介紹

在數字經濟快速發展的背景下，作為去中心化信任機制代表的區塊鏈技術正逐漸滲透到金融、供應鏈、醫療等行業。然而，傳統的區塊鏈系統常常基於單一線性架構，包括像以太坊這樣的圖靈完備區塊鏈，已越來越難滿足不斷增長的市場需求。它們在可擴展性和交易處理速度方面面臨著嚴重的挑戰。為應對這些問題，區塊鏈並行化技術應運而生，旨在實現多個交易的並行處理。

區塊鏈智能合約交易的並行執行模型（來源：jos.org）

平行化區塊鏈引入了區塊鏈內部的平行處理設計，允許多個交易或智能合約同時處理，而不是按順序進行。這種機制使區塊鏈網絡能夠同時處理更多交易，顯著提高吞吐量並減少交易延遲，因此成為滿足大規模應用需求的核心解決方案。

本文深入探討區塊鏈平行化的核心原則，分析其在實際應用中的優勢和挑戰。它展示了在平行化技術方面領先項目的探索和實踐，旨在為區塊鏈技術未來發展提供寶貴的見解。

技術實施策略

平行執行是一種技術，可以讓多個任務同時運行，已被廣泛應用於數據處理和圖形渲染等領域。將這一概念引入區塊鏈系統有效地減少了交易處理時間，滿足了不斷增長的計算能力需求。

有各種方法可以實現並行處理。一些區塊鏈項目專注於智能合約的並行執行，而其他項目則針對交易驗證和狀態更新的並行化。然而，每種方法在尋求提高網絡效率時都面臨著特定的技術挑戰，其實施細節取決於所選方法。

平行執行與傳統執行路徑 (來源: foresightnews.pro）

狀態訪問 / 樂觀模型

具有並行執行能力的大多數區塊鏈依賴兩種常用方法：狀態訪問方法和樂觀模型。

狀態訪問方法是一種戰略方法，主動識別哪些交易可以訪問區塊鏈狀態的特定部分，從而允許區塊鏈指定獨立交易。相比之下，樂觀模型假設所有交易都是獨立的，只在事後驗證這一假設，並在必要時進行調整。

在狀態訪問模型中，交易執行通常使用樂觀並發控制策略，假設交易不衝突。僅當實際出現衝突時才會發生回滾。這種方法提高了交易吞吐量，改善了用戶體驗，儘管它需要一個精心設計的衝突檢測機制來確保數據一致性和系統安全。

分片架構

分片是並行化區塊鏈的最常見解決方案之一。其核心思想是將區塊鏈網路劃分為多個分片，允許每個分片獨立處理交易和數據。這種設計顯著提高了網路處理能力和可擴充性，解決了傳統區塊鏈的性能瓶頸。目前利用分片技術的專案包括乙太坊2.0，Zilliqa，NEAR協定和QuarkChain。這些專案通過分片有效地解決了區塊鏈的可擴展性問題，提高了網路效率。

當應用於區塊鏈應用時，分片技術通常以以下三種方法實施：

如我們所見，分片技術可以有效地對交易進行分區。儘管每種分片方法在提高可擴展性方面都有其自身的優勢，但它們都面臨著跨分片通信的共同挑戰。持續改進數據一致性算法對於確保系統的整體性能是必要的。

以 TON 的動態分片為例

在分片區塊鏈架構中，TON（The Open Network）由於其“動態分片”設計而脫穎而出。利用“無限分片範例”（ISP），TON可以靈活調整分片數量以應對實時網絡需求，實現高效的分片管理。這種架構展示了顯著的性能潛力，使TON能夠在處理大量交易量和解決傳統區塊鏈所面臨的可擴展性問題時保持高性能。

TON的分片結構由四層鏈組成:

