Что такое параллелизация и как она помогает масштабировать блокчейн?
С ростом популярности криптовалют появляется значительный спрос на использование блокчейн-сетей, что приводит к перегрузке и росту комиссий. Для решения этих проблем разработчики ищут и внедряют решения, направленные на улучшение масштабируемости.
Одним из таких является параллелизация, то есть разделение одной большой задачи на несколько меньших процессов, которые можно выполнять параллельно. В этом материале мы подробнее разберем эту идею и рассмотрим, как она может помочь децентрализованным сетям.
Что такое параллелизация в блокчейне
Параллелизация — это разделение задач на части, которые выполняются одновременно. Этот метод использует многозадачность современного оборудования, например многоядерных процессоров, чтобы ускорить выполнение операций.
Ее использование в блокчейне повышает пропускную способность сети, позволяя проверять несколько операций параллельно, что отличается от традиционного подхода последовательной обработки. При параллельном выполнении транзакции разбиваются на различные потоки или процессы, каждый из которых выполняется на отдельном узле.
Распределение между несколькими вычислительными процессорами позволяет максимально эффективно использовать имеющиеся ресурсы, что приводит к сокращению времени выполнения транзакций. Это помогает избежать так называемого «бутылочного горла» — ограничения сети, приводящие к замедлению или замедлению транзакций.
Подходы к параллелизации
Несмотря на то, что основным принципом параллельного выполнения является одновременная обработка транзакций, существует две основные модели реализации этой концепции в блокчейне.
При оптимистической параллельной обработке сеть обходит фазу сортировки транзакций и переходит сразу к их обработке. Модель работает в предположении, что транзакции в очереди являются независимыми, и возвращается к ним только, чтобы просмотреть некорректные исполнения. В этом случае система отслеживает мемпул, и конфликтующие транзакции выполняются повторно, пока не будут правильно обработаны.
В модели параллельной обработки с доступом к состоянию транзакции организуются на основе их влияния на состояние сети. Это предполагает предварительную группировку транзакций, учитывая их взаимодействие с конкретными смарт-контрактами или учетными записями. Например, те, что взаимодействуют с одним и тем же смарт-контрактом, считаются связанными, в то время, как транзакции, взаимодействующие с различными контрактами без взаимного влияния, обозначаются как несвязанные.
Первые выполняются сразу, тогда как вторые координируются перед обработкой с определением приоритетов на основе платы за газ для повышения скорости обработки.
Внедрение этих моделей происходит с помощью ончейн- и оффлайн-методов.
Ончейн-обработка проходит прямо в блокчейне и включает такие подходы к параллелизации как:
- шардинг. Блокчейн распределяется на несколько подсетей (шардов), при этом транзакции обрабатываются независимо. Отдельному узлу поручается обработка лишь части общего количества транзакций, что уменьшает нагрузку и увеличивает общую пропускную способность;
- специальные механизмы консенсуса. Некоторые алгоритмы достижения согласия, такие как направленные ациклические графы (DAG), способствуют одновременной проверке транзакций распределенным массивом узлов;
- сегментация блоков. Этот метод сегментирует один блок на несколько частей, позволяя разным майнерам проверять каждый сегмент одновременно и независимо.
Параллельная обработка транзакций вне сети достигается путем создания сайдчейнов – параллельных сетей с привязкой к основной. Транзакции проверяются на отдельных цепочках, работающих параллельно, а затем транслируются в основную сеть.
Как работает параллельное выполнение транзакций в блокчейне
Несмотря на то, что существует несколько подходов к параллелизации в блокчейне, в общем этот процесс выглядит следующим образом:
- выявление независимых транзакций. Сначала система отфильтровывает транзакции, которые не зависят друг от друга, то есть не обмениваются и не изменяют одни и те же данные или состояние;
- одновременная обработка. После определения этих независимых транзакций, они выполняются одновременно в разных узлах сети;
разрешение зависимостей и избежание конфликтов. На завершающем этапе система решает конфликты между транзакциями и приводит сеть в согласованное состояние с помощью различных алгоритмов достижения консенсуса.
