Pourquoi la parallélisation sera-t-elle la prochaine solution blockchain ?
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Pourquoi la parallélisation sera-t-elle la prochaine solution blockchain ?
L'histoire de l'informatique nous enseigne qu'avec le temps, les systèmes parallèles s'avèrent souvent plus efficaces et évolutifs que les systèmes séquentiels.
Dédié à des analyses Web3 approfondiesRédaction : Paul Timofeev, Mike Jin, Gabe Tramble
Traduction : Chris, Techub News
La blockchain est une machine virtuelle, un modèle informatique basé sur un logiciel, fonctionnant sur un réseau physique d'ordinateurs distribués auquel tout le monde peut se joindre, mais qu'une seule entité peine à contrôler. Le concept de blockchain a été introduit pour la première fois dans le livre blanc de Bitcoin publié en 2008 par Satoshi Nakamoto, en tant qu'infrastructure fondamentale permettant des paiements pair-à-pair sécurisés par cryptographie. Pour les blockchains, les transactions sont comme les journaux des entreprises de médias sociaux et d'internet ; elles enregistrent certaines activités du réseau, avec une différence cruciale : les transactions sur blockchain sont immuables et généralement publiques et consultables.
Qu'est-ce qu'une transaction ?
Une transaction sur blockchain consiste à transférer un actif numérique d'une adresse vers une autre sur un grand livre distribué, protégé par la cryptographie à clé publique. Les transactions peuvent non seulement servir à des transferts décentralisés pair-à-pair, mais aussi à divers processus d'authentification et de vérification.
Exemple de transaction observable par tous sur des explorateurs blockchain comme SeiTrace
Comment fonctionne une transaction blockchain ?
Lorsque Bob décide d'envoyer des jetons à Alice, son action est immédiatement diffusée à l'ensemble du réseau blockchain. Des nœuds spécifiques du réseau (nœuds validateurs) s'activent alors pour vérifier la validité de la transaction. Une fois confirmée par suffisamment de nœuds, la transaction est inscrite dans un nouveau bloc, empaquetée avec d'autres transactions. Lorsque le bloc est complet, il est ajouté de manière permanente à la chaîne, d'où le nom « blockchain ». Ainsi, Bob et Alice peuvent consulter les détails de leur transaction sur ce registre durable et public.
Dans une blockchain, chaque transaction inclut des métadonnées qui aident les nœuds du réseau à identifier et appliquer des instructions et paramètres spécifiques. Ces données comprennent généralement des informations de haut niveau telles que le montant transféré, l'adresse du destinataire et la signature numérique permettant de valider la transaction, ainsi que d'autres données techniques générées automatiquement, dont le contenu varie selon la conception du réseau.
Bien que ces processus soient universels, les détails d'exécution varient selon l'architecture blockchain utilisée.
Par exemple, sur des blockchains traditionnelles comme Ethereum, existe un mécanisme appelé « mempool » (mémoire tampon). Le mempool est essentiellement une zone de transit ou d'attente où sont stockées temporairement les transactions non encore incluses dans un bloc.
Voici le cycle de vie typique d'une transaction sur une blockchain utilisant le mempool :
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L'utilisateur initie et signe la transaction.
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Les nœuds validateurs du réseau vérifient la validité de la transaction et s'assurent que les paramètres sont corrects.
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Une fois validée, la transaction entre dans le mempool public, en attente d'être intégrée dans un bloc avec d'autres transactions.
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Le choix des transactions à inclure dans le prochain bloc dépend des frais de gaz payés par rapport aux autres transactions présentes dans le mempool. Une fois intégrée, la transaction passe à l'état « réussie ».
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Après un certain temps ou atteinte d'un seuil de création de blocs, le bloc est définitivement confirmé, et la transaction devient permanente sur la blockchain. Sauf cas extrême comme une attaque à 51 %, les données ne peuvent plus être modifiées.
Sans mempool (Solana)
À l'inverse, certaines blockchains comme Solana n'utilisent pas de mempool. Elles envoient directement les transactions aux producteurs de blocs, visant ainsi à améliorer la vitesse de traitement et le débit, grâce à une génération continue de blocs.
Examinons maintenant le cycle de vie d'une transaction sur une blockchain sans mempool :
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L'utilisateur initie et signe une transaction via une application.
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L'application transmet la transaction à un serveur RPC (Remote Procedure Call).
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Le fournisseur RPC envoie la transaction au producteur de bloc désigné, ainsi qu'aux trois suivants — mesure préventive si le premier ne parvient pas à exécuter la transaction à temps.
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Le producteur de blocs envoie ensuite la transaction signée aux nœuds de consensus pour validation.