1. AccountChain：與特定帳戶相關聯的交易鏈。通常是一個虛擬概念，AccountChain為每個帳戶提供獨立的交易記錄，確保在特定規則下的鏈式排序和狀態一致性。
2. ShardChain：多個AccountChains的集合，主要負責處理交易和數據。每個ShardChain的獨立性使得每個分片能夠獨立地維護其交易狀態。
3. 工作鏈：由多個可自定義規則的 ShardChain 組成。例如，可以創建基於 EVM 的 WorkChain 以支持特定的智能合約環境。WorkChains 的靈活性允許用戶為特定需求定制鏈結構，但它們的創建需要嚴格的治理流程。
4. MasterChain：TON網絡的核心鏈，為所有ShardChains提供最終性。一旦ShardChain的區塊哈希合併到MasterChain區塊中，該區塊就變得不可變。

TON的獨特分片結構支持跨多個鏈的并行處理，通過MasterChain實現有效的協調（來源：OKX)

在實踐中，TON會根據網絡負載的變化動態調整Shard數量。ShardChains的數量會自動增加或減少，取決於當前負載的大小，從而使網絡能夠高效運作：當負載增加時，TON會優化Shard以處理更多的交易；當負載減少時，Shard會合併以節省資源。通過無限分片范式，TON可以支持幾乎無限的Shard數量，理論上可以達到2的60次方個WorkChains。此外，TON通過自動在交易頻率增加的地區創建更多的Shard來適應，從而提高處理效率。

動態分片設計在很大程度上依賴跨鏈通信。為此，TON引入了超立方體路由算法。基於高維拓撲，該算法為每個WorkChain節點分配了一個唯一標識符，從而使鏈之間的信息通過最短路徑進行傳輸，在大規模分片環境中滿足路由需求。此外，TON還開發了“即時超立方體路由”，利用Merkle Trie根節點提供路由證明，簡化了複雜的跨鏈消息傳遞，增強了通信效率。

結合 PoS 共識機制

與傳統的工作量證明（PoW）機制相比，權益證明（PoS）機制選擇擁有更多代幣的節點參與共識，降低了算力的集中度，最大限度地減少了礦工之間的競爭和能耗。這提高了效率，同時確保了系統安全性和去中心化。乙太坊 2.0 的 PoS 和分片組合是這項技術的典型例子。

具體來說，乙太坊 2.0 將網路劃分為多個分片，並使用 PoS 共識機制在多個驗證者之間分配任務，每個驗證者負責驗證一個分片內的交易，從而顯著提高輸送量。PoS 還通過隨機選擇驗證者來降低任何單個驗證者獲得過度控制的風險，從而增強區塊鏈網路的去中心化性質。在安全性方面，每個分片的驗證由不同的節點組管理，因此攻擊者需要控制多個分片才能發起攻擊，這使得執行 51% 攻擊變得更加困難。這種多層保護機制提高了網路安全性。

同樣地，NEAR Protocol [2] 也結合了 PoS 和分片技術。通過其“Nightshade”協議，NEAR 在並行化的區塊鏈設計中集成了PoS共識，提高了效率，同時使每個分片僅維護其自己的狀態。這不僅確保了全局網絡的一致性，還增強了系統的安全性。

基於計算的並行性

基於計算的並行執行是一個相對較新的概念，旨在通過將複雜的計算任務分解為更小的單元進行並行執行，從而優化區塊鏈處理效率。儘管這種創新模型尚未得到廣泛應用，但其潛在的革命性影響值得注意。

在實踐中，複雜的計算被分配到不同的節點進行並行執行，並在每個節點完成計算後進行聚合。這種方法提高了計算效率，減少了交易延遲，非常適合於計算密集型應用。然而，實施這種方法面臨著一些挑戰，例如確保節點之間的通信效率和實現計算結果的最終一致性。

兩個顯著案例研究

在區塊鏈技術的發展中，乙太坊2.0和Polkadot成為兩個開創性的例子。這些專案處於解決區塊鏈領域關鍵挑戰的最前沿，即可擴展性、安全性和可持續性。讓我們深入研究這兩個開創性的案例。

