Паралельні транзакції: як крипта вчиться працювати з десятками тисяч операцій одночасно

Історично блокчейни побудовані на принципі суворо послідовних транзакцій, де кожна операція повинна бути перевірена і підтверджена кожним з учасників мережі.

Це забезпечує безпеку і консенсус, але вимагає колосальних ресурсів: величезної обчислювальної потужності, високого енергоспоживання (особливо в PoW мережах), створюючи при цьому «вузьке горло» за рівнем TPS (кількості транзакцій в секунду). У таких умовах навіть великі мережі, як Bitcoin і Ethereum, залишаються обмеженими за продуктивністю. Вони обробляють лише десятки транзакцій в секунду, що не можна порівняти з масштабами традиційних фінансових систем (Visa, Mastercard).

Щоб вийти за рамки «односмугового руху», розробники звернулися до ідеї паралельних транзакцій. Сенс простий: не вибудовувати операції в чергу, а розділяти їх і обробляти одночасно, що дає шанс перетворити блокчейн на глобальні системи, здатні витримати навантаження мільйонів користувачів.

Історичний контекст проблеми

Коли з'явився Bitcoin, його архітектура була революційною, але «прямою»: кожна транзакція повинна виконуватися строго по порядку, одна за одною. Це забезпечувало прозорість і безпеку, проте був і зворотний ефект: пропускна здатність мережі залишалася мінімальною. На практиці Bitcoin і досі може обробляти лише ~7 транзакцій на секунду, що робить його непридатним для масових сценаріїв.

Ethereum успадкував ту ж модель послідовності, але збільшив її складність, додавши смарт-контракти. Тепер блокчейн обробляв не тільки перекази, але й цілі програми – DeFi-протоколи, NFT-маркетплейси. Навантаження на мережу зросло в рази, а проблема обмеженої пропускної здатності стала ще гострішою: проста хвиля активності може перевантажити мережу і зробити комісії непідйомними.

Відповіддю на цей виклик стали Layer-2 рішення – додаткові мережі поверх базового блокчейну, які розвантажували його, обробляючи транзакції швидше і дешевше. Але ці спроби обійти обмеження послідовної архітектури показали: блокчейн можна прискорювати, але цього недостатньо для майбутнього. Потрібен новий принцип роботи – не обхід проблеми черги, а її перебудова. Так з'явилася ідея паралельності.

Технологічні підходи до паралельності

Розмови про паралельність почалися вже в перші роки після запуску Ethereum. Якщо Bitcoin сприймався як система виключно для переказів, то Ethereum з його смарт-контрактами зіткнувся з лавиною навантажень. Черги і комісії зростали, і стало очевидно: послідовна модель не витримує масового використання.

Перші ідеї концентрувалися навколо шардінгу – поділу мережі на кілька незалежних сегментів, які могли б працювати паралельно і синхронізуватися лише за необхідності. Вперше цей термін активно обговорювався на форумах Ethereum вже в 2015–2016 роках, але його реалізація виявилася занадто складною.

Концепція паралельності може застосовуватися на різних рівнях:

• На рівні транзакцій – незалежні перекази або дії виконуються одночасно (наприклад, відправлення токенів різним одержувачам).
• На рівні блоків – різні вузли можуть формувати і обробляти блоки паралельно, а потім об'єднувати їх в один ланцюг (до чого найближче шардінг).
• На рівні смарт-контрактів – частини одного додатка або незалежні контракти можуть працювати одночасно, якщо їх стан не перетинається.

Ключові виклики паралелізації

Але хоч ідея паралельності здавалася простішою, ніж шардінг, на практиці вона мала кілька ключових викликів:

1. Визначення залежностей. Головна складність полягає в тому, щоб зрозуміти, які операції можна виконувати одночасно, а які обов'язково повинні йти строго по порядку. Якщо дві транзакції звертаються до одних і тих же даних (наприклад, змінюють баланс одного облікового запису), їх паралельне виконання призведе до конфлікту. Неправильне визначення може викликати помилки і неузгодженість блокчейну.
2. Узгодженість стану. Навіть при коректному розпаралелюванні важливо, щоб всі вузли в результаті прийшли до одного і того ж результату. Будь-яка розбіжність станів між нодами підриває сам принцип блокчейну, як єдиного джерела істини. Тому механізми паралельності повинні бути вбудовані в консенсус так, щоб результат завжди був детермінованим і однаковим для всіх.
3. Баланс між швидкістю, захистом і децентралізацією. Паралельність обіцяє зростання продуктивності, але занадто агресивна оптимізація може вдарити по інших основах блокчейну. Занадто суворі обмеження для залежних транзакцій уповільнюють мережу, занадто вільна оптимістична модель загрожує помилками і відкатами, а надмірна централізація «розподільника» суперечить самому духу децентралізованих систем. Завдання розробників – знайти золоту середину, де мережа залишається швидкою, безпечною і стійкою до атак.

