并行执行技术：下一代区块链的性能突破

序言

1.0 区块链交易

区块链作为一种基于软件的计算模型，运行在分布式网络之上，任何人都可以参与其中，却难以被单一实体控制。这个革命性的概念最早出现在中本聪2008年发布的比特币白皮书中，成为支撑比特币点对点支付系统的核心基础设施。区块链上的交易就像互联网公司的活动日志一样，记录着网络的每一次互动，不同的是这些交易记录具有不可篡改和公开透明的特性。

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那么究竟什么是区块链交易？

简单来说，区块链交易就是将数字资产从一个地址转移到另一个地址的过程，整个过程通过公钥加密技术确保安全。这些交易不仅支持去中心化的点对点转账，还能用于各种身份验证和确认流程。

任何人都可以通过区块链浏览器查看交易记录，比如SeiTrace这样的工具。

1.1 区块链交易如何运作

当Bob向Alice发起一笔代币转账时，这笔交易会被广播到整个区块链网络。网络中的验证节点会对交易进行合法性检查，在足够多的节点确认后，交易会被打包进区块。当区块填满后，就会被添加到区块链中，形成不可篡改的交易记录。现在，Bob和Alice都可以随时查看这笔已经完成的交易。

每笔区块链交易都包含元数据，帮助网络节点识别和执行特定的指令。这些数据包括转账金额、目标地址、数字签名等基本信息，以及根据不同网络设计自动生成的其他数据。值得注意的是，不同区块链网络在实际执行交易时的处理流程可能存在差异。

1.1.1 内存池

内存池是比特币和以太坊等传统区块链采用的重要机制，相当于待处理交易的”等候区”。交易的生命周期大致是这样的：用户发起并签名交易后，网络节点会验证其合法性，通过验证的交易会进入公共内存池。根据交易支付的矿工费高低，这些交易会被优先打包进区块。经过一定时间后，区块会被最终确认，交易记录就此永久保存在区块链上。

1.1.2.无内存池 (Solana)

Solana等区块链采用了不同的设计思路，它们不设置内存池，而是直接将交易发送给区块生产者。这种设计通过连续的区块生产实现了更高的交易处理速度。

在Solana上，交易流程是这样的：用户通过应用程序发起交易后，交易信息会被发送到RPC服务器。RPC服务提供者会将交易转发给当前和未来的区块生产者。区块生产者将交易提交给验证节点进行确认，最终交易状态会返回给用户。与有内存池的区块链类似，区块最终也会被确认。

1.2 顺序执行

比特币和以太坊等早期区块链采用顺序执行机制，每次只处理一个状态变化。这种设计虽然保证了安全性，但也造成了严重的性能瓶颈。

顺序执行限制了每个区块能容纳的交易数量，导致网络拥堵时交易确认时间延长、费用飙升。此外，这种模式无法充分利用现代多核处理器的计算能力，效率相对较低。

并行执行

2.0 什么是并行执行？

并行计算的概念可以追溯到20世纪50年代，它通过同时使用多个处理单元来提升运算效率。在区块链领域，并行执行意味着网络可以同时处理多个互不冲突的交易，就像超市开设多个收银通道一样，能显著提升整体吞吐量。

为什么并行执行很重要？

并行执行对提升区块链网络性能至关重要。当网络流量激增时，它能让不同用户的交易同时得到处理，而不会互相影响。这不仅改善了用户体验，还为开发更复杂的去中心化应用创造了条件。

并行执行如何工作？

区块链实现并行执行主要有两种方式：确定性并行执行要求交易预先声明需要访问的资源，便于系统识别可以并行处理的交易；乐观并行执行则先假设所有交易都不冲突，在出现冲突时再重新处理。这两种方式各有优劣，适用于不同的应用场景。

目前并行执行的状态

让我们看看当前推动并行执行技术发展的几个代表性项目。

3.1 Solana 虚拟机（SVM）

Solana是首个专门为并行执行设计的区块链网络。其Sealevel运行时环境采用多线程架构，可以同时处理多个交易。交易需要预先声明要访问的账户和状态，系统借此识别可以并行处理的交易。

Solana还设计了专门的账户数据库Cloudbreak来支持并行读写。这些创新使其能够达到每秒数千笔的交易处理速度。

3.2 并行EVM

并行EVM试图结合以太坊的生态优势和Solana的性能优势，让开发者既能使用熟悉的EVM工具，又能享受并行执行带来的速度提升。

3.2.1 Sei Network

Sei Network是一个兼容EVM的高性能公链，目前正在从确定性并行执行转向乐观并行模型。其V2升级引入了SeiDB数据库优化存储效率，还推出了支持Layer2的Parallel Stack框架。

3.2.2 Monad

即将推出的Monad区块链采用乐观执行模型，通过超标量流水线等技术优化性能。它保持了与以太坊的兼容性，同时设计了专门的MonadDB数据库来支持异步I/O操作。

3.3 Move

Move语言最初为Facebook的Diem项目开发，现已成为多个高性能区块链的基础。

3.3.1 Aptos

Aptos采用Block-STM技术实现乐观并行执行，理论吞吐量可达16万TPS。

3.3.2 Sui

Sui使用改进的Move语言，通过对象模型实现确定性并行执行，要求交易预先声明要访问的账户。

3.3.3 Movement Labs

Movement致力于为Move开发者提供基础设施服务，其MoveVM执行环境支持模块化扩展。即将推出的M2 rollup将集成Block-STM引擎，预计能达到数万TPS。

结束语

4.1 当今并行系统面临的挑战

并行区块链需要权衡性能与安全性，比如减少验证节点数量可以提升速度，但可能影响网络安全性。乐观并行系统还需要解决冲突交易重新执行可能带来的效率问题。

4.2 未来展望/机遇

历史表明并行系统通常比顺序系统更具扩展性。随着加密应用普及，对高性能区块链的需求将持续增长。Vitalik也提到并行化是提升EVM rollups扩展性的潜在方案之一。虽然现有技术还有改进空间，但并行执行为构建能处理海量交易的高效区块链指明了方向。

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