Trong thế giới blockchain, tốc độ và khả năng mở rộng là những thách thức liên tục. Mặc dù an ninh và phi tập trung không thể được thương lượng, khả năng xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây vẫn là ưu tiên hàng đầu của các nhà phát triển. Thực thi song song là một trong những giải pháp hứa hẹn nhất cho vấn đề này. Bằng cách cho phép các giao dịch diễn ra đồng thời, thay vì từng cái một, điều này có khả năng thay đổi cách blockchain xử lý các yêu cầu quy mô lớn.
Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về thực thi song song là gì, cách hoạt động, những thách thức gặp phải, và tại sao nó có thể trở thành yếu tố cốt lõi trong kiến trúc blockchain trong tương lai.
Hiểu về thực thi song song
Để hiểu được thực thi song song, trước tiên chúng ta cần so sánh nó với thực thi tuần tự — chuẩn mực tại hầu hết các mạng blockchain hiện nay.
Trong thực thi tuần tự, các giao dịch được xử lý lần lượt theo thứ tự cố định. Ngay cả khi hai giao dịch không liên quan — ví dụ, một giao dịch chuyển token giữa Alice và Bob trong khi giao dịch khác cập nhật hợp đồng thông minh cho Charlie — mạng lưới vẫn phải xử lý chúng theo thứ tự. Điều này đảm bảo tính xác định nhưng cũng có thể làm chậm quá trình, đặc biệt khi nhu cầu tăng lên.
Thực thi song song thay đổi mô hình này. Thay vì xử lý các giao dịch theo một luồng, blockchain xác định các giao dịch không tương tác với cùng một phần dữ liệu (trạng thái) và thực thi chúng đồng thời. Nếu hai giao dịch độc lập — có nghĩa là không đọc hoặc ghi vào tài khoản, hợp đồng hoặc bộ nhớ giống nhau — thì cả hai có thể chạy an toàn cùng lúc.
Hãy tưởng tượng như CPU hiện nay: bộ vi xử lý lõi đơn chạy một tác vụ tại một thời điểm, trong khi bộ vi xử lý đa lõi chạy nhiều tác vụ đồng thời, từ đó hoàn thành công việc nhanh hơn nhiều.
Tại sao blockchain cần thực thi song song
Blockchain đang đối mặt với tam giác mở rộng: khó khăn trong việc đạt được tính phi tập trung, an toàn và khả năng mở rộng cùng lúc. Mô hình thực thi tuần tự dễ hiểu và an toàn, nhưng rất hạn chế về băng thông giao dịch.
Các blockchain phổ biến như Ethereum xử lý khoảng 15–30 giao dịch mỗi giây (TPS) ở lớp cơ sở. Mặc dù các giải pháp lớp 2 giúp phần nào, chính chuỗi cơ sở vẫn đối mặt với nhu cầu cao, dẫn đến tắc nghẽn mạng và chi phí cao.
Thực thi song song trực tiếp giải quyết những điểm yếu này bằng cách:
Tăng TPS mà không cần thay đổi toàn bộ giao thức
Giảm thời gian xác nhận giao dịch
Tận dụng CPU đa lõi hiện đại và phần cứng hiệu suất cao tốt hơn
Nâng cao hiệu suất lớp cơ sở mà không phải hy sinh tính phi tập trung
Cách hoạt động của thực thi song song
1. Phân tích phụ thuộc
Trước khi thực thi các giao dịch song song, blockchain phải xác định giao dịch nào là độc lập. Điều này thường được thực hiện thông qua phân tích tĩnh dữ liệu giao dịch hoặc bytecode của hợp đồng thông minh. Ví dụ, nếu hai giao dịch thay đổi số dư tài khoản giống nhau, thì hai giao dịch này phải được thực thi theo thứ tự để tránh xung đột.
2. Lập lịch giao dịch
Sau khi các phụ thuộc được xác định, các giao dịch sẽ được nhóm thành các 'batch' các thao tác độc lập. Các batch này có thể được thực thi trên nhiều luồng CPU hoặc thậm chí trên nhiều GPU, tùy thuộc vào thiết kế của chuỗi khối.
3. Quản lý trạng thái
Thực thi song song yêu cầu kiểm soát trạng thái chặt chẽ để tránh xung đột dữ liệu hoặc kết quả không nhất quán. Có hai chiến lược chính:
Kiểm soát cạnh tranh bảo thủ: Các khóa được đặt trên đối tượng trạng thái để chỉ một giao dịch có thể thay đổi nó tại một thời điểm.
Kiểm soát cạnh tranh chủ động: Giao dịch được thực thi mà không cần khóa, nhưng kết quả được xác minh sau đó. Nếu phát hiện xung đột, một giao dịch cụ thể sẽ bị hủy và thực thi lại theo thứ tự.
4. Hỗ trợ Máy ảo (VM)
Nhiều máy ảo blockchain, như EVM của Ethereum, được thiết kế để thực thi tuần tự. Việc triển khai tính song song có thể yêu cầu một máy ảo mới hoặc các cải tiến đáng kể. Ví dụ bao gồm Move VM (được sử dụng trên Aptos và Sui) và Sealevel của Solana, cả hai đều được thiết kế với sự xem xét đến tính đồng thời.
