Qu'est-ce que la parallélisation dans la blockchain ?

La parallélisation implique l'exécution de plusieurs tâches ou processus simultanément dans une blockchain, ce qui permet un traitement des transactions plus rapide et plus efficace et permet de traiter les transactions simultanément sur plusieurs nœuds ou cœurs de calcul, améliorant ainsi de manière significative les performances du réseau.

Étant donné que la demande d'applications basées sur la blockchain ne cesse de croître dans de nombreux secteurs, la capacité à traiter les transactions rapidement et efficacement est devenue une préoccupation majeure pour les développeurs. La parallélisation améliore non seulement le débit des transactions et réduit la latence, mais elle jette également les bases de solutions évolutives capables de prendre en charge un large éventail de cas d'utilisation. L'utiliser présenterait donc de nombreux avantages.

Qu'est-ce que la parallélisation ?

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La parallélisation est l'exécution simultanée de plusieurs tâches ou processus, ce qui permet d'améliorer l'efficacité et la rapidité des systèmes informatiques. Pour la technologie blockchain, elle implique le traitement des transactions simultanément, plutôt que séquentiellement, sur différents nœuds ou cœurs d'un réseau crypté. En décomposant les tâches liées au traitement des transactions en unités indépendantes plus petites, elles peuvent être exécutées simultanément sur plusieurs unités de traitement ou nœuds.

Cette approche utilise les capacités de traitement parallèle inhérentes au matériel moderne, telles que les processeurs multicœurs, pour effectuer des calculs simultanément, accélérant ainsi le débit global des transactions. Dans un modèle d'exécution parallèle, les transactions sont divisées en fils ou processus distincts, chacun étant attribué à un cœur de traitement ou à un nœud différent. Ces fils de discussion exécutent ensuite leurs tâches respectives indépendamment, sans attendre la fin des autres fils de discussion.

En répartissant la charge de travail entre plusieurs unités de traitement, la parallélisation minimise les goulots d'étranglement et maximise l'utilisation des ressources, ce qui permet d'accélérer le traitement des transactions et d'améliorer l'efficacité du système. De plus, des mécanismes de coordination sophistiqués sont utilisés pour gérer les dépendances entre les transactions simultanées et garantir la cohérence et l'intégrité des données tout au long du processus d'exécution parallèle.

Cela signifie que la parallélisation permet aux réseaux blockchain d'atteindre des niveaux plus élevés d'évolutivité, de réactivité et de performances, améliorant ainsi l'expérience utilisateur et élargissant les applications potentielles des technologies décentralisées.

Cela contraste avec le traitement séquentiel traditionnel, dans lequel les transactions sont exécutées les unes après les autres, ce qui peut entraîner des blocages et des inefficacités à mesure que la demande augmente. Bien que ces méthodes de traitement aient été très utiles pour jeter les bases des premières architectures blockchain, elles se heurtent à de nombreux obstacles à mesure que cette technologie évolue et est de plus en plus adoptée.

Les défis tels que les problèmes d'évolutivité, le débit limité, la congestion, les retards et les frais de transaction élevés s'aggravent en raison de la complexité croissante et de la demande de réseaux blockchain.

Les inefficacités inhérentes au traitement séquentiel entravent l'évolutivité et l'efficacité des écosystèmes de chaînes de blocs, entravant ainsi leur capacité à prendre en charge un large éventail de cas d'utilisation et d'applications.

Les défis du traitement séquentiel dans la blockchain

Les réseaux blockchain traditionnels, tels qu'Ethereum, se sont appuyés sur des méthodes de traitement séquentielles pour valider et ajouter des transactions à leur blockchain. Il présente toutefois certaines limites, telles que :

Contraintes de débit et d'évolutivité limitées du système

Bien que cette approche ait efficacement garanti l'intégrité des transactions et le consensus du réseau, elle a également imposé des limites importantes au débit et à l'évolutivité du système. Cela signifie qu'à mesure que les volumes de transactions augmentent, le modèle de traitement séquentiel a du mal à répondre à la demande croissante, ce qui, à son tour, affecte directement la capacité du réseau à gérer une activité croissante, entravant ainsi son évolutivité et son potentiel de croissance.

