作者：Ali Sheikh，加密分析師；翻譯：喜來(lái)順財(cái)經(jīng)xiaozou
本文將概述區(qū)塊鏈的并行設(shè)計(jì)架構(gòu)，借用三個(gè)相關(guān)例子：Solana、Sei和Monad。本文強(qiáng)調(diào)樂(lè)觀并行和確定性并行之間的區(qū)別，并了解這些鏈上的狀態(tài)和內(nèi)存訪問(wèn)的細(xì)微差別。
1837年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家和數(shù)學(xué)家Charles Babbage（查爾斯·巴貝奇）設(shè)計(jì)了“Analytical Engine（分析機(jī)）”，為并行計(jì)算奠定了理論基礎(chǔ)。如今，并行化是加密世界的一個(gè)關(guān)鍵主題，區(qū)塊鏈正試圖擴(kuò)展處理、效率和吞吐量的邊界。
并行計(jì)算使許多計(jì)算或進(jìn)程能夠同時(shí)執(zhí)行，而不是必須按順序或一個(gè)接一個(gè)地執(zhí)行計(jì)算。并行計(jì)算指的是將較大的問(wèn)題分解成多個(gè)較小的獨(dú)立部分，這些部分可以由多個(gè)通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行通信的處理器來(lái)執(zhí)行。并行系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如提高效率和速度、可擴(kuò)展性、改進(jìn)可靠性和容錯(cuò)性、優(yōu)化資源利用率以及處理超大數(shù)據(jù)集的能力。
然而，認(rèn)識(shí)到并行化的效力取決于底層體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)是至關(guān)重要的。區(qū)塊鏈的兩個(gè)核心瓶頸是加密功能（哈希函數(shù)、簽名、橢圓曲線等）和內(nèi)存/狀態(tài)訪問(wèn)。對(duì)于區(qū)塊鏈來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)高效并行系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一在于狀態(tài)訪問(wèn)的細(xì)微差別。狀態(tài)訪問(wèn)是指交易讀取和寫入?yún)^(qū)塊鏈狀態(tài)的能力，包括存儲(chǔ)、智能合約和賬戶余額。為了使并行區(qū)塊鏈有效且具有高性能，必須優(yōu)化狀態(tài)訪問(wèn)。
目前在優(yōu)化并行化區(qū)塊鏈的狀態(tài)訪問(wèn)方面有兩個(gè)思想流派：確定性并行和樂(lè)觀并行。確定性并行要求代碼明確地預(yù)先聲明區(qū)塊鏈狀態(tài)的哪些部分將被訪問(wèn)和修改。這讓系統(tǒng)可以事先確定哪些交易是可以并行處理的，而不會(huì)發(fā)生沖突。確定性并行支持可預(yù)測(cè)性和高效率（特別是在大部分獨(dú)立交易的情況下）。然而，它確實(shí)給開發(fā)人員帶來(lái)了更多的復(fù)雜性。
樂(lè)觀并行不需要代碼預(yù)先聲明其狀態(tài)訪問(wèn)就可并行處理交易，就好像不會(huì)發(fā)生沖突一樣。如果出現(xiàn)沖突，樂(lè)觀并行將重新運(yùn)行、重新處理或串行運(yùn)行沖突交易。雖然樂(lè)觀并行化為開發(fā)人員提供了更大的靈活性，但沖突需要重新執(zhí)行，因此當(dāng)事務(wù)不沖突時(shí)，這種方法是最有效的。至于哪一種方法更好，還沒(méi)有正確答案。它們只是實(shí)現(xiàn)并行化的兩種不同的可行方法。
下面我們先來(lái)探索非加密并行系統(tǒng)相關(guān)的一些基礎(chǔ)知識(shí)，然后再來(lái)看區(qū)塊鏈并行執(zhí)行的設(shè)計(jì)空間，我們將重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)核心領(lǐng)域：加密并行系統(tǒng)概述、內(nèi)存和狀態(tài)訪問(wèn)方法以及并行設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)。