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Les nœuds de consensus votent pour valider le contenu. Une fois terminé, l'état de la transaction remonte via RPC → application → utilisateur, affiché comme « réussi » ou « échoué ».
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Comme pour les blockchains basées sur mempool, le bloc lui-même est finalement confirmé après un certain temps ou seuil atteint.
Exécution séquentielle
Les anciennes blockchains, notamment Bitcoin et Ethereum, utilisent un mécanisme d'exécution séquentielle des transactions. Chaque transaction ajoutée modifie l'état du réseau, et par souci de sécurité, la machine virtuelle ne traite qu'un changement d'état à la fois.
Cela crée un goulot d'étranglement majeur en termes de débit du réseau : le nombre de transactions pouvant être ajoutées par bloc est limité, entraînant des délais prolongés, une hausse des coûts, voire une indisponibilité temporaire du réseau. De plus, le modèle d'exécution séquentielle utilise inefficacement les composants matériels, empêchant toute amélioration grâce aux avancées technologiques comme les processeurs multi-cœurs.
Exécution parallèle
L'informatique parallèle est une technologie clé en architecture informatique, dont les origines remontent à la fin des années 1950, bien que ses fondements théoriques datent de 1837. Cette technologie permet à plusieurs unités de traitement de travailler simultanément sur un même problème, en divisant les tâches complexes en sous-tâches plus petites, offrant ainsi une efficacité supérieure au traitement séquentiel traditionnel.
Initialement réservée aux systèmes de calcul haute performance, l'exécution parallèle est devenue dominante avec l'avènement d'internet, la croissance exponentielle des besoins computationnels et les limites physiques du ralentissement de l'amélioration des processeurs.
Dans le domaine blockchain, ce modèle est utilisé pour traiter simultanément plusieurs transactions ou transferts de valeur entre contrats intelligents, d'où le terme « exécution parallèle ».
L’exécution parallèle permet à une blockchain de traiter simultanément plusieurs transactions non conflictuelles, augmentant considérablement le débit et l’extensibilité du réseau, lui permettant de mieux gérer des volumes élevés d’activité et des blocs plus volumineux.
Un exemple simple : imaginez un supermarché avec plusieurs caisses ouvertes contre une seule. La différence d'efficacité est évidente. Ce traitement parallèle améliore la performance globale et la satisfaction des utilisateurs.
Pourquoi l'exécution parallèle est-elle importante ?
L'objectif principal de l'exécution parallèle dans les blockchains est d'améliorer la vitesse de traitement et les performances globales, surtout lors de pics de trafic. Par exemple, lorsque Bob veut créer la dernière collection NFT à la mode et qu'Alice souhaite acheter sa cryptomonnaie mème préférée, la blockchain peut répondre aux deux actions simultanément sans compromettre la performance ni l'expérience utilisateur.
Cette capacité, bien qu'apparemment centrée sur l'expérience, améliore fondamentalement l'efficacité du réseau, ouvrant la voie à de nouvelles applications créatives exploitant faible latence et haut débit. Cela facilite l’intégration de nouveaux groupes d’utilisateurs dans l’écosystème crypto, annonçant une adoption plus large de la technologie.
Comment fonctionne l'exécution parallèle ?
Bien que le principe soit simple, les subtilités de conception influencent fortement la mise en œuvre. La caractéristique centrale concerne la capacité des transactions à accéder à l’état sous-jacent du réseau : soldes de comptes, stockage, contrats intelligents.
L'exécution parallèle se divise généralement en deux types : déterministe et optimiste. Dans le modèle déterministe (comme Solana), les transactions doivent déclarer à l’avance toutes leurs dépendances mémoire (l’état qu’elles vont lire/écrire). Cela impose une charge aux développeurs, mais permet au réseau d’ordonnancer efficacement les transactions non conflictuelles, garantissant prédiction et performance. À l’inverse, l’exécution optimiste suppose que toutes les transactions sont non conflictuelles. Elle accélère le traitement, mais en cas de conflit, certaines transactions doivent être relancées — soit en parallèle, soit séquentiellement.
Pour mieux comprendre ces différences, examinons les approches des principales blockchains pionnières en matière d’exécution parallèle.
Paysage actuel du marché de l'exécution parallèle
Machine virtuelle Solana (SVM)
Solana est la première blockchain conçue autour de l’exécution parallèle, inspirée par l’expérience d’Anatoly Yakovenko dans les télécommunications. Son objectif : offrir une plateforme de développement ultra-rapide, où la vitesse et l’efficacité du calcul parallèle sont des choix naturels.
