Web3 cálculo paralelo panorama: como as cadeias compatíveis com EVM podem ultrapassar os gargalos de desempenho

Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução para escalabilidade nativa?

I. Teoria da Computação Paralela: Superando o Triângulo Impossível da Blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain revela os compromissos essenciais no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar simultaneamente "máxima segurança, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade de blockchain atualmente no mercado são classificadas de acordo com o paradigma, incluindo:

  • Execução de escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
  • Escalabilidade com isolamento de estado: divisão horizontal de estado/Shard, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
  • Escalabilidade de outsourcing off-chain: colocar a execução fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
  • Expansão de desacoplamento estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, por exemplo, cadeia de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
  • Expansão assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread.

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de provas zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, formando um sistema completo de escalabilidade "multi-nível e combinação modular". Este artigo foca principalmente nas soluções de escalabilidade com computação paralela como a principal abordagem.

A computação paralela dentro da cadeia foca na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas maneiras de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes objetivos de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, onde a granularidade do paralelismo se torna cada vez mais fina, a intensidade do paralelismo aumenta, a complexidade do agendamento também aumenta, assim como a complexidade da programação e a dificuldade de implementação.

  • Paralelismo a nível de conta: representa o projeto Solana
  • Paralelismo a nível de objeto: representa o projeto Sui
  • Nível de transação em paralelo: representa o projeto Monad, Aptos
  • Chamadas de nível/micro VM em paralelo: representa o projeto MegaETH
  • Paralelismo a nível de instrução: representa o projeto GatlingX

Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes Actor, pertencendo a um outro paradigma de computação paralela. Como um sistema de mensagens assíncronas entre cadeias, cada Agente funciona como um "processo inteligente" independente, permitindo o envio assíncrono de mensagens de forma paralela, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento síncrono. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por shard pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema e não à computação paralela dentro da blockchain. Eles conseguem escalabilidade através da «execução paralela de várias cadeias/dominios de execução», em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco/máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco da discussão deste artigo, mas ainda assim usaremos para comparar as diferenças na filosofia de arquitetura.

Web3 Computação Paralela Panorama: A Melhor Solução de Expansão Nativa?

Dois, EVM e a cadeia de aumento paralelo: superando os limites de desempenho na compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquiteturas modular, mas o gargalo de throughput da camada de execução ainda não foi fundamentalmente superado. No entanto, o EVM e o Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, a cadeia paralela do EVM, que equilibra a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, está se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução de escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, construindo uma arquitetura de processamento paralelo do EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução de atraso e decomposição de estado.

Análise do mecanismo de computação paralela do Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho redesenhada para a máquina virtual Ethereum, baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline, executando assincronamente na camada de consenso e concorrência otimista na camada de execução. Além disso, nas camadas de consenso e armazenamento, Monad introduz, respetivamente, um protocolo BFT de alto desempenho e um sistema de banco de dados dedicado, alcançando uma otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas etapas

Pipelining é o conceito fundamental da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o processo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processar essas etapas em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional, onde cada etapa é executada em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, resultando em aumento da taxa de transferência e redução da latência. Essas etapas incluem: proposta de transação, consenso alcançado, execução de transação e submissão de bloco.

Execução Assíncrona: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução

Em cadeias tradicionais, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. A Monad alcançou a assíncrona na camada de consenso, na camada de execução e no armazenamento através da "execução assíncrona". Isso reduziu significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e maior eficiência na utilização de recursos.

Design principal:

  • O processo de consenso é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da lógica do contrato.
  • O processo de execução é acionado de forma assíncrona após a conclusão do consenso.
  • Após a conclusão do consenso, entra imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de esperar pela conclusão da execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente serial para evitar conflitos de estado. Já o Monad adota uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.

Mecanismo de execução:

  • Monad executará otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
  • Executar simultaneamente um "detetor de conflitos" para monitorizar se as transações acederam ao mesmo estado.
  • Se um conflito for detectado, as transações em conflito serão serializadas e reexecutadas para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: movendo o mínimo possível as regras do EVM, realizando a execução através do atraso na gravação de estados e detecção dinâmica de conflitos, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador paralelo no mundo EVM.

Web3 Parâmetro de Computação Paralela: A Melhor Solução de Escalabilidade Nativa?

Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente da localização L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho, compatível com EVM e modular, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de aprimoramento de execução ou componente modular na Ethereum. Seu objetivo de design central é desconstruir a lógica de contas, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, para alcançar alta execução concorrente na cadeia e capacidade de resposta de baixa latência. A inovação chave proposta pelo MegaETH é a arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado e mecanismo de sincronização modular, que, juntos, constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading na cadeia".

