在计算机科学的世界里,“并行”与“串行”是两种基本的执行模式,串行,如同一列在单轨上行驶的火车,任务必须一个接一个地完成;而并行,则像是多条轨道同时运行的多列火车,可以同时处理多个任务,长期以来,追求并行计算是提升性能的终极目标,在以太坊这个世界计算机的宏大叙事中,我们却看到了一个有趣的悖论:它的核心架构在某种程度上是“串行”的,而这种“串行”的设计,恰恰是其通向更高性能并行未来的基石。

以太坊的“串行”性,首先体现在其最基本的数据结构——区块链上,区块链本质上是一个由区块链接而成的、不可篡改的账本,每个新区块都包含了前一个区块的哈希值,形成了一条单一、线性的历史记录,这种设计确保了所有节点对账本状态达成一致,是其去中心化和安全性的根基。
在单个区块内部,交易的处理也是严格串行的,当一个矿工或验证者打包一个区块时,他们会按照特定的规则(根据Gas费高低)对交易进行排序,然后按这个顺序一个接一个地执行,这意味着,无论区块内有多少笔交易,它们都必须等待前一笔交易完全执行完毕后,才能开始执行,这就是以太坊最核心的“串行执行模型”。
这种设计看似“低效”,但它带来了至关重要的确定性,在去中心化的网络中,如果允许多笔交易并行执行,就会引发一系列棘手问题:交易执行的顺序如何确定?如何处理资源竞争(两个交易同时修改同一个账户的状态)?如何保证所有节点最终得到完全一致的计算结果?串行执行模型完美地规避了这些复杂性,通过强制一个线性的、可预测的执行顺序,确保了以太坊的状态转换是确定性的,任何节点,只要输入相同的区块和交易序列,最终都会得到完全一样的状态根,这种确定性是以太坊作为“世界计算机”能够稳定运行的基石。

串行执行的“优雅”是有代价的,随着以太坊生态的繁荣,网络拥堵和交易费用高昂成为常态,一个区块的 Gas 限制和交易处理速度(TPS,Transactions Per Second)是有限的,当大量用户同时涌入时,交易就需要排队等待,执行时间被拉长,费用也水涨船高,这个“串行”的处理引擎,成为了以太坊性能提升的瓶颈。
为了突破这一瓶颈,以太坊社区早已将目光投向了并行计算,想象一下,如果一笔交易是给A账户转账,另一笔是给B账户铸造NFT,这两笔交易互不干扰,为什么不能同时执行呢?如果能将大量互不冲突的交易打包在一起并行处理,以太坊的TPS将得到数量级的提升,网络拥堵和高昂费用的问题也将迎刃而解。

从“串行”走向“并行”,是以太坊实现规模化、成为全球价值互联网底层设施的必然要求,但如何在不破坏确定性的前提下,实现并行执行,是一个极具挑战性的工程难题。
为了实现并行计算,以太坊正在进行一场深刻的变革,这场变革的核心思想是模块化,未来的以太坊将不再是单一、庞大的“单体链”,而是被拆分成多个功能互补的“模块”:
在这种架构下,一个“执行层”可以像一个高效的工厂,内部多条生产线(并行执行环境)同时处理不同的交易,当一条生产线完成一批交易后,它不会立即向全世界广播结果,而是将结果(数据可用性)提交给“数据可用性层”,由“结算层”(以太坊主网)对这些来自不同工厂的结果进行最终的验证和结算,确保没有欺诈行为发生。
值得注意的是,即使是这种模块化的并行架构,其最终的结算和状态确认,依然需要一条全局的、串行的“最终链”(Finality Chain)来保证,以太坊主网就扮演着这个最终裁决者的角色,它通过PoS共识,以串行的、不可逆的方式确认所有子模块的状态,为整个系统提供了最终的确定性。
以太坊的“串行”并非一种落后的设计,而是一种在特定历史阶段下,为保障去中心化和确定性而做出的必然选择,它像一条坚实的主干道,确保了整个系统的安全与稳定。
而今天,以太坊正在这条主干道的指引下,向着“并行”的广阔天地延伸,它通过模块化、数据可用性等创新技术,试图在不牺牲安全性和确定性的前提下,打破串行执行的瓶颈,构建一个能够同时处理海量交易的并行计算网络。
可以说,以太坊的发展之路,就是一条从“串行”的确定性基础,走向“并行”的高性能未来的演进之路,这条路的起点,是那个严谨、有序的串行执行引擎;而它的终点,则是一个高效、可扩展的并行世界计算机,这趟旅程,充满了挑战,但也充满了无限的可能。