通過(guò)我們剛剛了解到的關(guān)于并行計(jì)算的功能和并行系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在就很容易理解為什么并行計(jì)算的采用在最近幾年開始流行起來(lái)。而且在過(guò)去的幾十年里，并行計(jì)算就已呈現(xiàn)日益流行之勢(shì)并實(shí)現(xiàn)了許多突破。
醫(yī)學(xué)影像：并行處理從根本上改變了醫(yī)學(xué)影像，帶來(lái)各種影像模式（如MRI、CT、X射線和光學(xué)斷層掃描）的速度和分辨率的顯著提高。英偉達(dá)處在這些進(jìn)步的最前沿，通過(guò)其并行處理工具包為放射科醫(yī)生提供更加強(qiáng)大的人工智能功能，使影像系統(tǒng)能夠更有效地處理更多的數(shù)據(jù)和計(jì)算負(fù)載。
天文學(xué)：一些新的天文現(xiàn)象，比如對(duì)黑洞的理解，只有使用并行超級(jí)計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。
Unity游戲引擎：Unity引擎使用GPU能力（專為大規(guī)模圖形工作負(fù)載構(gòu)建）以幫助提高性能和速度。該引擎配備了多線程和并行處理功能，帶來(lái)無(wú)縫的游戲體驗(yàn)，能夠創(chuàng)建復(fù)雜逼真的游戲環(huán)境。
讓我們來(lái)看看三個(gè)已部署并行執(zhí)行環(huán)境的區(qū)塊鏈。首先，我們來(lái)看Solana，然后是兩個(gè)基于EVM的鏈——Monad和Sei。
從高層來(lái)看，Solan的設(shè)計(jì)理念是區(qū)塊鏈創(chuàng)新應(yīng)隨硬件進(jìn)步而發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，硬件根據(jù)摩爾定律不斷改進(jìn)，Solana的設(shè)計(jì)將受益于性能和可擴(kuò)展性的提高。Solana聯(lián)合創(chuàng)始人Anatoly Yakovenko在五年多以前就設(shè)計(jì)了Solana的最初并行架構(gòu)，今天，并行性作為區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)原則正迅速傳播開來(lái)。
Solana使用確定性并行方式，這來(lái)自于Anatoly過(guò)去處理嵌入式系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，在嵌入式系統(tǒng)中，通常會(huì)預(yù)先聲明所有狀態(tài)。這使CPU能夠知道所有的依賴關(guān)系，從而使它能夠預(yù)先載入內(nèi)存的必要部分。結(jié)果就是優(yōu)化了系統(tǒng)執(zhí)行，但是再一次，它要求開發(fā)人員預(yù)先做好額外的工作。在Solana上，程序的所有內(nèi)存依賴都是必需的，并在構(gòu)建的交易（即訪問(wèn)列表）中進(jìn)行聲明，從而使運(yùn)行時(shí)（runtime）能夠高效地調(diào)度及并行執(zhí)行多個(gè)交易。
Solana架構(gòu)的下一個(gè)主要組件是Sealevel VM，它是Solana的并行智能合約運(yùn)行時(shí)。Sealevel原生支持基于驗(yàn)證者的內(nèi)核數(shù)量并行處理多個(gè)合約和交易。區(qū)塊鏈中的驗(yàn)證者是負(fù)責(zé)驗(yàn)證交易、提議新區(qū)塊以及維護(hù)區(qū)塊鏈完整性和安全性的網(wǎng)絡(luò)參與者。由于交易預(yù)先聲明哪些帳戶需要讀寫鎖定，因此Solana調(diào)度器能夠確定哪些交易可以并行執(zhí)行。正因如此，當(dāng)涉及到驗(yàn)證時(shí)，“區(qū)塊生產(chǎn)者”或Leader就能夠?qū)?shù)千個(gè)待處理交易進(jìn)行排序，并且并行調(diào)度非重疊交易。