Ví dụ thực tế về thực thi song song
Solana và Sealevel
Máy thực thi Sealevel của Solana là một trong những triển khai thực thi song song tiên tiến nhất trên thực tế. Máy này phân tích các giao dịch để phát hiện các mẫu truy cập tài khoản và lập lịch chạy trên nhiều lõi và GPU khác nhau. Kiến trúc này giúp Solana đạt được hàng nghìn TPS trong điều kiện lý tưởng.
Aptos và Sui (Chuyển VM)
Blockchain này sử dụng ngôn ngữ lập trình Move và VM, được thiết kế để hỗ trợ thực thi song song. VM có thể thực thi các giao dịch một cách dự đoán và quay lại nếu phát hiện xung đột, từ đó đạt được băng thông cao mà không hy sinh an toàn.
Nghiên cứu Ethereum
Ethereum hiện tại đang hoạt động theo thứ tự, nhưng các nghiên cứu về sharding và thực thi song song cho EVM (hoặc VM dựa trên Wasm trong tương lai) vẫn đang tiếp diễn. Các đề xuất như EIP-648 và EVM song song thử nghiệm đang khám phá cách xử lý các giao dịch đồng thời mà vẫn duy trì đảm bảo an toàn của Ethereum.
Lợi ích của thực thi song song
Thực thi song song mang lại nhiều lợi ích cho mạng blockchain:
Băng thông cao: Xử lý hàng nghìn giao dịch mỗi giây mà không cần hạ tầng tập trung.
Độ trễ thấp hơn: Giao dịch được xác nhận nhanh hơn, cải thiện trải nghiệm người dùng.
Tận dụng phần cứng tốt hơn: Có thể tận dụng tối đa CPU và GPU đa lõi.
Tương thích với các chiến lược mở rộng: Hoạt động tốt cùng với sharding, roll-up và pipeline để mở rộng quy mô lớn hơn.
Thách thức về thực thi song song
Mặc dù hứa hẹn, thực thi song song không phải là giải pháp thần kỳ. Thực thi song song cũng có những thách thức riêng:
Phát hiện phụ thuộc phức tạp: Việc xác định các giao dịch nào thực sự độc lập đòi hỏi nhiều tính toán.
Xung đột trạng thái: Nếu hai giao dịch cùng cố gắng thay đổi dữ liệu giống nhau, một trong hai giao dịch phải bị hủy và thử lại, làm chậm hiệu suất.
Yêu cầu tính xác định: Tất cả các nút phải đạt đến trạng thái cuối cùng giống nhau, ngay cả khi thực thi đồng thời.
Hệ quả về an toàn: Việc song song hóa sai có thể cho phép các giao dịch xấu khai thác sự không nhất quán về trạng thái.
Thực thi song song và các công nghệ bổ trợ
Thực thi song song thường đi kèm với các giải pháp mở rộng quy mô khác:
Sharding: Chia trạng thái blockchain thành nhiều 'shard' có thể xử lý giao dịch đồng thời.
Roll-up: Gộp nhiều giao dịch ngoài chuỗi và xử lý chúng trên chuỗi, giảm tải cho lớp cơ sở.
Hợp đồng thông minh an toàn trước cạnh tranh: Hợp đồng có thể được thiết kế để giảm thiểu trạng thái chung, giúp chúng thân thiện hơn với thực thi song song.
Tương lai tiềm năng
Thực thi song song có khả năng trở thành tính năng nền tảng trong các blockchain thế hệ tiếp theo. Cùng với sự gia tăng mức độ phổ biến, các nhà phát triển sẽ tập trung vào:
Phân tích phụ thuộc giao dịch hiệu quả hơn
Mô hình thực thi lai kết hợp song song với pipeline
Máy ảo được thiết kế từ đầu để hỗ trợ đồng thời
Tích hợp với phần cứng tăng tốc (GPU, thực thi FPGA)
Nếu thành công, đổi mới này sẽ đưa blockchain tiến gần hơn đến việc sánh ngang — hoặc thậm chí vượt qua — hiệu suất của các hệ thống tập trung, trong khi vẫn duy trì tính phi tập trung.
Kết luận
Thực thi song song là một bước tiến lớn về khả năng mở rộng của blockchain. Bằng cách xử lý các giao dịch độc lập cùng lúc, blockchain có thể đạt được băng thông cao hơn nhiều, độ trễ thấp hơn và tận dụng hiệu quả hơn các tài nguyên tính toán hiện đại. Mặc dù vẫn còn những thách thức kỹ thuật, các dự án như Solana, Aptos và Sui đã chứng minh rằng thực thi song song là khả thi và hiệu quả trong điều kiện thực tế.
Cùng với việc nghiên cứu không ngừng và ngày càng nhiều blockchain áp dụng công nghệ này, thực thi song song có thể trở thành yếu tố nền tảng trong kiến trúc blockchain, giống như cơ chế đồng thuận chính nó.
