Паралельні обчислення в Web3: найкраще рішення для нативного масштабування?

I. Суть масштабування блокчейну та паралельні обчислення

"Неможливий трикутник" блокчейну (Blockchain Trilemma) – "безпека", "децентралізація", "масштабованість" – вказує на суттєві компроміси в дизайні блокчейн-систем. Щодо вічної теми "масштабованості", сучасні рішення для розширення блокчейну на ринку класифікуються за парадигмами, зокрема:

• Виконання вдосконаленого масштабування: підвищення виконавчих можливостей на місці, наприклад, паралельно, за допомогою GPU, багато ядер.
• Ізольоване масштабування стану: горизонтальне розділення стану/Shard, наприклад, шардінг, UTXO, багатопідмережі
• Офлайн аутсорсинг розширення: виконання поза ланцюгом, наприклад, Rollup, Coprocessor, DA
• Структурно декомпоноване масштабування: модульна архітектура, спільна робота, наприклад, модульні блоки, спільний сортувальник, Rollup Mesh
• Асинхронне масштабування з паралельною обробкою: модель актора, ізоляція процесів, керування повідомленнями, наприклад, агенти, багатопотокове асинхронне ланцюг.

Рішення щодо масштабування блокчейну включають: паралельні обчислення в ланцюгу, Rollup, шардінг, модулі DA, модульну структуру, систему Actor, стиснення zk-доказів, Stateless архітектуру тощо, охоплюючи кілька рівнів виконання, стану, даних та структури. Це є "багаторівнева координація, модульна комбінація" повна система масштабування. У цій статті особливо розглядається масштабування, засноване на паралельних обчисленнях.

Внутрішній паралелізм (, зосереджений на паралельному виконанні транзакцій/інструкцій усередині блокчейну. Згідно з механізмами паралелізму, способи масштабування можна поділити на п'ять основних категорій, кожна з яких представляє різні цілі продуктивності, моделі розробки та архітектурну філософію, з поступовим зменшенням розміру паралельних одиниць, підвищенням інтенсивності паралелізму, зростанням складності планування, а також збільшенням складності програмування та реалізації.

• Паралельність на рівні облікового запису (Account-level): представляє проект Solana
• Обʼєктний рівень паралелізму (Object-level): представляє проект Sui
• Паралельність на рівні транзакцій (Transaction-level): представляє проєкти Monad, Aptos
• Виклик рівня / МікроVM паралельний (Call-level / MicroVM): представляє проект MegaETH
• Інструкційний рівень паралелізму (Instruction-level): представляє проект GatlingX

Зовнішня асинхронна конкурентна модель, що представлена системою агентів (Agent / Actor Model), є ще одним паралельним обчислювальним парадигмою, як система міжланцюгових/асинхронних повідомлень (не синхронізована модель блокчейну), кожен агент виступає як незалежно працюючий "інтелектуальний процес"; асинхронне повідомлення, кероване подіями, без необхідності синхронізації, до представлених проєктів належать AO, ICP, Cartesi тощо.

А відомі нам Rollup або рішення для розширення через фрагментацію належать до механізмів конкурентності на системному рівні, а не до паралельних обчислень на ланцюзі. Вони реалізують розширення через "паралельний запуск кількох ланцюгів/виконавчих доменів", а не через підвищення паралельності всередині одного блоку/віртуальної машини. Такі рішення для розширення не є основною темою цього документа, але ми все ж використовуватимемо їх для порівняння подібностей і відмінностей у архітектурних концепціях.

![Web3 паралельних обчислень: найкраще рішення для нативного масштабування?])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-2340d8a61251ba55c370d74178eec53e.webp(

Два. EVM-система паралельного підсилення ланцюга: прорив меж продуктивності в сумісності

Архітектура серійної обробки Ethereum розвивалася до сьогодні, пройшовши кілька етапів розширення, таких як шардінг, Rollup, модульна архітектура, але вузьке місце в пропускній здатності виконавчого шару все ще не було подолано. Тим часом EVM та Solidity залишаються найпотужнішими платформами смарт-контрактів з точки зору бази розробників та екосистеми. Тому паралельні покращені ланцюги на основі EVM стають ключовим шляхом, який поєднує екосистемну сумісність та підвищення продуктивності виконання, і стають важливим напрямком нової хвилі еволюції розширення. Monad та MegaETH є найбільш представленими проектами в цьому напрямку, які, виходячи з затримки виконання та розподілу стану, створюють архітектуру паралельної обробки EVM, орієнтуючись на сценарії з високою конкуренцією та високою пропускною здатністю.

) Аналіз механізму паралельних обчислень Monad

Monad є високопродуктивним Layer1 блокчейном, переробленим для віртуальної машини Ethereum (EVM), заснованим на базовій паралельній концепції конвеєрної обробки (Pipelining), з асинхронним виконанням на рівні консенсусу (Asynchronous Execution) та оптимістичним паралельним виконанням (Optimistic Parallel Execution) на рівні виконання. Крім того, на рівнях консенсусу та зберігання Monad впроваджує високопродуктивний BFT протокол (MonadBFT) та спеціалізовану систему бази даних (MonadDB), що забезпечує оптимізацію від кінця до кінця.

