Web3 Paralel Hesaplama Alanı Panorama Haritası: Yerel Ölçeklendirme için En İyi Çözüm?

I. Paralel Hesaplama Teorisi: Blok Zincirinin İmkansız Üçgenini Aşmak

Blockchain'ın "imkansız üçgeni", blockchain sistem tasarımındaki temel dengeyi ortaya koymaktadır; yani blockchain projelerinin "üst düzey güvenlik, herkesin katılımı ve yüksek hızlı işleme" aynı anda gerçekleştirmesinin zor olduğu. "Ölçeklenebilirlik" gibi süreklilik arz eden bu konu hakkında, şu anda piyasada bulunan ana akım blockchain ölçeklendirme çözümleri paradigmalarına göre ayrılmaktadır, bunlar arasında:

• Geliştirilmiş ölçekleme uygulaması: Yerinde yürütme yeteneğini artırmak, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli.
• Durum İzolasyonlu Ölçeklendirme: Yatay Bölme Durumu/Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynak kullanımı genişletme: İşlemi zincir dışına koymak, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı çözümleme türü genişleme: mimari modüler, iş birliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron Eşzamanlı Ölçekleme: Aktör Modeli, Süreç İzolasyonu, Mesaj Tahrik Edici, örneğin Ajanlar, Çok İşlemli Asenkron Zincir

Blockchain ölçeklenme çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, shard'lama, DA modülü, modüler yapı, Aktör sistemi, zk kanıtı sıkıştırma, Stateless mimari gibi, yürütme, durum, veri, yapı gibi birden fazla katmanı kapsar ve "çok katmanlı iş birliği, modül kombinasyonu" olan tam bir ölçeklenme sistemidir. Bu yazıda, paralel hesaplamanın ana akım ölçeklenme yöntemi olarak tanıtılmasına odaklanılacaktır.

Zincir içi paralel hesaplama, blok içindeki işlemlerin/komutların paralel yürütülmesine odaklanır. Paralel mekanizmalara göre, genişletme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Sırasıyla paralel parçacık boyutu giderek daha ince hale gelir, paralel yoğunluk giderek artar, planlama karmaşıklığı da giderek artar, programlama karmaşıklığı ve gerçekleştirme zorluğu da giderek artar.

• Hesap düzeyinde paralellik: Solana projesini temsil eder
• Nesne bazlı paralellik: Sui projesini temsil eder
• İşlem düzeyinde paralellik: Proje Monad, Aptos'u temsil ediyor.
• Çağrı seviyesi/mini VM paralel: MegaETH projesini temsil ediyor
• Komut düzeyinde paralellik: GatlingX projesini temsil eder

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, Aktör akıllı varlık sistemi ile temsil edilmektedir, bunlar başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir. Zincirler arası/asenkron mesaj sistemi olarak, her Agent bağımsız olarak çalışan "akıllı varlık süreci" olarak, eşzamanlı bir şekilde asenkron mesaj, olay odaklı, senkronizasyon planlamasına ihtiyaç duymadan çalışmaktadır. Temsil eden projeler arasında AO, ICP, Cartesi gibi projeler bulunmaktadır.

Ve sıkça duyduğumuz Rollup veya parçalama ölçeklendirme çözümleri, sistem düzeyinde bir eşzamanlılık mekanizmasıdır ve zincir içi paralel hesaplama ile ilgili değildir. Bunlar, ölçeklendirme sağlamak için "birden fazla zincir/işlem alanını paralel çalıştırma" yöntemini kullanır, tek bir blok/ sanal makine içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür ölçeklendirme çözümleri, bu makalenin odak noktası değildir, ancak yine de mimari kavramların karşılaştırılmasında kullanılacaktır.

İki, EVM Sıra Paralel Geliştirme Zinciri: Uyumda Performans Sınırlarını Aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi bir dizi ölçekleme denemesi ile bugüne kadar gelişti, ancak yürütme katmanındaki throughput darboğazı hala köklü bir aşama kaydedemedi. Ancak bu arada, EVM ve Solidity, hala mevcut en güçlü geliştirici tabanına ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, EVM tabanlı paralel artırılmış zincir, ekosistem uyumluluğunu ve yürütme performansını artırmanın ana yolu olarak, yeni bir ölçekleme evriminin önemli bir yönü haline geliyor. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsilci projeler olup, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırması ile yüksek eşzamanlılık ve yüksek throughput senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisini inşa etmektedir.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizmasının analizi

