In der Blockchain-Welt sind Geschwindigkeit und Skalierbarkeit ständige Herausforderungen. Obwohl Sicherheit und Dezentralisierung nicht verhandelbar sind, bleibt die Fähigkeit, Tausende von Transaktionen pro Sekunde zu verarbeiten, eine Hauptpriorität für Entwickler. Die parallele Ausführung ist eine der vielversprechendsten Lösungen für dieses Problem. Indem Transaktionen gleichzeitig und nicht nacheinander ausgeführt werden, könnte dies potenziell die Art und Weise verändern, wie Blockchain mit großangelegten Anforderungen umgeht.

Dieser Artikel wird detailliert erläutern, was parallele Ausführung ist, wie sie funktioniert, welche Herausforderungen sie hat und warum sie eine Kernfunktion der Blockchain-Architektur in der Zukunft sein könnte.

Verständnis der parallelen Ausführung

Um parallele Ausführung zu verstehen, müssen wir sie zuerst mit der sequentiellen Ausführung vergleichen, die in den meisten aktuellen Blockchain-Netzwerken Standard ist.

Bei der sequentiellen Ausführung werden Transaktionen nacheinander in einer festen Reihenfolge verarbeitet. Selbst wenn zwei Transaktionen nicht miteinander verbunden sind — zum Beispiel, wenn eine Transaktion Token zwischen Alice und Bob sendet, während die andere einen Smart Contract für Charlie aktualisiert — wird das Netzwerk sie dennoch sequentiell abarbeiten. Dies gewährleistet Determinismus, kann aber auch den Prozess verlangsamen, insbesondere bei steigendem Bedarf.

Parallele Ausführung verändert dieses Modell. Anstatt Transaktionen in einem Thread zu verarbeiten, identifiziert die Blockchain Transaktionen, die nicht mit denselben Daten (Status) interagieren, und führt sie gleichzeitig aus. Wenn zwei Transaktionen unabhängig sind — das heißt, sie lesen oder schreiben nicht in dasselbe Konto, denselben Vertrag oder denselben Speicher — können beide sicher zur gleichen Zeit ausgeführt werden.

Stellen Sie sich moderne CPUs vor: Ein einzelner Kernprozessor führt eine Aufgabe zur gleichen Zeit aus, während ein doppelter Kernprozessor viele Aufgaben parallel ausführt, wodurch die Arbeit viel schneller erledigt wird.

Warum Blockchain parallele Ausführung benötigt

Blockchain steht vor dem Skalierungstrilemma: Die Schwierigkeit, Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit gleichzeitig zu erreichen. Das Modell der sequentiellen Ausführung ist leicht verständlich und sicher, beschränkt jedoch stark den Transaktionsdurchsatz.

Beliebte Blockchains wie Ethereum verarbeiten etwa 15–30 Transaktionen pro Sekunde (TPS) in ihrer Basisschicht. Obwohl Layer-2-Lösungen helfen, steht die Basisschicht selbst weiterhin unter hohem Druck, was zu Netzwerküberlastungen und hohen Kosten führt.

Die parallele Ausführung geht diese Problemstellen direkt an, indem sie:

  • Erhöhung des TPS, ohne eine umfassende Protokollüberholung zu benötigen

  • Reduzierung der Bestätigungszeit für Transaktionen

  • Bessere Nutzung moderner Multi-Core-CPUs und Hochleistungs-Hardware

  • Die Leistung der Basisschicht steigern, ohne die Dezentralisierung zu opfern

Funktionsweise der parallelen Ausführung

1. Analyse der Abhängigkeiten

Bevor Transaktionen parallel ausgeführt werden, muss die Blockchain bestimmen, welche Transaktionen unabhängig sind. Dies geschieht oft durch statische Analyse der Transaktionsdaten oder des Bytecodes der Smart Contracts. Wenn zum Beispiel zwei Transaktionen den gleichen Kontostand ändern, müssen diese nacheinander ausgeführt werden, um Konflikte zu vermeiden.

2. Transaktionsplanung

Sobald die Abhängigkeiten kartiert sind, werden die Transaktionen in "Batch" unabhängiger Operationen gruppiert. Diese Batches können auf verschiedenen CPU-Threads oder sogar auf verschiedenen GPUs ausgeführt werden, je nach dem Design der Blockchain.

3. Zustandsmanagement

Parallele Ausführung erfordert strenge Statuskontrollen, um Datenkonkurrenz oder inkonsistente Ergebnisse zu verhindern. Es gibt zwei Hauptstrategien:

  • Pessimistische Konkurrenzkontrolle: Schlösser werden auf Statusobjekte gesetzt, sodass nur eine Transaktion sie zu einem Zeitpunkt modifizieren kann.

  • Optimistische Konkurrenzkontrolle: Transaktionen werden ohne Schlösser ausgeführt, aber die Ergebnisse werden danach validiert. Wenn Konflikte festgestellt werden, wird eine bestimmte Transaktion abgebrochen und sequentiell erneut ausgeführt.

4. Unterstützung virtueller Maschinen (VM)

Viele virtuelle Maschinen von Blockchains, wie die Ethereum EVM, sind für sequentielle Ausführung konzipiert. Die Implementierung von Parallelität kann eine neue VM oder signifikante Upgrades erfordern. Beispiele hierfür sind die Move VM (verwendet in Aptos und Sui) und Sealevel Solana, die beide mit Blick auf die Konkurrenz konzipiert wurden.

