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?zhǔn)翘摂M機(jī)一種軟件基礎(chǔ)的計算模型，它運(yùn)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(jī)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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一文讀懂什么是區(qū)塊鏈并行執(zhí)行?

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(xué)技術(shù)來保護(hù)。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(rèn)證和驗證流程。

區(qū)塊鏈交易如何運(yùn)作

當(dāng)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(rèn)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(dāng)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(hù)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(rèn)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(dāng)?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?xì)赓M相對于 mempool 中其他交易的燃?xì)赓M，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(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）服務(wù)器。

• RPC 提供商將交易發(fā)送給當(dāng)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(dāng)前領(lǐng)導(dǎo)者無法及時執(zhí)行交易時的預(yù)防步驟。Solana 采用了時隙領(lǐng)導(dǎo)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(jìn)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(jī)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(jī)（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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)?shù)停虼藷o法從計算的突破性進(jìn)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(jī)架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，其起源可以追溯到 20 世紀(jì) 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(fù)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(dāng)今計算機(jī)架構(gòu)中的主導(dǎo)范式。

這種架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)同樣適用于區(qū)塊鏈，只是計算機(jī)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(kuò)展性，更有效地處理更高的活動負(fù)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(xì)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(jìn)行排序和識別，創(chuàng)建了一個可預(yù)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(xì)節(jié)的影響，通過當(dāng)今推動并行執(zhí)行前沿的團(tuán)隊的視角來分析并行執(zhí)行可能會有所幫助。

當(dāng)下并行執(zhí)行的市場格局

Solana 虛擬機(jī)（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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行。

考慮機(jī)場托運(yùn)行李系統(tǒng)中標(biāo)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(jìn)行了優(yōu)化，可以水平擴(kuò)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(tuán)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(kuò)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(rèn)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(yùn)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(yùn)行交易。

為了存儲和維護(hù)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(jìn) v1 版本的不足之處。SeiDB 的目標(biāo)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(yù)寫日志，以幫助在崩潰事件中恢復(fù)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(kuò)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(dá) 10,000 TPS 的最終確定性。

Monad 實現(xiàn)了并行執(zhí)行和超標(biāo)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(biāo)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(jìn)行排序，并順序更新每個交易。

為了比當(dāng)前以太坊客戶端提供的狀態(tài)更有效地維護(hù)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行下一個。

Move

Move 是一種編程語言，最初由 Facebook 團(tuán)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(jī)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(yù)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(dá) 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(kuò)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(qiáng)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(hù)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(kuò)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(fēng)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(biāo)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(jī)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(jī)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(kuò)展。Solana 之后的并行區(qū)塊鏈的崛起強(qiáng)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(kuò)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(jìn)空間。隨著更多的團(tuán)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。

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