Pipelining: Механізм паралельного виконання багатоступеневих конвеєрів

Pipelining є основною ідеєю паралельного виконання Monad, її основна думка полягає в розбивці процесу виконання блокчейну на кілька незалежних етапів і паралельній обробці цих етапів, що утворює об'ємну конвеєрну архітектуру. Кожен етап працює на незалежних потоках або ядрах, що забезпечує паралельну обробку через блоки, в кінцевому підсумку досягаючи підвищення пропускної здатності та зниження затримки. Ці етапи включають: пропозицію транзакцій (Propose), досягнення консенсусу (Consensus), виконання транзакцій (Execution) та підтвердження блоку (Commit).

Асинхронне виконання: декомпозиція консенсусу та виконання

У традиційних блокчейнах процеси консенсусу та виконання зазвичай є синхронними, і ця послідовна модель серйозно обмежує масштабованість продуктивності. Monad реалізує асинхронний консенсусний рівень, асинхронний рівень виконання та асинхронне зберігання через "асинхронне виконання". Це значно зменшує час блоку (block time) та затримку підтвердження, роблячи систему більш стійкою, процеси обробки більш деталізованими та використання ресурсів більш ефективним.

Основний дизайн:

• Процес консенсусу (шар консенсусу) відповідає лише за впорядкування транзакцій, не виконуючи логіку контрактів.
• Процес виконання (виконавчий рівень) асинхронно запускається після завершення консенсусу.
• Після завершення консенсусу одразу переходьте до процесу консенсусу наступного блоку, не чекаючи завершення виконання.

Оптимістичне Паралельне Виконання：乐观并行执行

Традиційний Ethereum використовує сувору послідовну модель для виконання транзакцій, щоб уникнути конфліктів стану. Натомість Monad використовує стратегію "оптимістичного паралельного виконання", що значно підвищує швидкість обробки транзакцій.

Механізм виконання:

• Monad оптимістично паралельно виконує всі транзакції, припускаючи, що більшість транзакцій не мають конфліктів стану.
• Одночасно запускається "Детектор конфліктів (Conflict Detector###)" для моніторингу того, чи відбувається доступ до одного й того ж стану між транзакціями (наприклад, конфлікти читання/запису).
• Якщо виявлено конфлікт, то конфліктні транзакції будуть серіалізовані та повторно виконані, щоб забезпечити коректність стану.

Monad обрала сумісний шлях: мінімально змінюючи правила EVM, під час виконання реалізує паралельність, відстрочуючи запис статусу та динамічно виявляючи конфлікти, більше схоже на продуктивну версію Ethereum, має хорошу зрілість і легко реалізує міграцію екосистеми EVM, є паралельним прискорювачем світу EVM.

![Web3 паралельні обчислення: найкраще рішення для нативного масштабування?])https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-dc016502755a30d5a95a8134f7586162.webp(

) Аналіз механізму паралельних обчислень MegaETH

На відміну від позиціонування L1 Monad, MegaETH позиціонується як модульний високопродуктивний паралельний виконавчий шар, сумісний з EVM, який може функціонувати як незалежний L1 публічний блокчейн або як підвищений виконавчий шар (Execution Layer) на Ethereum або модульний компонент. Основна мета його дизайну полягає в розділенні логіки облікового запису, середовища виконання та стану на незалежно плановані мінімальні одиниці для досягнення високої паралельності виконання та низької затримки реакції в межах ланцюга. Ключова інновація MegaETH полягає в: архітектурі Micro-VM + State Dependency DAG (орієнтований ациклічний граф залежностей стану) та модульному механізмі синхронізації, які разом створюють паралельну виконавчу систему, орієнтовану на "потоковість у ланцюзі".

Архітектура Micro-VM (мікровіртуальна машина): обліковий запис — це потік

MegaETH впроваджує модель виконання "мікровіртуальної машини (Micro-VM) для кожного облікового запису", яка "потоково" організовує виконуване середовище, забезпечуючи мінімальний ізоляційний одиницю для паралельного планування. Ці ВМ спілкуються один з одним через асинхронне повідомлення (Asynchronous Messaging), а не синхронні виклики, що дозволяє багатьом ВМ виконуватись незалежно та зберігатись незалежно, природно паралельно.

Даг залежності стану: механізм планування на основі графа залежностей

MegaETH побудував систему розкладу DAG, що базується на відносинах доступу до стану облікових записів, система в реальному часі підтримує глобальну графіку залежностей (Dependency Graph), кожна транзакція модифікує які облікові записи, читає які облікові записи, все моделюється як відносини залежності. Безконфліктні транзакції можуть виконуватись паралельно, тоді як транзакції з відносинами залежності будуть підлягати розподілу та сортуванню відповідно до топологічного порядку. Граф залежностей забезпечує узгодженість стану та невипадковість запису під час процесу паралельного виконання.