以太坊 2.0

以太坊 2.0 (Eth2) 是對以太坊 1.0 網絡的重大升級，旨在提高可擴展性、安全性和可持續性。並行執行是實現這些目標的關鍵組成部分。

通過從工作證明（PoW）機制過渡到權益證明（PoS），以太坊 2.0 引入了分片，將整個區塊鏈網絡劃分為更小的“片段”。每個片段可以獨立處理和驗證交易，顯著提高整體吞吐量。此外，以太坊 2.0 允許每個片段維護自己的獨立狀態，進一步提高並行執行效率，減少主鏈的負擔，從而實現更高效的交易處理。最後，以太坊 2.0 納入了高效的跨片段通信機制，以確保數據一致性和不同片段之間的互動，這對於支持複雜的去中心化應用至關重要 [3]。

通過並行處理，預計以太坊 2.0 將大大提高交易處理速度，有效應對不斷增長的用戶需求和多樣的應用場景，尤其是在 DeFi 和 NFT 等領域。總之，通過引入並行執行，以太坊 2.0 不僅實現了技術突破，還為去中心化應用的增長奠定了更堅實的基礎，推進了以太坊網絡在未來的適應性。

乙太坊 2.0 數據分片圖示（來源：sohu.com)

波卡點

Polkadot是一個創新的多鏈網絡協議，旨在實現區塊鏈之間的互操作性和可擴展性。作為一個異質多鏈架構，Polkadot由一個集中化的“中繼鏈”和多個獨立的“平行鏈”組成。每個平行鏈都可以擁有自己的治理和經濟模型，從而實現不同區塊鏈之間的高效通信和數據共享。

Polkadot的設計利用共享安全機制，確保所有的平行鏈都受益於中繼鏈提供的安全性，從而減輕每個單獨的平行鏈的安全負擔。此外，Polkadot採用並行執行技術，允許多個平行鏈同時處理交易，顯著增加了網絡的整體吞吐量。這種並行處理能力使Polkadot能夠有效地應對不斷增長的交易需求，特別是在DeFi、NFT和其他複雜應用場景中 [4]。

Polkadot的跨鏈消息傳遞（XCMP）機制使不同的平行鏈之間能夠無縫互動，為開發者提供更大的創新空間。通過XCMP，開發者可以創建相互連接的去中心化應用程序，進一步促進生態系統的增長。

Polkadot互操作結構（來源：什麼是波爾卡？簡介 - 免疫位元組)

功能比較

以太坊2.0 VS. Polkadot（表格來源：gate Learn）

替代方案

解決區塊鏈可擴展性挑戰仍然是一個重要的研究領域。除了並行執行技術外，還值得探索一些可擴展性的替代解決方案。

第二層解決方案

Layer 2（L2）解決方案是專為擴展區塊鏈容量而設計的。它們的核心是提供一個獨立的執行層，通常由兩部分組成：用於處理交易的網絡和部署在底層區塊鏈上的智能合約。智能合約處理爭議並將L2網絡的共識結果傳遞到主鏈進行驗證和確認。

第2層解決方案提供了独特的优势和技术特点。首先，它们显着提高了可扩展性，因为交易不需要在主链上进行逐个确认。L2可以处理更高的交易量，减轻了第1层网络（如以太坊和比特币）的拥堵，并通过链下处理大幅降低交易费用。尽管大多数操作发生在链下，但L2仍然依赖于主链的安全性，确保最终的交易结果既可信又不可变。

常見的L2解決方案包括狀態通道、Rollups和Plasma。狀態通道允許多個參與者在鏈外頻繁互動，僅在最後提交最終狀態到區塊鏈；比特幣的閃電網絡就是一個典型的例子。Rollups，目前最廣泛採用的L2解決方案，分為樂觀Rollups和zk-Rollups：樂觀Rollups假設交易有效，除非有爭議，而zk-Rollups在提交數據時使用零知識證明確保交易準確性。Plasma是一個框架，允許創建多層子鏈，每個子鏈能夠處理大量的交易。

