tǒng)的 EVM 設(shè)計不同，通過并行而不是順序處理交易，Parallel EVM 使開發(fā)人員能夠在一個高性能網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建應(yīng)用程序，同時能夠利用與 EVM 流動性和開發(fā)工具的連接。
Sei Network
Sei Network 是一個與 EVM 兼容的開源 Layer 1 區(qū)塊鏈，它支持圍繞高性能構(gòu)建的各種去中心化應(yīng)用程序。Sei 旨在為用戶和開發(fā)者提供快速的速度和低成本，而并行執(zhí)行是實現(xiàn)這一性能和用戶體驗的關(guān)鍵組成部分。目前，Sei 提供了 390 毫秒的區(qū)塊確認時間，并在其太平洋主網(wǎng)上處理了超過 19 億筆交易。
最初，Sei 采用了確定性并行執(zhí)行模型，智能合約提前聲明其所需的狀態(tài)訪問，以便系統(tǒng)能夠同時運行不沖突的交易。隨著他們 V2 升級的到來，Sei 正在過渡到一個樂觀的并行模型，這意味著所有交易將在提交到網(wǎng)絡(luò)時并行處理（執(zhí)行階段），然后在驗證階段檢查與先前交易的沖突信息。如果發(fā)現(xiàn)兩個或更多的沖突交易，即嘗試訪問相同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的交易，Sei 會識別這一沖突點，然后根據(jù)沖突的性質(zhì)，要么并行要么順序地重新運行交易。
為了存儲和維護交易數(shù)據(jù)，Sei 還將引入 SeiDB，這是一個定制數(shù)據(jù)庫，旨在通過優(yōu)化并行執(zhí)行來改進 v1 版本的不足之處。SeiDB 的目標是減少存儲冗余數(shù)據(jù)的開銷，并保持高效的磁盤使用率，以提高網(wǎng)絡(luò)性能。V2 減少了跟蹤和存儲所需的元數(shù)據(jù)量，并啟用了預寫日志，以幫助在崩潰事件中恢復數(shù)據(jù)。
最后，Sei 最近還宣布推出了其 Parallel Stack，這是一個開源框架，用于使 Layer 2 擴展解決方案（例如 rollups）能夠利用并行執(zhí)行并從中受益。
Monad
Monad 是一個即將到來的并行-EVM Layer 1 區(qū)塊鏈，為以太坊應(yīng)用程序和基礎(chǔ)設(shè)施提供完整的字節(jié)碼和 RPC 兼容性。通過一些創(chuàng)新的技術(shù)實現(xiàn)，Monad 旨在在保持較低交易成本的同時，通過優(yōu)化性能和可移植性，提供比現(xiàn)有區(qū)塊鏈更具互動性的體驗，具有 1 秒的區(qū)塊時間和高達 10,000 TPS 的最終確定性。
Monad 實現(xiàn)了并行執(zhí)行和超標量流水線技術(shù)，以優(yōu)化交易的速度和吞吐量。類似于 Sei v2，Monad 將采用樂觀執(zhí)行模型，這意味著網(wǎng)絡(luò)將開始同時執(zhí)行所有傳入的交易，然后分析和驗證交易以尋找沖突并相應(yīng)地重新執(zhí)行，最終目標是，如果交易按順序執(zhí)行，結(jié)果將是相同的。
重要的是要注意，在與以太坊保持同步的同時，Monad 會以線性順序?qū)^(qū)塊中的交易進行排序，并順序更新每個交易。
為了比當前以太坊客戶端提供的狀態(tài)更有效地維護和訪問區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，Monad創(chuàng)建了自己的定制 MonadDB，這是為區(qū)塊鏈本地構(gòu)建的。Monad DB 利用先進的 Linux 內(nèi)核特性，實現(xiàn)高效的異步磁盤操作，消除了同步輸入/輸出訪問的限制。MonadDB 提供異步輸入/輸出（async I/O）訪問，這是實現(xiàn)并行執(zhí)行的關(guān)鍵特性，系統(tǒng)可以在等待讀取先前交易的狀態(tài)的同時開始處理下一筆交易。
一個簡單的類比是，考慮烹飪一個多步驟的餐點（比如肉丸意面）。所涉及的步驟是1）準備醬汁，2）煮肉丸，和3）煮面條。一個高效的廚師會先為面條煮水，然后準備醬汁的配料，然后在現(xiàn)在沸騰的水中煮面條，接著煮醬汁，最后煮肉丸，而不是一次完成一個步驟，每完成一個任務(wù)后再進行下一個。
Move
Move 是一種編程語言，最初由 Facebook 團隊在 2019 年為現(xiàn)已廢棄的 Diem 項目開發(fā)。Move 旨在以安全的方式處理智能合約和交易數(shù)據(jù)，消除了其他語言固有的攻擊向量，如可重入性攻擊。
MoveVM 作為基于 Move 的區(qū)塊鏈的本地執(zhí)行環(huán)境，利用并行化提供更快的交易執(zhí)行速度和更高的整體效率。
Aptos
Aptos 是由前 Diem 項目成員開發(fā)的基于 Move 的 Layer 1 區(qū)塊鏈，它通過并行執(zhí)行提供了一個高性能的環(huán)境給應(yīng)用開發(fā)者。Aptos 利用 Block-STM，這是一種軟件事務(wù)內(nèi)存（STM）并發(fā)控制機制的修改實現(xiàn)。