Какие блокчейн-проекты используют параллелизацию
Несколько известных проектов уже успешно внедрили и используют параллельную обработку транзакций.
- Solana использует модель параллельной обработки с доступом к состоянию. Это позволяет процессору знать все зависимости и заранее выбирать необходимые участки памяти (мемпулы) для обработки.
Важным компонентом архитектуры Solana является виртуальная машина Sealevel, которая является средой выполнения смарт-контрактов. Она поддерживает параллельную обработку нескольких контрактов и транзакций в зависимости от количества ядер узла валидатора. Поскольку в транзакциях заранее указывается, с какими учетными записями или смарт-контрактами они взаимодействуют, алгоритм может определить, какие транзакции могут выполняться одновременно. - В ноябре команда Sei Network представила обновление Sei V2, которое сделало сеть первым блокчейном оптимистической параллельной обработки с поддержкой EVM. При возникновении конфликтов между транзакциями цепочка отслеживает, к каким частям хранилища относится каждая из них. Те, что находятся в разных мемпулах, при необходимости обрабатываются повторно до полного устранения конфликтов.
- Сеть Aptos также использует модель оптимистической параллельной обработки. Aptos упорядочивает транзакции внутри блока, выполняя их параллельно и разрешая конфликты или зависимости. Этот механизм более эффективно использует вычислительные ресурсы, значительно повышая пропускную способность сети.
- Криптопроект Sui применяет метод параллелизации транзакций на основе их состояний. Каждый объект функционирует автономно, а его участие в транзакции явно определено. Операции могут обрабатываться параллельно, пока не возникает конфликта из-за совместного использования объекта в других транзакциях.
- EVM-совместимый блокчейн Monad, как и Aptos и Sei, использует оптимистическую модель параллелизации. Ядро Monad обрабатывает транзакции одновременно, а затем выполняет анализ, чтобы убедиться, что результат идентичен последовательному выполнению. Ключевым нововведением в дизайне Monad являются так называемые трубопроводы (pipeline), позволяющие повысить эффективность выполнения транзакций через группировку отдельных процессов.
Плюсы и минусы подхода
Параллельное выполнение транзакций в блокчейне предоставляет ряд преимуществ, которые решают проблемы масштабируемости.
- снижение загруженности сети. Распределение транзакций между несколькими узлами позволяет снизить нагрузку особенно в периоды высокого трафика. Этот метод не только делает поток транзакций более организованным, но и помогает стабилизировать размер комиссий;
- оптимизированное использование оборудования. Параллельное исполнение использует возможности современных многоядерных процессоров, оптимизируя вычислительные мощности для повышения скорости обработки;
- масштабируемость и скорость. Параллельная обработка помогает децентрализованным приложениям (dApps) работать быстрее и обрабатывать большее количество запросов. Это делает приложения на блокчейне более эффективными и удобными.
Среди проблем, с которыми сталкивается концепция параллельной обработки, можно выделить следующие:
- более высокий риск возникновения конфликтов. Обработка транзакций одновременно может увеличить вероятность ошибок, например, двойных расходов или сбоев в порядке транзакций, что может повредить безопасности блокчейна;
- необходимость сложной координации. Во избежание конфликтов между параллельными транзакциями требуются сложные алгоритмы достижения согласованности. Это может усложнить разработку и повысить требования к вычислительным ресурсам;
- потребность в вычислительных ресурсах. Для параллельной обработки требуется больше вычислительной мощности, что может усложнить ее внедрение.
Выводы
Решение для параллельной обработки в блокчейне помогает криптопроектам расширяться, удовлетворяя потребности растущего числа пользователей. Различные методы способствуют повышению пропускной способности, снижению задержек, ускорению подтверждения транзакций и общей эффективности децентрализованных сетей.
Многие блокчейны уже внедрили параллелизацию, закладывая фундамент для дальнейшего распространения этой технологии, что особенно важно в условиях развития Web3-проектов и привлечения новых пользователей.