Асинхронне виконання та механізм зворотного виклику

MegaETH побудований на основі парадигми асинхронного програмування, аналогічно асинхронному обміну повідомленнями моделі актора, яка вирішує проблему традиційних послідовних викликів EVM. Виклики контрактів є асинхронними (нерекурсивним виконанням), і при виклику контракту A -> B -> C кожен виклик є асинхронним без блокування очікування; Стек викликів розгортається в асинхронний графік дзвінків; Обробка транзакцій = обхід асинхронного графіка + дозвіл залежностей + паралельне планування.

В цілому, MegaETH порушує традиційну модель однопотокового стану EVM, реалізуючи мікровіртуальні машини на основі облікових записів, здійснюючи планування транзакцій через граф залежностей стану та замінюючи синхронний стек викликів асинхронним механізмом повідомлень. Це платформа паралельних обчислень, яка була перероблена з усіх вимірів "структура облікового запису → архітектура планування → процес виконання", що надає нові парадигми для побудови наступного покоління високопродуктивних систем на блокчейні.

MegaETH обрала шлях реконструкції: повністю абстрагуючи рахунки та контракти в окрему VM, шляхом асинхронного виконання розподілу для розкриття крайніх можливостей паралельного виконання. Теоретично, паралельний ліміт MegaETH вищий, але також складніше контролювати складність, більше схоже на суперрозподілену операційну систему в рамках концепції Ethereum.

![Web3 паралельних обчислень: найкраще рішення для рідної масштабованості?]###https://img-cdn.gateio.im/webp-social/moments-9c4a4c4309574e45f679b2585d42ea16.webp(

Дизайнерські концепції Monad і MegaETH суттєво відрізняються від шардінгу: шардінг розділяє блокчейн на кілька незалежних підланок (шарди), кожна з яких відповідає за частину транзакцій і стану, порушуючи обмеження одноланкової архітектури для розширення на мережевому рівні; натомість Monad і MegaETH зберігають цілісність одноланкової архітектури, лише горизонтально розширюючись на виконавчому рівні, досягаючи оптимізації паралельного виконання всередині однієї ланки для досягнення високої продуктивності. Обидва вони представляють вертикальне зміцнення та горизонтальне розширення в шляху розширення блокчейну.

Проекти паралельних обчислень, такі як Monad та MegaETH, в основному зосереджені на оптимізації пропускної здатності, з основною метою підвищення TPS в мережі, реалізуючи обробку транзакцій або облікових записів паралельно за допомогою відкладеного виконання (Deferred Execution) та архітектури мікровіртуальної машини (Micro-VM). Pharos Network, як модульна, повноцінна паралельна L1 блокчейн-мережа, має основний механізм паралельних обчислень, відомий як "Rollup Mesh". Ця архітектура підтримує співпрацю між основною мережею та спеціальними обробними мережами (SPNs), підтримує багатовіртуальне середовище (EVM та Wasm) та інтегрує передові технології, такі як нульові знання (ZK) та довірене середовище виконання (TEE).

Аналіз механізму паралельних обчислень Rollup Mesh:

1. Повний життєвий цикл асинхронної обробки конвеєра (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos розділяє різні етапи транзакції (такі як консенсус, виконання, зберігання) і застосовує асинхронний підхід, що дозволяє кожному етапу незалежно і паралельно виконуватись, що підвищує загальну ефективність обробки.
2. Паралельне виконання двох віртуальних машин (Dual VM Parallel Execution): Pharos підтримує дві віртуальні середовища EVM та WASM, дозволяючи розробникам вибирати відповідне середовище виконання відповідно до потреб. Ця архітектура з двома віртуальними машинами не лише підвищує гнучкість системи, але й покращує здатність обробки транзакцій шляхом паралельного виконання.
3. Спеціалізовані мережі (SPNs): SPNs є ключовими компонентами архітектури Pharos, подібно до модульних підмереж, які спеціально призначені для обробки певних типів завдань або додатків. Завдяки SPNs, Pharos може реалізувати динамічний розподіл ресурсів і паралельну обробку завдань, що ще більше підвищує масштабованість і продуктивність системи.
4. Модульний консенсус та механізм повторного стейкінгу (Modular Consensus & Restaking): Pharos впроваджує гнучкий механізм консенсусу, що підтримує кілька моделей консенсусу (таких як PBFT, PoS, PoA), та реалізує безпечний обмін і інтеграцію ресурсів між основною мережею та SPN за допомогою протоколу повторного стейкінгу.

Крім того, Pharos за допомогою технологій багатоверсійного дерева Меркла, диференційного кодування (Delta Encoding), адресації версій (Versioned Addressing) та підштовхування ADS (ADS Pushdown) реконструював модель виконання на базі зберігання і запустив рідний блокчейн з високопродуктивним зберіганням Pharos Store, що забезпечує високу пропускну здатність, низьку затримку та потужні можливості перевірки даних на ланцюзі.

У загальному підсумку, архітектура Rollup Mesh від Pharos через мод