La nature séquentielle du traitement signifie que les transactions doivent être exécutées les unes après les autres, ce qui entraîne une progression linéaire de plus en plus tendue à mesure que l'utilisation du réseau s'intensifie. À mesure que le nombre de transactions en attente de traitement augmente, la capacité du système à les traiter diminue, ce qui entraîne des encombrements et des retards.

Congestion accrue, retards dans les transactions et hausse des frais d'essence

Les limites inhérentes au traitement séquentiel contribuent à l'engorgement des réseaux blockchain, ce qui entraîne des retards de transaction importants et une hausse des frais de transaction. Au fur et à mesure que les transactions s'accumulent dans le mempool en attente de confirmation, les utilisateurs proposent souvent des frais plus élevés pour donner la priorité à leurs transactions.

Cet appel d'offres pour la hiérarchisation des priorités aggrave le problème des coûts de transaction élevés alors que les utilisateurs se battent pour figurer dans le bloc suivant. Par conséquent, les frais de transaction sont gonflés, ce qui a un impact sur la volonté des utilisateurs de participer au réseau et nuit à l'expérience utilisateur globale.

Une autre conséquence est que les retards de transaction dus à la congestion aggravent encore la situation, car les utilisateurs sont susceptibles d'être frustrés et mécontents des performances du réseau. Ces retards entravent l'adoption de la technologie blockchain pour les applications en temps réel ou à volume élevé et portent atteinte au principe de base d'un accès équitable aux ressources de la blockchain.

Exécution parallèle dans la blockchain

L'exécution parallèle dans la blockchain implique de passer du modèle de traitement séquentiel traditionnel à une approche dynamique et simultanée. Cette évolution permet aux réseaux blockchain de traiter les transactions simultanément de manière à ce que les utilisateurs puissent bénéficier de différents avantages en termes d'efficacité, d'évolutivité et de performances.

Contrairement au traitement séquentiel, qui exécute les transactions les unes après les autres, l'exécution parallèle permet de traiter plusieurs transactions en même temps, comme si vous aviez plusieurs voies parallèles sur une route, pour reprendre une figure de style.

En autorisant le traitement parallèle, les réseaux blockchain peuvent améliorer de manière significative le débit des transactions, réduire la latence et améliorer l'efficacité du réseau.

Aujourd'hui, en ce qui concerne les processeurs modernes des ordinateurs, ils sont équipés de plusieurs cœurs capables d'exécuter des threads simultanément, ce qui augmente considérablement la puissance de calcul. En suivant cet exemple, les réseaux blockchain peuvent augmenter le débit des transactions et la vitesse de traitement. Contrairement au traitement séquentiel traditionnel, qui n'utilise qu'un seul thread pour l'exécution des transactions, l'exécution parallèle permet de distribuer les transactions sur plusieurs cœurs, ce qui permet un traitement simultané.

Les défis de l'évolutivité

L'évolutivité représente depuis longtemps un défi pour les réseaux blockchain, d'autant plus que les volumes de transactions et les frais de gaz continuent d'augmenter. Les méthodes de traitement séquentiel ont du mal à répondre à la demande croissante, ce qui entraîne une congestion du réseau, des retards de transaction et une hausse des frais.

L'exécution parallèle offre une solution prometteuse à ces problèmes d'évolutivité en permettant le traitement simultané des transactions. Cette fonctionnalité permet de réduire la congestion, de réduire les délais de transaction et d'améliorer l'évolutivité et l'efficacité globales des réseaux blockchain.

Bien que cette technologie constitue une solution prometteuse pour améliorer l'efficacité du traitement des transactions sur les réseaux blockchain, elle pose également des problèmes d'évolutivité qui doivent être relevés avec soin :

• Complexité de la coordination : L'exécution parallèle nécessite des mécanismes de coordination sophistiqués pour garantir que les transactions simultanées n'entrent pas en conflit ou n'entraînent pas d'incohérences dans le registre de la blockchain.