Layer 2解決方案概述（來源：黑山谷ig.com)

改進共識機制

改善共識機制也是提升區塊鏈可擴展性的有效方法。這包括引入更高效的共識算法（如PoS和BFT）以提高交易處理速度。相比傳統的PoW，這些新的共識機制在交易確認方面更快，並顯著降低能源消耗，更符合可持續發展的要求。

此外，這些機制通過根據驗證者節點持有的令牌等因素來確定區塊生成者，從而加快了共識過程。然而，儘管改進的共識機制有許多優勢，但從現有機制過渡到新機制通常面臨技術挑戰和風險，特別是在過渡期間的兼容性問題和系統不穩定性。一些共識機制還可能導致權力集中，產生“富者愈富”的現象，潛在地威脅到區塊鏈去中心化的核心原則。然而，對於對交易處理效率和能源消耗要求極高的區塊鏈網絡來說，改進共識機制仍然是值得探索的可擴展性解決方案。

PoW vs. PoS 共識機制 (來源: blog.csdn.net）

優化區塊參數

優化區塊參數涉及調整關鍵參數，如區塊大小和區塊時間，以提高區塊鏈處理能力和響應能力。這種方法提供了快速的性能改進，實施相對簡單，實施成本低，非常適合需要快速響應的場景，例如處理流量激增或短期交易激增。

然而，僅依賴參數調整通常影響有限，並且在網絡性能與穩定性之間取得平衡是必要的。過度或極端的參數更改可能會導致網絡擁塞或共識機制衝突。因此，區塊參數優化通常適用於對短期性能需求敏感的情況，例如迅速響應市場變化。

每個擴展性解決方案都最適合不同的使用案例。在選擇適當的擴展性解決方案時，決策者應確保所選解決方案能互補，為行業提供更靈活、更有效的擴展性途徑。

解決方案比較

不同擴容方案的比較（表格來源：gate Learn）

優勢摘要

提高吞吐量

與傳統的序列處理模型相比，並行鏈網路可以實現比順序處理快100倍的交易處理速度（TPS）。例如，Solana的SeaLevel架構[6]在最佳條件下可以處理超過50,000 TPS。雖然實際速度可能會因網絡需求而有所不同，但這種性能遠遠超過了傳統區塊鏈。

隨著網絡流量的快速增長，有效的橫向可擴展性已成為必不可少的。並行化區塊鏈引入多線程並行處理，使區塊鏈網絡能夠隨著用戶需求的增加而擴展。這在高頻交易應用程序（如遊戲和供應鏈）中尤其有益，並行設計使得分散式任務處理能夠保持系統穩定性和響應速度，滿足大規模應用程序的吞吐量需求。

Solana平行處理路徑（來源：blog.slerf.tools）

降低延遲

平行處理獨立交易顯著減少了交易提交到執行的延遲，這在實時數據處理中非常有價值。在需要快速響應的場景中，例如去中心化金融（DeFi），實時交易確認不僅提升了用戶體驗，還減少了與延遲相關的交易風險和系統負載壓力。

例如，Sui的並行執行模型引入了一種創新機制，允許不需要複雜共識的簡單交易繞過共識機制，大大縮短確認時間。與傳統的串行處理相比，這種並行設計支持實時交易執行，這對於維持系統穩定性和流暢的用戶體驗至關重要。

隨著跨鏈通信協議和新的並行執行技術不斷演進，區塊鏈網絡將實現更高效的運行模式。低延遲和高吞吐量也將成為市場競爭力的關鍵指標。

優化資源利用

在傳統的區塊鏈中，交易是按順序進行處理，大部分時間只有一個節點進行操作，其他節點則等待，導致資源閒置。並行技術可以讓多個驗證者和處理器核心同時工作，打破單個節點的處理瓶頸，最大化網絡資源的效率。