Solana的最后一個(gè)設(shè)計(jì)元素是“pipelining”。當(dāng)需要以一系列步驟處理數(shù)據(jù)，并且每個(gè)步驟由不同的硬件負(fù)責(zé)時(shí)，就會(huì)觸發(fā)pipelining。這里的關(guān)鍵想法是獲取需要串行運(yùn)行的數(shù)據(jù)，并使用pipelining將其并行化。這些pipelines可以并行運(yùn)行，并且每個(gè)pipeline階段可以處理不同的交易包。
這些優(yōu)化允許Sealevel同時(shí)組織和執(zhí)行獨(dú)立的交易，利用硬件的能力，一次使用一個(gè)程序處理多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。Sealevel按programID對(duì)指令進(jìn)行排序，并在所有相關(guān)帳戶上并行執(zhí)行相同指令。
通過(guò)這些創(chuàng)新，我們可以看到Solana被有意設(shè)計(jì)為支持并行化。
Sei是一個(gè)通用的、開源L1區(qū)塊鏈，專用于數(shù)字資產(chǎn)交易。Sei V2采用樂(lè)觀并行方法，因此，它對(duì)開發(fā)人員來(lái)說(shuō)更加友好。在樂(lè)觀并行模式下，智能合約可以更加無(wú)縫地并行執(zhí)行，不需要開發(fā)人員預(yù)先聲明它們的資源。這意味著鏈樂(lè)觀地并行運(yùn)行所有交易。盡管如此，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)（即多個(gè)交易訪問(wèn)相同的狀態(tài)），區(qū)塊鏈將跟蹤每個(gè)沖突交易所影響的特定存儲(chǔ)組件。
Sei區(qū)塊鏈?zhǔn)褂谩皹?lè)觀并發(fā)控制（OCC）”機(jī)制來(lái)執(zhí)行交易。并發(fā)交易處理發(fā)生在有多個(gè)交易同時(shí)在系統(tǒng)中活動(dòng)時(shí)。這種交易方式有兩個(gè)階段：執(zhí)行和驗(yàn)證。
在執(zhí)行階段，交易被樂(lè)觀地處理，將所有讀/寫臨時(shí)存儲(chǔ)在特定交易存儲(chǔ)中。此后，每個(gè)交易都將進(jìn)入驗(yàn)證階段，在驗(yàn)證階段，臨時(shí)存儲(chǔ)操作中的信息將根據(jù)先前交易所做的狀態(tài)更改進(jìn)行檢查。如果交易是獨(dú)立的，則交易將并行運(yùn)行。如果一個(gè)交易讀取的數(shù)據(jù)被另一個(gè)交易修改過(guò)，將產(chǎn)生沖突。Sei的并行系統(tǒng)將通過(guò)比較交易的讀取數(shù)據(jù)集與多版本存儲(chǔ)中的最新狀態(tài)變化（這些變化是按交易順序索引的）來(lái)識(shí)別每個(gè)沖突。Sei將在出現(xiàn)沖突的位置重新執(zhí)行并重新驗(yàn)證實(shí)例。這是一個(gè)迭代過(guò)程，涉及到執(zhí)行、驗(yàn)證和重新運(yùn)行，才能修復(fù)沖突。下圖說(shuō)明了當(dāng)出現(xiàn)沖突時(shí)Sei是如何處理交易的。
Sei的實(shí)現(xiàn)為EVM開發(fā)人員提供了更低的gas費(fèi)和更廣闊的設(shè)計(jì)空間。一直以來(lái)，EVM環(huán)境被限制為小于50 TPS，這迫使開發(fā)人員創(chuàng)建遵循反模式的應(yīng)用程序。Sei V2讓開發(fā)人員能夠接近通常要求高性能和低費(fèi)用的領(lǐng)域，如DeFi、DePIN和游戲。
Monad正在建設(shè)一個(gè)具有完全字節(jié)碼兼容性的并行EVM L1。Monad的獨(dú)特之處不僅在于它的并行引擎，還在于他們?cè)诘讓訕?gòu)建的優(yōu)化引擎。Monad采用了一種獨(dú)特的整體設(shè)計(jì)方法，結(jié)合了幾個(gè)關(guān)鍵特性，如pipelining、異步I/O、共識(shí)執(zhí)行分離，以及MonadDB。