La coordination des transactions sur plusieurs nœuds d'un réseau décentralisé présente des complexités, telles que la gestion des dépendances entre les transactions et la résolution des conflits liés à l'accès simultané à des ressources partagées.

• Surcharge liée à la synchronisation : Le fait de parvenir à un consensus entre les nœuds qui traitent les transactions en parallèle alourdit le système, ce qui peut avoir un impact sur les performances et l'évolutivité.

Des mécanismes de synchronisation, tels que des verrous ou des opérations atomiques, sont souvent nécessaires pour préserver l'intégrité des données et éviter les conditions de course. Cependant, une utilisation excessive de la synchronisation peut entraîner des blocages et réduire les avantages de la parallélisation.

• Conflit de ressources : à mesure que le nombre de transactions simultanées augmente, des conflits de ressources peuvent survenir, en particulier en ce qui concerne les ressources partagées telles que la mémoire ou la bande passante réseau. La concurrence pour les ressources peut entraîner des inefficacités et dégrader les performances globales du système, limitant ainsi l'évolutivité de l'exécution parallèle.
• Évolutivité des algorithmes de consensus : L'évolutivité des algorithmes de consensus, tels que la preuve de travail ou la preuve de participation, peut également poser des problèmes en matière d'exécution parallèle. La coordination de l'accord entre plusieurs nœuds sur la validité des transactions traitées simultanément nécessite un examen attentif de la conception du protocole consensuel afin de garantir l'évolutivité et de préserver la sécurité du réseau.

En concevant des modèles d'exécution parallèle pour réduire les frais de coordination, minimiser les conflits de ressources et améliorer l'évolutivité du consensus, les réseaux blockchain peuvent bénéficier de la parallélisation tout en garantissant l'évolutivité et l'efficacité du traitement des transactions.

Sui, Aptos et Solana ont développé des modèles d'exécution parallèle pour améliorer l'efficacité du traitement des transactions sur la blockchain. Ces modèles visent à améliorer le débit et l'évolutivité du réseau.

Sui et Aptos utilisent des approches innovantes pour l'exécution simultanée de transactions, permettant de traiter simultanément des transactions qui n'entrent pas en conflit les unes avec les autres. Cela est rendu possible par leurs mécanismes de consensus et leurs cadres d'exécution uniques, qui classent et traitent les transactions en parallèle, améliorant ainsi l'efficacité du système.

Solana réalise un traitement parallèle grâce à son Proof of History (PoH) et au runtime Sealevel. PoH établit un ordre vérifiable des événements, permettant aux nœuds de se mettre d'accord sur la séquence des événements sans communication en temps réel, ce qui réduit les frais généraux. Sealevel permet à des contrats intelligents de s'exécuter en parallèle sur différents composants matériels, maximisant ainsi l'utilisation des ressources informatiques. Cette approche permet à Solana de traiter des milliers de transactions par seconde, répondant ainsi aux défis d'évolutivité liés à la technologie blockchain.

Sui, par exemple, adopte une approche du parallélisme centrée sur les objets, en segmentant l'état de la blockchain en objets discrets qui peuvent être gérés indépendamment et en parallèle. Cette architecture minimise les contentieux liés aux transactions et accélère les délais de traitement des transactions, améliorant ainsi la capacité du réseau à gérer simultanément un plus grand volume de transactions.

De même, Aptos introduit un mécanisme de consensus appelé Block-STM (Software Transactional Memory), qui facilite l'exécution simultanée de transactions tout en conservant les propriétés ACID cruciales pour les transactions de base de données. En séquençant stratégiquement les transactions au sein d'un bloc et en résolvant efficacement les conflits ou les dépendances en temps réel, Aptos améliore considérablement le débit et l'évolutivité du réseau.

