В жертву эффективности: как работает параллельное выполнение транзакций в блокчейне

Вечная гонка блокчейна за производительность и пропускную способность привела к появлению множества интересных решений. Один из них — параллельное выполнение транзакций. Как это работает и какие преимущества дает?

Исследование Binance

Криптовалютная биржа Binance опубликовала целое исследование, посвященное параллельному исполнению на блокчейне. Хотя само решение появилось уже давно, аналитики уже теоретически подвели итоги многолетних разработок. Эта технология известна в основном благодаря проекту Solana, Однако это решение в различных формах используется Vara, TON, Sui, sei, Aptos, Linera, Fuel и Monad.

Проблема последовательного выполнения

Что препятствует пропускной способности блокчейна, так это проблема последовательного выполнения. Решения с последовательным выполнением требуют проверки каждой транзакции в сети, что потребляет значительную энергию и увеличивает нагрузку на майнеров и валидаторов.

Параллельное выполнение предназначено для разделения задач и одновременной обработки множества транзакций, что благотворно влияет на пропускную способность и улучшает масштабируемость сети.

Эксперты Binance отмечают, что эволюция вычислительных машин движется в сторону многозадачности и многопоточности. Свидетельством этого может служить тот факт, что за последние 20 лет частоты процессоров не сильно выросли, а вместо этого увеличилось количество ядер. Это более эффективное решение, поскольку большинство задач выполняются быстрее несколькими более слабыми ядрами, чем одним мощным ядром.

Программирование также следует этой тенденции: современные решения пишутся таким образом, чтобы максимизировать положительные эффекты многопоточности. Поэтому в моде решения, которые решают множество проблем параллельно.

Как работает параллельное выполнение в блокчейне

Проще говоря, параллельное выполнение позволяет обрабатывать множество транзакций одновременно. В ситуациях больших вычислительных мощностей и многозадачности параллельные решения кажутся наиболее эффективными.

Однако существует множество проблем, связанных с созданием надежного и безопасного согласованного блокчейн-решения. Основная – Зависимая транзакция. Что происходит, когда две транзакции обрабатываются параллельно, например, отправляя криптовалюту с одного и того же адреса на два разных адреса? Если эти транзакции выполняются полностью параллельно, владелец кошелька может потратить монеты дважды. А это не приветствуется.

Следовательно, зависимые транзакции могут выполняться только последовательно. Зависимость транзакций — это важная концепция, которая означает:

Отсюда ясно, что распараллеливать можно только задачи, независимые друг от друга. Это означает, что скорость параллельного блокчейна всегда ограничена самой длинной цепочкой зависимых задач. Тем не менее, поскольку существует так много независимых задач, в блокчейне достаточно места для параллельных решений.

Различные способы параллельного выполнения

Недостатки параллельного выполнения

Параллельные проекты не всегда выгодны по сравнению с простыми последовательными решениями. Напротив, он гораздо менее безопасен, предсказуем и прост.

Авторы исследования обобщили уязвимости параллельного выполнения и выделили несколько критических уязвимостей:

• условия гонки (неопределенность результата, если независимые транзакции не определены должным образом);

• проблемы повторного входа;

• Взаимная блокировка — это когда две или более задачи неопределенно долго ждут завершения друг друга. Каждый из них не может быть выполнен, пока не будет выполнен другой;

• Некомпонуемость: когда сам программный код может быть правильным, но при использовании в разных условиях возникают серьезные ошибки.

Кроме того, условно критический (т.е критический в определенных ситуациях) создает две дополнительные проблемы:

• Состояние, при котором задача с более низким приоритетом может косвенно блокировать задачу с более высоким приоритетом из-за инверсии приоритета или неисправности планировщика;

• истощение ресурсов. Некоторые задачи потребляют больше ресурсов, чем необходимо, лишая другие задачи необходимых ресурсов.

Вывод

Погоня за пропускной способностью может стоить значительных затрат. Параллельное выполнение представляет собой сложную конструкцию и создает множество проблем, но позволяет значительно повысить производительность.

соус