Найпопулярнішими варіантами вирішення цих викликів стали дві концепції:

• Оптимістична паралелізація – система виконує транзакції паралельно, а потім перевіряє, чи не виникло конфліктів. Якщо він знайдений (дві транзакції намагалися змінити один ресурс), частина операцій виконується повторно.
• Розпаралелювання доступу до стану – кожна операція заздалегідь повідомляє, з якими акаунтами або об'єктами вона буде працювати. Вузли можуть безпечно виконувати ті транзакції, чиї набори даних не перетинаються. Такий підхід знижує ймовірність конфліктів і економить ресурси, але вимагає точності.

Ці способи по-різному вирішують проблему залежності даних, узгодженості стану та балансу між швидкістю, безпекою та децентралізацією. 

Як блокчейни вирішують завдання паралельності

У 2020-х роках проблема масштабованості стала однією з головних тем в індустрії. І тоді з'явилися нові гравці, які спочатку закладали паралельність в архітектуру. На відміну від Ethereum, де це виглядало як «надбудова», вони відразу проектувалися з урахуванням багатопотоковості – з метою позбутися «горлечка».

• Solana зробила ставку на одне правило: якщо транзакції звертаються до різних акаунтів, вони можуть виконуватися паралельно. Це схоже на багатопотоковість у процесорі: незалежні завдання виконуються одночасно, не заважаючи одне одному. Використовуючи модель Sealevel (транзакції вказують потрібні їм ресурси, і ті, що не конфліктують, виконуються одночасно) Solana демонструє один з найвищих TPS. 
• Aptos і Sui пішли іншим шляхом, впровадивши так звану «об'єктну модель»: транзакції оперують об'єктами, і якщо об'єкти не перетинаються, їх виконання можна розпаралелити. Вони впроваджують концепцію паралельного виконання на рівні EVM і аналізують залежності, автоматично розділяючи операції для одночасного виконання.
• Слово сказали й інші: Near розвиває ідею шардінгу, MultiversX експериментує з розподілом навантаження, а Sei оптимізує архітектуру під високочастотний трейдинг. 

Все це показує, що індустрія шукає різні рішення однієї проблеми – як перетворити блокчейн на справжній багатосмуговий рух.

Ethereum і паралелізація

Ethereum також рухається в бік паралельності. Як ми вже сказали, ще на зорі свого існування розробники обговорювали ідею шардінгу, але складність і ризик вразливостей відкладали реалізацію знову і знову. Сьогодні, після того як мережа перейшла з алгоритму PoW на PoS, Ethereum повертається до ідей паралельності через Proto-Danksharding і механізми розпаралелювання EVM. Нехай це плани на роки вперед, але факт визнання необхідності паралельності говорить багато про що.

Тут важливо розуміти, що шардінг і паралелізація не конкуренти, а союзники. Шардінг ділить мережу на сегменти, розподіляючи навантаження і дозволяючи обробляти транзакції паралельно на макрорівні. Однак всередині кожного шарда операції традиційно залишаються послідовними, і саме паралелізація знімає це внутрішнє обмеження. Данкшардінг же підсилює цю зв'язку ще більше: він оптимізує зберігання і передачу даних між сегментами, що робить роботу мережі не тільки масштабованою, але і більш стійкою. В результаті симбіоз шардингу і паралельності перетворює мережу Ethereum на платформу, здатну обробляти десятки тисяч транзакцій в секунду без втрати децентралізації і без L2-рішень.
 

Ставка на майбутнє
 

Історично блокчейн жертвував швидкістю заради безпеки та децентралізації. І в контексті трилеми блокчейну – де всі три сторони не можуть бути досягнуті одночасно – паралельність виступає як один з небагатьох реальних способів вирішити проблему масштабованості без компромісів. Інструментом, що відкриє мережі для масового використання, зберігши головні принципи блокчейн-технології.