La clé de la rapidité et du haut débit de Solana est Sealevel, son environnement d’exécution parallèle pour contrats intelligents. Contrairement aux environnements EVM ou WASM, Sealevel utilise une architecture multithread, capable de traiter plusieurs transactions simultanément dans la limite des cœurs des validateurs.
Dans Solana, lorsqu’une transaction est activée, le réseau lui attribue une série d’instructions précises : quels comptes et états seront lus/modifiés. C’est grâce à cela que le système identifie les transactions non conflictuelles pouvant s’exécuter en parallèle, tout en permettant que des transactions tentant d’accéder au même état puissent quand même être traitées ensemble.
Solana utilise également Cloudbreak, sa base de données personnalisée (accountsDB), optimisée pour la lecture/écriture concurrente des données d’état. Cloudbreak est conçu pour s’adapter horizontalement, répartissant et gérant les données d’état sur plusieurs nœuds.
Grâce à son architecture parallèle, Solana traite un volume massif de transactions rapidement, offrant une finalité quasi instantanée. Actuellement, elle traite entre 2 000 et 10 000 transactions par seconde (TPS). Avec des projets comme Eclipse qui développent des infrastructures de couche 2 utilisant SVM comme environnement d’exécution, les cas d’usage de SVM s’étendent progressivement.
EVM parallèle
L’EVM parallèle désigne un nouvel environnement d’exécution blockchain combinant le meilleur des mondes de Solana et Ethereum : la vitesse et les performances de Solana, avec la sécurité et la liquidité d’Ethereum. En traitant les transactions en parallèle plutôt que séquentiellement comme l’EVM traditionnelle, il permet aux développeurs de construire sur des réseaux performants tout en bénéficiant de l’écosystème EVM (liquidité, outils).
Sei Network
Sei Network est une blockchain open source de couche 1 compatible EVM, supportant diverses applications décentralisées hautes performances. Sei vise à offrir rapidité et faibles coûts, l’exécution parallèle étant au cœur de cette performance. Actuellement, Sei assure une confirmation de bloc en 390 ms et a traité plus de 1,9 milliard de transactions sur son réseau principal Pacifique.
Initialement, Sei utilisait un modèle d’exécution parallèle déterministe : les contrats déclaraient à l’avance les états nécessaires, permettant d’exécuter simultanément les transactions non conflictuelles. Avec sa mise à jour V2, Sei passe à un modèle optimiste : toutes les transactions sont exécutées en parallèle dès leur soumission, puis vérifiées en phase de validation pour détecter les conflits. Si deux transactions ou plus tentent d’accéder au même état, Sei les identifie et les relance — en parallèle ou séquentiellement selon la nature du conflit.
Pour le stockage, Sei introduit SeiDB, une base de données personnalisée optimisée pour l’exécution parallèle, corrigeant les lacunes de la version 1. SeiDB réduit la redondance des données, améliore l’utilisation du disque, diminue les métadonnées à suivre, et active un journal anticipé (pre-write log) pour faciliter la récupération après incident.
Enfin, Sei a récemment annoncé Parallel Stack, un framework open source permettant aux solutions d’extension de couche 2 (comme les rollups) de tirer parti de l’exécution parallèle.
Monad
Monad est une future blockchain parallèle de couche 1 compatible EVM, offrant compatibilité totale au niveau du bytecode et des RPC avec Ethereum. Grâce à des innovations techniques, Monad vise à proposer une expérience plus interactive, avec des coûts réduits, une durée de bloc de 1 seconde et une finalité allant jusqu’à 10 000 TPS.
Monad combine exécution parallèle et technique de pipeline superscalaire pour optimiser vitesse et débit. Comme Sei v2, il adopte un modèle d’exécution optimiste : toutes les transactions entrantes sont exécutées simultanément, puis analysées pour conflits, et relancées si nécessaire, afin que le résultat final soit identique à une exécution séquentielle.
À noter : malgré la parallélisation interne, Monad ordonne les transactions dans chaque bloc de manière linéaire et met à jour l’état séquentiellement.
Pour gérer plus efficacement les données blockchain qu’avec les clients Ethereum actuels, Monad a développé sa propre base de données, MonadDB, conçue nativement pour la blockchain. Elle exploite des fonctionnalités avancées du noyau Linux pour des opérations disque asynchrones efficaces, supprimant les limitations des accès E/S synchrones. L’accès E/S asynchrone est crucial : le système peut commencer à traiter la transaction suivante pendant qu’il attend la lecture de l’état précédent.
Une analogie simple : cuisiner un plat en plusieurs étapes (comme des boulettes à la sauce tomate). Étapes : 1) préparer la sauce, 2) cuire les boulettes, 3) cuire les pâtes. Un cuisinier efficace fait chauffer l’eau, prépare les ingrédients, met les pâtes à cuire, puis la sauce, puis les boulettes — au lieu d’attendre la fin de chaque étape avant de commencer la suivante.