Reale Beispiele für parallele Ausführung

Solana und Sealevel

Die Sealevel Solana Ausführungsmaschine ist eine der fortschrittlichsten Implementierungen paralleler Ausführung in der realen Welt. Diese Maschine analysiert Transaktionen, um Muster des Kontozugriffs zu erkennen und sie auf verschiedenen Kernen und GPUs zu planen. Diese Architektur hilft Solana, in idealen Bedingungen Tausende TPS zu erreichen.

Aptos und Sui (Move VM)

Diese Blockchain verwendet die Programmiersprache Move und eine VM, die mit Blick auf parallele Ausführung entwickelt wurde. Die VM kann Transaktionen spekulativ ausführen und Konflikte bei ihrer Entdeckung zurückrollen, wodurch ein hoher Durchsatz ohne Kompromisse bei der Sicherheit erzielt wird.

Ethereum-Forschung

Ethereum läuft derzeit sequentiell, aber die Forschung zu Sharding und paralleler Ausführung für EVM (oder zukünftige Wasm-basierte VMs) geht weiter. Vorschläge wie EIP-648 und experimentelle parallele EVM erkunden Möglichkeiten, Transaktionen gleichzeitig zu verarbeiten und gleichzeitig die Sicherheitsgarantien von Ethereum aufrechtzuerhalten.

Vorteile der parallelen Ausführung

Parallele Ausführung bietet verschiedene Vorteile für Blockchain-Netzwerke:

  • Hoher Durchsatz: Tausende von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten, ohne zentrale Infrastruktur zu benötigen.

  • Geringere Latenz: Transaktionen werden schneller bestätigt, was das Benutzererlebnis verbessert.

  • Bessere Nutzung von Hardware: Multi-Core-CPUs und GPUs können vollständig ausgenutzt werden.

  • Kompatibilität mit Skalierungsstrategien: Funktioniert gut zusammen mit Sharding, Roll-ups und Pipelining für größere Skalierbarkeit.

Herausforderungen der parallelen Ausführung

Obwohl vielversprechend, ist parallele Ausführung keine Allheilmittel. Parallele Ausführung hat ihre eigenen Herausforderungen:

  • Erkennung komplexer Abhängigkeiten: Zu bestimmen, welche Transaktionen tatsächlich unabhängig sind, erfordert viel Rechenleistung.

  • Statuskonflikte: Wenn zwei Transaktionen versuchen, dieselben Daten zu ändern, muss eine der Transaktionen abgebrochen und erneut versucht werden, was die Leistung verlangsamt.

  • Anforderungen an die Deterministik: Alle Knoten müssen denselben Endstatus erreichen, selbst bei gleichzeitiger Ausführung.

  • Sicherheitsimplikationen: Falsche Parallelisierung kann es bösartigen Transaktionen ermöglichen, Inkonsistenzen im Status auszunutzen.

Parallele Ausführung und ergänzende Technologien

Parallele Ausführung wird oft zusammen mit anderen Skalierungslösungen durchgeführt:

  • Sharding: Den Blockchain-Status in mehrere "Shards" aufteilen, die Transaktionen parallel verarbeiten können.

  • Roll-up: Viele Transaktionen außerhalb der Kette kombinieren und sie in der Kette abschließen, um die Belastung der Basisschicht zu reduzieren.

  • Smart Contracts, die gegen Konkurrenz sicher sind: Verträge können so gestaltet werden, dass sie den gemeinsamen Status minimieren, was sie paralleler macht.

Zukunftsperspektiven

Parallele Ausführung wird wahrscheinlich eine grundlegende Funktion der nächsten Generation von Blockchains sein. Mit der zunehmenden Akzeptanz werden sich die Entwickler auf Folgendes konzentrieren:

  • Effizientere Analyse der Transaktionsabhängigkeiten

  • Hybrides Ausführungsmodell, das Parallelität mit Pipelining kombiniert

  • VM, die von Grund auf für Konkurrenz konzipiert sind

  • Integration mit Hardwarebeschleunigung (GPU, FPGA-Ausführung)

Wenn sie erfolgreich ist, wird diese Innovation die Blockchain näher bringen, um die Leistung zentralisierter Systeme zu erreichen — oder sogar zu übertreffen — während die Dezentralisierung erhalten bleibt.

Fazit

Parallele Ausführung stellt einen signifikanten Fortschritt in der Skalierbarkeit von Blockchains dar. Durch die gleichzeitige Verarbeitung unabhängiger Transaktionen kann die Blockchain eine viel höhere Durchsatzrate, niedrigere Latenzzeiten und eine bessere Ausnutzung moderner Rechenressourcen erreichen. Obwohl technische Herausforderungen bestehen, zeigen Projekte wie Solana, Aptos und Sui, dass parallele Ausführung in der realen Welt machbar und effektiv ist.

Da die Forschung weitergeht und immer mehr Blockchains diese Technologien übernehmen, könnte parallele Ausführung zu einem grundlegenden Bestandteil der Blockchain-Architektur werden, ebenso wie der Konsensmechanismus selbst.