Monad設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是帶有輕微偏移量的pipelining。偏移量允許通過(guò)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)實(shí)例來(lái)并行化更多進(jìn)程。因此，pipelining被用來(lái)優(yōu)化許多功能，如狀態(tài)訪問(wèn)pipeling、交易執(zhí)行pipelining、共識(shí)和執(zhí)行內(nèi)部pipelining以及共識(shí)機(jī)制自身內(nèi)的pipelining。
接下來(lái)，我們將具體來(lái)看Monad的并行化部分。在Monad中，交易在區(qū)塊內(nèi)是線性排序的，但目標(biāo)是通過(guò)利用并行執(zhí)行更快地達(dá)到最終狀態(tài)。Monad的執(zhí)行引擎設(shè)計(jì)采用了樂(lè)觀并行算法。Monad的引擎同時(shí)處理交易，然后執(zhí)行分析，以確保如果交易被一個(gè)接一個(gè)地執(zhí)行，也將取得相同的結(jié)果。如果存在任何沖突，則需要重新執(zhí)行。這里的并行執(zhí)行是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的算法，但將它與Monad的其他關(guān)鍵創(chuàng)新結(jié)合起來(lái)，就讓這種方法變得新穎了。這里需要注意的一點(diǎn)是，即使發(fā)生重新執(zhí)行，通常也很便宜，因?yàn)闊o(wú)效交易所需的輸入幾乎一直保留在緩存中，所以這將是一個(gè)簡(jiǎn)單的緩存查找。重新執(zhí)行被確保一定會(huì)成功，因?yàn)槟阋呀?jīng)執(zhí)行了區(qū)塊中之前的交易。
Monad還通過(guò)分離執(zhí)行和共識(shí)（類似于Solana和Sei）以及延遲執(zhí)行來(lái)提高性能。其中的想法是，如果你放寬執(zhí)行條件，以便在達(dá)成共識(shí)之前完成執(zhí)行，則可以并行運(yùn)行執(zhí)行和共識(shí)，從而為兩者增加額外的時(shí)間。當(dāng)然，Monad使用一種確定性算法來(lái)處理這種情況，以確保其中的一個(gè)不會(huì)跑得太遠(yuǎn)而失控。
正如我在本文開頭提到的，狀態(tài)訪問(wèn)是區(qū)塊鏈的典型性能瓶頸之一。狀態(tài)訪問(wèn)和內(nèi)存的設(shè)計(jì)選擇最終可以決定并行系統(tǒng)的特定實(shí)現(xiàn)是否會(huì)在實(shí)踐中提高性能。下面我們來(lái)具體了解并比較Solana、Sei和Monad采用的不同方法。
Solana利用水平擴(kuò)展來(lái)跨多個(gè)SSD設(shè)備分發(fā)和管理狀態(tài)數(shù)據(jù)。如今，許多區(qū)塊鏈?zhǔn)褂猛ㄓ脭?shù)據(jù)庫(kù)（即LevelDB），這在處理大量并發(fā)讀寫狀態(tài)數(shù)據(jù)方面存在限制。為了避免這種情況，Solana利用Cloudbreak構(gòu)建了自己的自定義帳戶數(shù)據(jù)庫(kù)。
Cloudbreak是為跨I/O操作的并行訪問(wèn)而設(shè)計(jì)的，而非單純依賴于RAM，這本身就很快。I/O操作（輸入/輸出）是指從外部源（如磁盤、網(wǎng)絡(luò)或外圍設(shè)備）讀取數(shù)據(jù)或向其寫入數(shù)據(jù)的操作。最初，Cloudbreak使用RAM內(nèi)部索引將公鑰映射到持有余額和數(shù)據(jù)的帳戶。然而，在撰寫本文時(shí)，V1.9索引已經(jīng)從RAM移到了SSD上。這種轉(zhuǎn)變?cè)试SCloudbreak在其隊(duì)列中同時(shí)處理32個(gè)（I/O）操作，從而增強(qiáng)了跨多個(gè)SSD的吞吐量。因此，可以高效地訪問(wèn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，例如帳戶和交易，就像在使用內(nèi)存映射文件的RAM中一樣。下圖表明了內(nèi)存結(jié)構(gòu)。雖然RAM更快，但它的容量比SSD小，而且通常更昂貴：