Block-STM 是一個多線程并行執(zhí)行引擎，它允許樂觀并行執(zhí)行。交易在區(qū)塊內(nèi)被預排序和策略性地排序，這對于有效解決沖突和重新執(zhí)行交易至關(guān)重要。Aptos 的研究發(fā)現(xiàn)，使用 Block-STM 的并行化理論上可以支持高達 160,000 TPS。
Sui
與 Aptos 類似，Sui 是由前 Diem 項目成員開發(fā)的 Layer 1 區(qū)塊鏈，它也使用 Move 語言。然而，Sui 采用了自定義的 Move 實現(xiàn)，該實現(xiàn)從原始的 Diem 設(shè)計中改變了存儲模型和資產(chǎn)權(quán)限。特別是，這允許 Sui 使用狀態(tài)存儲模型將獨立交易表示為對象。每個對象在 Sui 的執(zhí)行環(huán)境中都有唯一 ID ，從而允許系統(tǒng)輕松識別不沖突的交易再并行處理它們。
與 Solana 類似，Sui 實施了確定性并行執(zhí)行，要求交易提前聲明它們需要訪問的賬戶。
Movement Labs
Movement 正在構(gòu)建一套開發(fā)者工具和區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，以便開發(fā)者能夠輕松訪問在 Move 上構(gòu)建的好處。作為 Move 開發(fā)者的 AWS 類執(zhí)行即服務(wù)平臺，Movement 將并行化作為核心設(shè)計特性，以實現(xiàn)更高的吞吐量和更大的整體網(wǎng)絡(luò)效率。MoveVM 是一個模塊化的執(zhí)行環(huán)境，它允許區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)根據(jù)需要擴展和調(diào)整其交易處理能力，以支持日益增長的交易量，增強其并行處理和執(zhí)行交易的能力。
Movement 還將推出 M2，這是一個將與 EVM 和 Move 客戶端互操作的 ZK-rollup。M2 將繼承 Block-STM 并行化引擎，并有望因此實現(xiàn)數(shù)萬 TPS。
并行系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
關(guān)于并行區(qū)塊鏈的發(fā)展，有一些重要的問題和考慮需要深思：
網(wǎng)絡(luò)為了通過并行執(zhí)行實現(xiàn)更好的性能而做出了哪些權(quán)衡？
較少的驗證者保護網(wǎng)絡(luò)可以加快驗證和執(zhí)行速度，但這是否會妥協(xié)區(qū)塊鏈的安全性，使其更容易受到驗證者的共謀攻擊？
是否有大量的驗證者共址？這是一種在加密和非加密系統(tǒng)中都常見的最小化延遲的策略，但如果特定數(shù)據(jù)中心受到威脅，網(wǎng)絡(luò)會發(fā)生什么？
對于樂觀的并行系統(tǒng)，重新執(zhí)行無效交易的過程是否會隨著網(wǎng)絡(luò)的擴展而成為瓶頸？這種效率是如何被測試和評估的？
從高層次來看，平行區(qū)塊鏈面臨著賬本不一致的風險，即雙重支付和交易順序的變化（這確實是順序執(zhí)行的主要好處）。確定性并行化通過在底層區(qū)塊鏈上為交易創(chuàng)建一個內(nèi)部標記系統(tǒng)來解決這個問題。實施樂觀處理的區(qū)塊鏈必須確保它們用來驗證和重新執(zhí)行交易的機制是安全和實用的，并且為了性能所做的權(quán)衡可以合理實施。
未來展望
計算機的歷史告訴我們，隨著時間的推移，平行系統(tǒng)往往比順序系統(tǒng)更有效和可擴展。Solana 之后的并行區(qū)塊鏈的崛起強調(diào)了這一概念也適用于加密基礎(chǔ)設(shè)施。即使是 Vitalik 也提到并行化為提高 EVM rollups 可擴展性的潛在關(guān)鍵解決方案之一。廣義上講，加密/區(qū)塊鏈的采用增長需要比今天可用的系統(tǒng)更優(yōu)越的系統(tǒng)，包括并行區(qū)塊鏈。
Solana 最近的網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)突出了并行區(qū)塊鏈開發(fā)中還有很大的改進空間。隨著更多的團隊尋求推動鏈上前沿的界限，并將下一批大規(guī)模用戶群體和采用引入到區(qū)塊鏈原生應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)中，平行執(zhí)行模型為構(gòu)建能夠高效處理網(wǎng)絡(luò)活動量級、輕松匹配 Web2 公司規(guī)模的系統(tǒng)提供了一個直觀的框架。
以上就是腳本之家小編給大家分享的是區(qū)塊鏈并行執(zhí)行是什么?為什么下一代區(qū)塊鏈并行執(zhí)行很重要的詳細介紹，喜歡大家喜歡！
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