Move
Move est un langage de programmation initialement développé en 2019 par l’équipe Facebook pour le projet Diem (désormais abandonné). Move est conçu pour manipuler en toute sécurité les données de contrats intelligents et de transactions, éliminant des vulnérabilités comme les attaques de réentrance.
MoveVM, l’environnement d’exécution natif des blockchains Move, utilise la parallélisation pour une exécution plus rapide et une meilleure efficacité globale.
Aptos
Aptos est une blockchain de couche 1 basée sur Move, développée par d’anciens membres du projet Diem, offrant un environnement haute performance grâce à l’exécution parallèle. Aptos repose sur Block-STM, une adaptation du mécanisme de contrôle de concurrence « Software Transactional Memory » (STM).
Block-STM est un moteur d’exécution multithread permettant une exécution parallèle optimiste. Les transactions sont pré-ordonnées stratégiquement dans le bloc, ce qui est essentiel pour gérer efficacement les conflits et les re-exécutions. Selon les recherches d’Aptos, Block-STM pourrait théoriquement atteindre 160 000 TPS.
Sui
Similaire à Aptos, Sui est une blockchain de couche 1 développée par d’anciens de Diem, utilisant aussi le langage Move. Toutefois, Sui adopte une implémentation personnalisée de Move, modifiant le modèle de stockage et les permissions d’actifs par rapport à Diem. Cela permet à Sui de représenter les transactions indépendantes comme des objets, chacun ayant un ID unique dans l’environnement d’exécution, facilitant l’identification des transactions non conflictuelles pour traitement parallèle.
Comme Solana, Sui utilise une exécution parallèle déterministe : les transactions doivent déclarer à l’avance les comptes qu’elles vont accéder.
Movement Labs
Movement construit un ensemble d’outils développeurs et de services d’infrastructure blockchain, permettant un accès facile aux avantages de Move. En tant que plateforme d’exécution type AWS pour les développeurs Move, Movement place la parallélisation au cœur de sa conception pour un débit élevé et une efficacité réseau accrue. MoveVM est un environnement modulaire permettant aux réseaux d’adapter leur capacité de traitement aux volumes croissants, renforçant ainsi leur capacité à exécuter en parallèle.
Movement lancera aussi M2, un ZK-rollup interopérable avec les clients EVM et Move. M2 héritera du moteur de parallélisation Block-STM, visant des dizaines de milliers de TPS.
Défis des systèmes parallèles
Concernant le développement des blockchains parallèles, plusieurs questions et compromis doivent être considérés :
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Quels compromis les réseaux font-ils pour améliorer les performances via l’exécution parallèle ?
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Un petit nombre de validateurs accélère la validation, mais nuit-il à la sécurité et augmente-t-il la vulnérabilité aux attaques de validateurs ?
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Y a-t-il concentration géographique des validateurs ? Stratégie courante pour minimiser la latence, mais que se passe-t-il si un centre de données est compromis ?
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Pour les systèmes parallèles optimistes, le processus de re-exécution des transactions invalides deviendra-t-il un goulot d’étranglement à grande échelle ? Comment mesurer cette efficacité ?
Globalement, les blockchains parallèles encourent un risque d’incohérence du grand livre (double dépense, changement d’ordre des transactions — justement évité par l’exécution séquentielle). L’exécution déterministe y remédie en créant un système d’étiquettes internes. Les blockchains à traitement optimiste doivent assurer que leurs mécanismes de validation et re-exécution sont sûrs, efficaces, et raisonnablement équilibrés avec les gains de performance.
Perspectives futures
L’histoire de l’informatique montre que, long terme, les systèmes parallèles surpassent les systèmes séquentiels en efficacité et extensibilité. L’émergence des blockchains parallèles après Solana illustre que ce principe s’applique aussi à l’infrastructure crypto. Même Vitalik a mentionné que la parallélisation est l’une des solutions clés potentielles pour améliorer l’extensibilité des rollups EVM. En général, l’adoption croissante de la crypto/blockchain nécessite des systèmes supérieurs à ceux disponibles aujourd’hui, incluant les blockchains parallèles. Les récents incidents sur Solana montrent qu’il reste beaucoup de marges d’amélioration. Alors que de plus en plus d’équipes cherchent à repousser les limites on-chain et à attirer de nouveaux utilisateurs vers des applications natives blockchain, le modèle d’exécution parallèle offre un cadre intuitif pour construire des systèmes capables de gérer efficacement des volumes d’activité comparables aux grandes entreprises Web2.
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