資源利用的這種優化不僅在交易處理過程中消除了“閒置期”，還顯著提升了整體網絡性能，特別是在高負載條件下，使網絡能夠以較低的延遲處理更多的交易請求。

降低交易成本

與傳統的順序處理不同，並行執行通過精細的市場管理和優化資源分配實現更靈活、高效的跨市場交易執行，從而顯著降低智能合約執行的計算負載，進而降低 gas 費用。此設計最大程度地利用網絡資源，避免了單任務排隊所造成的計算資源浪費。

通過合理的負載分配，資源可以有效地分配，因此驗證者和處理節點無需處理冗余數據，從而為開發人員和用戶提供更經濟的區塊鏈交易環境。

Sei Network對社交媒體並行執行的解釋（來源：x）

風險分析

安全風險

分片將區塊鏈分成多個獨立的分片，這可以讓攻擊者專注於特定的分片以控制它。如果攻擊者成功捕獲一個分片，他們可以操縱其中的交易和數據，對網絡的整體安全構成嚴重威脅。這種局部控制可能導致不當操作、數據篡改，並可能加劇對其他分片的攻擊，損害整個區塊鏈的完整性和可信度。

此外，跨片段通信的安全性至關重要。如果跨片段通信不安全，可能導致數據丟失、篡改或傳輸錯誤，從而在系統內造成潛在的信任問題。

技術複雜度

跨片交易需要在不同片協調狀態數據，以確保交易的原子性。為了防止由於延遲或網絡問題而導致交易失敗，開發人員還需要優化消息傳遞和狀態同步機制。

這個挑戰不僅增加了系統設計的複雜性，還要求合約邏輯內部採用新策略來處理潛在的錯誤和不一致性。成功執行跨分片智能合約不僅取決於底層區塊鏈的技術能力，還取決於在合約設計中實施更複雜的策略，以確保在分片環境中順利高效地執行。

互操作性不足

目前的平行區塊鏈技術缺乏標準化，不同平台採用不同的技術和協議。這種多樣性導致共識機制、數據結構和協議層存在顯著差異。雖然這種多樣性推動了創新，但也顯著降低了不同區塊鏈之間的互操作性，使跨鏈操作變得更加複雜和困難。

互操作性的缺乏不僅限制了不同區塊鏈之間資產的自由流動，還可能帶來安全風險，例如在跨鏈操作中可能造成資產損失。因此，解決並行執行的互操作性風險需要技術創新和標準化，以及行業內的廣泛合作，建立一個更強大的生態系統。

未來建議

並行區塊鏈的未來研究應該專注於優化跨分片通信。

行業應積極探索標準化協議和互操作性框架，以確保跨分片的數據一致性和準確的交易處理，促進無縫系統集成和資源共享，從而增強區塊鏈生態系統內的協同效應。此外，安全性仍然是分片優化的關鍵方面，未來的研究應該開發更強大的安全模型，以抵禦惡意攻擊並融入零知識證明和同態加密等新興技術，以增強鏈上的隱私和互操作性。

關於應用程式擴展，已經有成功的案例研究可供借鑒。例如，Uniswap通過並行處理顯著提高了回應能力，從而降低了交易成本並優化了跨境支付流程。不同行業應探索多元化的平行鏈應用，以釋放其在各個領域的價值。這將有助於為高效、透明和可持續的技術開發環境奠定堅實的基礎，加速數字化轉型，支援更高效的數字經濟未來。

- 參考資料

1.https://foresightnews.pro/article/detail/34400
2.https://pages.near.org/papers/nightshade/
3.https://www.sohu.com/a/479352768_121118710
4..https://www.immunebytes.com/blog/what-is-polkadot-a-brief-introduction/
5.https://blackmountainig.com/overview-of-layer-2-scaling-solutions/
6.https://www.sealevel.com/