Monad, Ethereum sanal makinesi için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir. Temel paralel işleme anlayışı olan boru hattı işleme üzerine kuruludur; konsensüs katmanında asenkron yürütme ve yürütme katmanında iyimser eşzamanlılık sağlar. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanlarında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü ve özel veritabanı sistemi getirmiştir, uçtan uca optimizasyonu gerçekleştirmiştir.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir. Temel düşüncesi, blok zincirinin yürütme sürecini bağımsız aşamalara ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işlemek, üç boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama bağımsız iş parçacıkları veya çekirdekler üzerinde çalışarak bloklar arası eşzamanlı işleme olanak tanır ve nihayetinde verimliliği artırma ve gecikmeyi azaltma hedefini gerçekleştirir. Bu aşamalar şunları içerir: işlem önerisi, uzlaşma sağlama, işlem yürütme ve blok gönderme.

Asenkron İcra: Konsensüs - İcra Asenkron Ayrımı

Geleneksel blok zincirinde, işlem konsensüsü ve yürütme genellikle senkron bir süreçtir; bu seri model, performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" aracılığıyla konsensüs katmanını asenkron hale getirir, yürütme katmanını asenkron hale getirir ve depolamayı asenkron hale getirir. Blok süresini ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltır, sistemi daha esnek hale getirir, işleme sürecini daha ayrıntılı hale getirir ve kaynak verimliliğini artırır.

Kilit Tasarım:

• Konsensüs süreci yalnızca işlemleri sıralamakla sorumludur, sözleşme mantığını yürütmez.
• Uygulama süreci, mutabakat tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan sonra hemen bir sonraki blok konsensüs sürecine geçilir, yürütmenin tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel Çalıştırma:乐观并行执行

Geleneksel Ethereum, durum çatışmalarını önlemek için işlemlerin yürütülmesinde katı bir seri model kullanmaktadır. Monad ise "iyimser paralel yürütme" stratejisini benimseyerek işlem işleme hızını büyük ölçüde artırmaktadır.

İcra Mekanizması:

• Monad, çoğu işlem arasında durum çakışması olmadığı varsayımıyla, tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak gerçekleştirecektir.
• İşlemler arasında aynı duruma erişilip erişilmediğini izlemek için bir "çakışma dedektörü" çalıştırmak.
• Çatışma tespit edilirse, çatışma işlemleri sıralı bir şekilde yeniden yürütülerek durum doğruluğu sağlanacaktır.

Monad, EVM kurallarını mümkün olduğunca az değiştiren bir uyumlu yol seçti; yürütme sürecinde durumu yazmayı erteleyerek ve dinamik çatışma tespit ederek paralellik sağlamakta, bu da onu performans odaklı bir Ethereum gibi yapmaktadır. Ayrıca, olgunluğu sayesinde EVM ekosistemine geçişi kolaylaştırmakta ve EVM dünyasının paralel hızlandırıcısıdır.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad'tan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmıştır. Hem bağımsız bir L1 kamu zinciri olarak hem de Ethereum üzerinde bir yürütme artırma katmanı veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu bağımsız olarak planlanabilen en küçük birimlere ayrıştırarak zincir içindeki yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneği sağlamaktır. MegaETH'in sunduğu ana yenilik, Micro-VM mimarisi + State Dependency DAG ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır; bunlar birlikte "zincir içi iş parçacığı" paralel yürütme sistemini inşa eder.

Micro-VM mimarisi: hesap bir ipliktir

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine" yürütme modelini tanıtarak, yürütme ortamını "iş parçacığına dayalı" hale getirir ve paralel planlama için en küçük yalıtım birimini sağlar. Bu VM'ler arasında senkron çağrı yerine asenkron mesajlaşma ile iletişim kurulur, çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir ve bağımsız depolama yapabilir, doğal olarak paraleldir.

Durum Bağımlılığı DAG: Bağımlılık Grafiği Tabanlı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkisine dayalı bir DAG zamanlama sistemi inşa etti. Sistem, her zaman bir küresel bağımlılık grafiğini gerçek zamanlı olarak bakımını yapar; her işlem hangi hesapları değiştirdiğini, hangi hesapları okuduğunu, tümü bağımlılık ilişkisi olarak modellenir. Çatışma olmayan işlemler doğrudan paralel olarak yürütülebilir, bağımlılık ilişkisi olan işlemler ise topolojik sıraya göre seri veya gecikmeli olarak zamanlama sırasına konur. Bağımlılık grafiği, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrar yazımını garanti eder.