Arquitetura Micro-VM: Conta é um thread

O MegaETH introduziu o modelo de execução "uma micro máquina virtual por conta", tornando o ambiente de execução "multithreaded" e fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs se comunicam por meio de mensagens assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs sejam executadas de forma independente e armazenadas de forma independente, resultando em paralelismo natural.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráfico de Dependência

MegaETH construiu um sistema de agendamento baseado em DAG que acessa relações de estado de conta. O sistema mantém em tempo real um gráfico de dependência global, modelando todas as transações que modificam quais contas e leem quais contas como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas e ordenadas em série ou adiadas de acordo com a ordem topológica. O gráfico de dependência garante a consistência de estado e a não gravação duplicada durante o processo de execução em paralelo.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional da máquina de estado de thread única EVM, implementando encapsulamento de micromáquinas virtuais por unidade de conta, realizando o agendamento de transações através de um gráfico de dependência de estado, e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todas as dimensões, desde a "estrutura da conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção do próximo sistema de alto desempenho em blockchain.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial extremo de paralelismo através de agendamento de execução assíncrona. Teoricamente, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se a um super sistema operacional distribuído sob a filosofia do Ethereum.

Monad e MegaETH têm conceitos de design bastante diferentes da fragmentação: a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias subchains independentes, cada subchain é responsável por parte das transações e estados, quebrando a limitação de uma única cadeia na expansão da camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da cadeia única, apenas expandindo horizontalmente na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da cadeia única para superar o desempenho. Ambos representam direções diferentes na trajetória de expansão da blockchain, com fortalecimento vertical e expansão horizontal.

Web3 Computação Paralela Mapa Panorama: A Melhor Solução para Expansão Nativa?

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar o throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, implementando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da execução atrasada e arquitetura de micromáquinas virtuais. O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e full-stack paralela, tem seu mecanismo central de computação paralela chamado de "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais por meio da colaboração entre a rede principal e uma rede de processamento especial, integrando tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero e ambientes de execução confiáveis.

Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:

  1. Processamento assíncrono em todo o ciclo de vida: Pharos desacopla as várias fases da transação e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada fase seja realizada de forma independente e em paralelo, aumentando assim a eficiência geral do processamento.

  2. Execução paralela de duas máquinas virtuais: Pharos suporta dois ambientes de máquinas virtuais, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado de acordo com suas necessidades. Esta arquitetura de dupla VM não só aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.

  3. Processamento especial de rede: SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, especificamente projetadas para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através dos SPNs, o Pharos pode realizar a alocação dinâmica de recursos e o processamento paralelo de tarefas, aumentando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.

  4. Mecanismo de consenso modular e re-staking: Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso, e implementou um protocolo de re-staking para garantir o compartilhamento seguro e a integração de recursos entre a mainnet e os SPNs.

Além disso, a Pharos, através de árvores de Merkle de várias versões, codificação diferencial, endereçamento de versões e tecnologia de descida ADS, reestruturou o modelo de execução a partir da camada de armazenamento, lançando o motor de armazenamento de alto desempenho nativo da blockchain, Pharos Store, que realiza capacidade de processamento em cadeia de alta taxa de transferência, baixa latência e forte verificabilidade.

De um modo geral, a arquitetura Rollup Mesh da Pharos, através de um design modular e mecanismos de processamento assíncronos, alcança alta capacidade de computação paralela. A Pharos, como coordenador de agendamento paralelo entre Rollups, não é um otimizador de execução de "paralelismo dentro da cadeia", mas sim suporta tarefas de execução personalizadas heterogêneas através de SPNs.

Web3 computação paralela panorama: a melhor solução para escalabilidade nativa?

Além da execução paralela do Monad, MegaETH e Pharos

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Comentário
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HodlVeteranvip
· 07-20 17:37
Os idiotas veteranos sentiram novamente uma oportunidade de fazer as pessoas de parvas.
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RektButStillHerevip
· 07-19 14:20
Boa garota, quem é que consegue entender isso?
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BakedCatFanboyvip
· 07-19 14:18
A expansão à velocidade da luz também não resolve o problema essencial, certo?
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TokenVelocityTraumavip
· 07-19 14:13
Desempenho elevado fala assim de forma fiável?
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Rugman_Walkingvip
· 07-19 14:07
tps ainda não consegue competir com visa e alipay
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