Les défis de la parallélisation

La parallélisation introduit le risque d'incohérences dans les registres, telles que la double dépense ou la modification de l'ordre des transactions, ce qui peut porter atteinte à l'intégrité et à la sécurité des réseaux blockchain. De plus, la coordination de transactions simultanées est complexe, car s'assurer que les transactions n'entrent pas en conflit nécessite des mécanismes de coordination avancés et des algorithmes complexes. Ces défis soulignent l'importance de développer des solutions robustes pour préserver l'intégrité des registres malgré l'augmentation du débit.

Un autre défi en matière d'accessibilité du réseau est qu'il nécessite des ressources informatiques, en particulier pour les réseaux les moins riches en ressources. Les stratégies de gestion des demandes en ressources informatiques incluent l'optimisation des algorithmes et de l'infrastructure afin d'utiliser efficacement les ressources disponibles, ainsi que la garantie de l'accessibilité du réseau en prenant en charge un large éventail d'appareils et de configurations réseau et en minimisant les obstacles à l'entrée pour les participants au réseau.

Maximiser les avantages de la parallélisation

Trouver un moyen d'équilibrer l'innovation technique et l'allocation des ressources peut être très important pour maximiser les avantages de la parallélisation tout en visant à atténuer les défis associés.

Cela nécessite une approche stratégique qui donne la priorité à l'investissement dans la recherche et le développement afin de stimuler l'innovation technique tout en garantissant une allocation efficace des ressources afin de soutenir le traitement parallèle et la collaboration grâce au partage des connaissances au sein de la communauté blockchain. Cette approche peut contribuer à faciliter le développement des meilleures pratiques pour relever efficacement les défis de la parallélisation.

Perspectives d'avenir

À l'avenir, l'avenir de la parallélisation de la blockchain est prometteur pour améliorer le paysage des technologies décentralisées. Alors que les nouveaux modèles continuent de progresser et que des solutions innovantes sont développées pour relever les défis existants, la capacité des réseaux blockchain à atteindre de nouveaux niveaux d'évolutivité, d'efficacité et d'interopérabilité devient encore plus tangible.

Au fur et à mesure que les techniques de parallélisation arriveront à maturité et seront largement adoptées, elles devraient permettre de relever certains des défis d'évolutivité que peut poser l'adoption généralisée de la technologie blockchain.

En répartissant les tâches de traitement des transactions sur plusieurs nœuds ou cœurs de traitement, la parallélisation peut augmenter de manière significative la capacité des réseaux blockchain à gérer des volumes de transactions croissants sans sacrifier les performances ni la décentralisation. De la finance décentralisée (DeFi) aux jetons non fongibles (NFT) en passant par la gestion de la chaîne d'approvisionnement et l'identité numérique, cela peut ouvrir de nouvelles possibilités et stimuler l'innovation dans un grand nombre de secteurs.

En permettant des transactions blockchain plus rapides et plus efficaces, la parallélisation peut améliorer les fonctionnalités et la facilité d'utilisation des applications décentralisées, les rendant ainsi plus accessibles aux utilisateurs comme aux entreprises.

Les principaux défis tels que la gestion des incohérences des registres, la coordination des transactions simultanées et l'équilibre des demandes en ressources informatiques doivent être relevés par le biais de recherches, de collaborations et d'innovations continues. En outre, il sera essentiel de veiller à ce que les techniques de parallélisation soient mises en œuvre de manière sécurisée, fiable et durable pour renforcer la confiance dans les réseaux blockchain.

Conclusion

L'adoption de l'exécution parallèle constitue une avancée révolutionnaire dans le domaine de la technologie blockchain. Il offre des opportunités sans précédent d'améliorer l'efficacité et l'évolutivité du traitement des transactions.

Les incohérences des registres, les complexités de coordination et les demandes en ressources de calcul doivent être gérées avec soin afin de garantir l'intégrité, la sécurité et l'accessibilité des réseaux blockchain. Néanmoins, ces défis peuvent être surmontés grâce à la planification stratégique, à l'innovation technique et à la collaboration au sein de la communauté blockchain.