Asenkron İcra ve Geri Çağırma Mekanizması

B

Özetle, MegaETH, geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesap bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştirmekte, durum bağımlılık grafiği ile işlem zamanlaması yapmakta ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizmasını kullanmaktadır. Bu, "hesap yapısı → planlama mimarisi → yürütme akışı" tam boyutlu yeniden tasarlanmış bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemlerin inşası için paradigma düzeyinde yeni bir yaklaşım sunmaktadır.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM olarak tamamen soyutlayarak yeniden yapılandırma yolunu seçti. Aşırı asenkron yürütme zamanlaması ile son derece paralel potansiyeli serbest bırakmayı hedefliyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel üst limiti daha yüksek, ancak karmaşıklığı kontrol etmek de daha zor. Daha çok Ethereum felsefesi altında süper dağıtılmış bir işletim sistemi gibi.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, parçalama konusunda oldukça farklıdır: parçalama, blok zincirini yatay olarak birden fazla bağımsız alt zincire ayırır, her bir alt zincir belirli işlemler ve durumlardan sorumludur, bu da tek zincir sınırlamasını ağ katmanında genişletir; oysa Monad ve MegaETH, tek zincir bütünlüğünü korur, yalnızca yürütme katmanında yatay olarak genişler, tek zincir içinde maksimum paralel yürütme optimizasyonu ile performansın üstesinden gelir. Her ikisi de blok zinciri genişleme yolundaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içindeki TPS'yi artırmayı hedefleyen throughput optimizasyon yollarına odaklanmaktadır. İşlem düzeyinde veya hesap düzeyinde paralel işleme gerçekleştirmek için gecikmeli yürütme ve mikro sanal makine mimarisi kullanmaktadır. Pharos Network, modüler, tam yığın paralel bir L1 blok zincir ağı olarak, temel paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağ ile özel işleme ağının iş birliği sayesinde çoklu sanal makine ortamlarını desteklemekte ve sıfır bilgi kanıtları, güvenilir yürütme ortamları gibi ileri teknolojileri entegre etmektedir.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam yaşam döngüsü asenkron akış işleme: Pharos, işlemin her aşamasını birbirinden ayırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlar, böylece genel işlem verimliliği artırılır.

2. Çift sanal makine paralel yürütme: Pharos, EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun yürütme ortamını seçmelerine olanak tanır. Bu çift VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmanın yanı sıra, paralel yürütme ile işlem işleme kapasitesini de artırır.

3. Özel İşlem Ağı: SPN'ler, Pharos mimarisinin ana bileşenleridir ve belirli türdeki görevler veya uygulamalar için özel olarak tasarlanmış modüler alt ağlara benzer. SPN'ler aracılığıyla, Pharos kaynakların dinamik dağıtımını ve görevlerin paralel işlenmesini sağlayarak sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırır.

4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Stake Etme Mekanizması: Pharos, çeşitli konsensüs modellerini destekleyen esnek bir konsensüs mekanizması sunar ve yeniden stake protokolü aracılığıyla ana ağ ile SPN'ler arasında güvenli paylaşım ve kaynak entegrasyonu sağlar.

Ayrıca, Pharos, çoklu versiyonlu Merkle ağaçları, fark kodlama, versiyon adresleme ve ADS alçalma teknolojisi aracılığıyla, depolama motorunun alt katmanlarından yürütme modelini yeniden yapılandırarak, yüksek verimlilikte, düşük gecikme süresine sahip ve güçlü doğrulama yeteneklerine sahip yerel blok zinciri yüksek performanslı depolama motoru Pharos Store'u tanıttı.

Genel olarak, Pharos'un Rollup Mesh mimarisi, modüler tasarım ve asenkron işleme mekanizması sayesinde yüksek performanslı paralel hesaplama yetenekleri sunmaktadır. Pharos, çapraz Rollup paralelliği için bir zamanlayıcı ve koordinatör olarak görev yaparken, "zincir içi paralellik" için bir yürütme optimizasyon aracı değildir. Bunun yerine, SPN'ler aracılığıyla heterojen özelleştirilmiş yürütme görevlerini üstlenmektedir.

Monad, MegaETH ve Pharos'un paralel yürütülmesi dışında