通過(guò)橫向擴(kuò)展和跨多個(gè)設(shè)備分發(fā)狀態(tài)數(shù)據(jù)，Cloudbreak降低了延遲，提高了Solana生態(tài)系統(tǒng)的效率、去中心化程度和網(wǎng)絡(luò)彈性。
Sei重新設(shè)計(jì)了它的存儲(chǔ)——SeiDB——以解決以下幾個(gè)問(wèn)題：寫入放大（維護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要多少元數(shù)據(jù)，越小越好）、狀態(tài)膨脹、操作緩慢以及性能隨著時(shí)間的推移而下降。新的再設(shè)計(jì)現(xiàn)分為兩個(gè)組件：狀態(tài)存儲(chǔ)和狀態(tài)承諾。記錄和驗(yàn)證對(duì)數(shù)據(jù)的任何更改由狀態(tài)承諾處理，而在任何時(shí)候記錄所有數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)由狀態(tài)存儲(chǔ)（SS）處理。
在Sei V2中，狀態(tài)承諾使用內(nèi)存映射IAVL樹架構(gòu)（MemIAVL）。內(nèi)存映射IAVL樹存儲(chǔ)較少元數(shù)據(jù)，這減少了狀態(tài)存儲(chǔ)和狀態(tài)同步時(shí)間，并使運(yùn)行完整節(jié)點(diǎn)變得更加容易。內(nèi)存映射IAVL樹表示為磁盤上的三個(gè)文件（kv文件、branch文件和leaf文件）；因此，需要跟蹤的元數(shù)據(jù)更少，這有助于將狀態(tài)存儲(chǔ)減少50%以上。新的MemIAVL結(jié)構(gòu)有助于減少寫入放大因子，因?yàn)樗鼫p少了維護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所需的元數(shù)據(jù)。
更新后的SeiDB允許對(duì)狀態(tài)存儲(chǔ)層提供靈活的數(shù)據(jù)庫(kù)后端支持。Sei認(rèn)為，不同的節(jié)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)商的需求和存儲(chǔ)需求不同。因此，SS設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)不同的后端需求，為運(yùn)營(yíng)商提供自由度和靈活性，如PebbleDB、RocksDB、SQLite等。
Monad的狀態(tài)訪問(wèn)有一些重要的細(xì)微差別。首先，大多數(shù)以太坊客戶端利用兩種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)：B-Tree數(shù)據(jù)庫(kù)（即LMDB）或日志結(jié)構(gòu)合并樹（LSM）數(shù)據(jù)庫(kù)（即RocksDB、LevelDB）。這兩種都是通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不是為區(qū)塊鏈專門設(shè)計(jì)的。此外，這些數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有利用Linux技術(shù)的最新進(jìn)展，特別是在異步操作和I/O優(yōu)化方面。最后，以太坊本身使用MPT樹管理狀態(tài)，MPT樹專用于加密，驗(yàn)證和證明。主要的問(wèn)題是，客戶端必須將這個(gè)特定的MPT樹集成到更通用的數(shù)據(jù)庫(kù)（即B-Tree / LSM）中，這會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的性能缺陷，例如過(guò)多的磁盤訪問(wèn)。
所有這些都有助于為Monad決定創(chuàng)建自定義MonadDB數(shù)據(jù)庫(kù)奠定基礎(chǔ)，MonadDB數(shù)據(jù)庫(kù)專用于更高效地處理區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和狀態(tài)訪問(wèn)。MonadDB的一些關(guān)鍵特性包括并行訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)、針對(duì)Merkle Trie數(shù)據(jù)優(yōu)化的自定義數(shù)據(jù)庫(kù)、優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)RAM使用的高效狀態(tài)訪問(wèn)、去中心化特性和可擴(kuò)展性。
MonadDB專為區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)，使其比使用通用數(shù)據(jù)庫(kù)的性能更高。自定義MonadDB專用于高效管理Merkle Trie類型數(shù)據(jù)，支持同時(shí)并行訪問(wèn)多個(gè)Trie節(jié)點(diǎn)。雖然MonadDB與上述一些通用數(shù)據(jù)庫(kù)的單次讀取成本是相同的，但MonadDB的關(guān)鍵特性是它可以并行運(yùn)行多個(gè)讀取，從而帶來(lái)巨大提速。
MonadDB支持對(duì)并行訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的同步狀態(tài)訪問(wèn)。因?yàn)镸onad是從頭開始構(gòu)建這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的，所以它能夠利用最新的Linux內(nèi)核技術(shù)和SSD的全部功能來(lái)實(shí)現(xiàn)異步I/O。使用異步I/O，如果一個(gè)交易需要從磁盤讀取狀態(tài)，這不應(yīng)該為待完成操作帶來(lái)阻力。相反，它應(yīng)該立刻開始讀取并同時(shí)繼續(xù)處理其他交易。這就是異步I/O顯著加快MonadDB處理速度的做法。Monad能夠通過(guò)優(yōu)化SSD使用以及減少對(duì)過(guò)多RAM的依賴，收獲更好的硬件性能。這具有與去中心化和可擴(kuò)展性對(duì)齊的額外好處。
總之，通過(guò)Solana、Sei和Monad的視角探索區(qū)塊鏈中的并行化發(fā)展，可以全面了解不同架構(gòu)和方法是如何提高性能和可擴(kuò)展性的。Solana的確定性并行注重預(yù)先聲明狀態(tài)訪問(wèn)，提供了可預(yù)測(cè)性和效率，使其成為高吞吐量需求的應(yīng)用程序的有力選擇。另一方面，Sei的樂(lè)觀并行方法優(yōu)先考慮了開發(fā)人員的靈活性，非常適合交易沖突不頻繁的環(huán)境。憑借其獨(dú)特的樂(lè)觀并行方式和自定義MonadDB，Monad提供了一個(gè)創(chuàng)新解決方案，利用最新的技術(shù)進(jìn)步來(lái)優(yōu)化狀態(tài)訪問(wèn)和性能。
每個(gè)區(qū)塊鏈都提供了一種獨(dú)特的方法來(lái)解決并行化挑戰(zhàn)，并有一套自己的利弊權(quán)衡。Solana的設(shè)計(jì)旨在最大限度提高硬件利用率和吞吐量，而Sei則專注于簡(jiǎn)化開發(fā)過(guò)程，Monad則把重心放在了為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)提供量身定制的數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案。這些差異凸顯了區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，以及根據(jù)應(yīng)用程序的特定需求選擇合適平臺(tái)的重要性。
隨著區(qū)塊鏈領(lǐng)域的不斷發(fā)展，Solana、Monad和Sei所展現(xiàn)出的并行化技術(shù)的進(jìn)步無(wú)疑將激發(fā)進(jìn)一步的創(chuàng)新。邁向更高效、更可擴(kuò)展且對(duì)開發(fā)人員更加友好的區(qū)塊鏈的旅程正在進(jìn)行中，從這些平臺(tái)中吸取的經(jīng)驗(yàn)將對(duì)塑造區(qū)塊鏈技術(shù)的未來(lái)發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
喜來(lái)順財(cái)經(jīng)
