Panorama del cálculo paralelo en Web3: análisis de cinco pistas y la innovación de cadenas compatibles con EVM

Mapa panorámico de la pista de computación paralela de Web3: ¿la mejor solución para la expansión nativa?

I. Introducción: El "triángulo imposible" de blockchain y las soluciones de escalabilidad

El "triángulo imposible" de la blockchain, que incluye la "seguridad", la "descentralización" y la "escalabilidad", revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas blockchain, es decir, que es difícil para un proyecto de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En lo que respecta a la "escalabilidad", este eterno tema, las soluciones de escalado de blockchain predominantes en el mercado se clasifican según el paradigma, que incluye:

  • Ejecución de ampliación mejorada: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como paralelización, GPU y múltiples núcleos.
  • Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Sharding, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado externo de tipo outsourcing: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
  • Expansión desacoplada por estructura: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, por ejemplo, cadenas de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadena asíncrona multihilo.

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: computación paralela en la cadena, Rollup, fragmentación, módulos DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, etc., abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, siendo un sistema de escalabilidad completo de "cooperación multinivel y combinación modular". Este artículo se centra en el método de escalabilidad basado en la computación paralela como la principal.

Paralelismo intra-cadena (, enfocado en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalado se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías arquitectónicas, con un aumento progresivo en la granularidad de la paralelización, la intensidad paralela, la complejidad de la programación y la dificultad de implementación.

  • Paralelismo a nivel de cuenta (Account-level): representa el proyecto Solana
  • Paralelismo a nivel de objeto (Object-level): representa el proyecto Sui
  • Paralelismo a nivel de transacción (Transaction-level): representa el proyecto Monad, Aptos
  • Llamada de nivel / MicroVM en paralelo: representa el proyecto MegaETH
  • Paralelismo a nivel de instrucción (Instruction-level): representa el proyecto GatlingX

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de computación paralela. Como sistema de mensajes asíncronos/cruzados (modelo de sincronización no basado en blockchain), cada Agente funciona como un "proceso inteligente" independiente, manejando mensajes de manera asíncrona en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Los proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Las soluciones de escalado que conocemos bien, como Rollup o el escalado por fragmentación, pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Estas soluciones logran la escalabilidad mediante "la ejecución paralela de múltiples cadenas/dominios de ejecución", en lugar de aumentar la paralelización dentro de un solo bloque/máquina virtual. Este tipo de soluciones de escalado no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en la filosofía de la arquitectura.

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Dos, Cadena de Mejora Paralela EVM: Rompiendo los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por múltiples intentos de escalabilidad como el sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en la capacidad de ejecución aún no ha sido superado fundamentalmente. Sin embargo, al mismo tiempo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecosistémico más sólido en la actualidad. Por lo tanto, la cadena mejorada en paralelo del sistema EVM, que equilibra la compatibilidad ecosistémica y la mejora del rendimiento de ejecución, se está convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la próxima ronda de escalabilidad. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo una arquitectura de procesamiento paralelo de EVM orientada a escenarios de alta concurrencia y alta capacidad de procesamiento, desde la ejecución con retraso y la descomposición de estados.

) Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de Monad

Monad es una blockchain de alto rendimiento Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum (EVM), basada en el concepto básico de procesamiento en paralelo (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y concurrencia optimista en la capa de ejecución (Optimistic Parallel Execution). Además, en las capas de consenso y almacenamiento, Monad introduce un protocolo BFT de alto rendimiento (MonadBFT) y un sistema de base de datos dedicado (MonadDB), logrando optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela en múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads. Su idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de tuberías tridimensional. Cada etapa se ejecuta en un hilo o núcleo independiente, logrando un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, mejorando el rendimiento y reduciendo la latencia. Estas etapas incluyen: Propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloque (Commit).

Ejecución Asincrónica: Desacoplamiento Asíncrono de Consenso y Ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de transacciones suelen ser procesos sincrónicos, y este modelo secuencial limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra el consenso asíncrono, la ejecución asíncrona y el almacenamiento asíncrono a través de "ejecución asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, el proceso de manejo más segmentado y la utilización de recursos más eficiente.

Diseño central:

  • El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones, no de ejecutar la lógica de contratos.
  • El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete el consenso.
  • Una vez completado el consenso, se entra inmediatamente en el proceso de consenso del siguiente bloque, sin necesidad de esperar a que se complete la ejecución.

Ejecución Paralela Optimista:乐观并行执行

Ethereum tradicional utiliza un modelo de ejecución estrictamente serial para evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista" que aumenta significativamente la tasa de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

  • Monad ejecutará de manera optimista todas las transacciones en paralelo, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado.
  • Ejecutar simultáneamente un "Detector de Conflictos (Conflict Detector###)" para monitorear si las transacciones acceden al mismo estado (como conflictos de lectura/escritura).
  • Si se detecta un conflicto, las transacciones en conflicto se volverán a ejecutar de manera serializada para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: modificar lo menos posible las reglas de EVM, implementando paralelismo a través de la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos durante la ejecución, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum, con una buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador paralelo en el mundo de EVM.

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) Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

A diferencia de la ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución de alto rendimiento modular compatible con EVM, que puede funcionar como una cadena pública L1 independiente o como una capa de ejecución mejorada (Execution Layer) en Ethereum o un componente modular. Su objetivo de diseño central es descomponer la lógica de cuentas, el entorno de ejecución y el estado en unidades mínimas que se pueden programar de forma independiente, para lograr una ejecución de alta concurrencia y una capacidad de respuesta de baja latencia dentro de la cadena. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (State Dependency DAG) y un mecanismo de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

Micro-VM (micro máquina virtual) arquitectura: cuenta es hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución «una micro máquina virtual (Micro-VM) por cuenta», «hilos» el entorno de ejecución, proporcionando la unidad de aislamiento mínima para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí a través de mensajes asíncronos (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas síncronas, permitiendo que muchas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en una paralelización natural.

Dependencia del Estado DAG: mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencia

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de cuentas, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción modela qué cuentas se modifican y qué cuentas se leen, todo como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico o se retrasarán. El gráfico de dependencias asegura la consistencia del estado y la no escritura duplicada durante el proceso de ejecución en paralelo.

Ejecución asíncrona y mecanismo de callback

B

En resumen, MegaETH rompe con el modelo tradicional de máquina de estados de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micro máquina virtual a nivel de cuenta, realizando la programación de transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado, y sustituyendo la pila de llamadas síncronas por un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", proporcionando un nuevo enfoque a nivel de paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y los contratos en una VM independiente, liberando así un potencial de paralelismo extremo a través de la programación de ejecución asíncrona. En teoría, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil controlar la complejidad, pareciendo más un sistema operativo distribuido superado bajo la filosofía de Ethereum.

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La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada una de las cuales se encarga de parte de las transacciones y el estado, rompiendo la limitación de una sola cadena para escalar en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, extendiéndose horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones: el refuerzo vertical y la expansión horizontal en el camino de escalabilidad de la cadena de bloques.

Los proyectos de computación paralela como Monad y MegaETH se centran principalmente en la optimización del rendimiento, con el objetivo central de mejorar el TPS en la cadena, logrando un procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta mediante la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquinas virtuales (Micro-VM). Por otro lado, Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo de computación paralela central denominado "Rollup Mesh". Esta arquitectura admite el trabajo conjunto de la red principal y las redes de procesamiento especializadas (SPNs), soporta entornos de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm), e integra tecnologías avanzadas como las pruebas de conocimiento cero (ZK) y los entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

  1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diversas etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia general del procesamiento.
  2. Ejecución Paralela de Doble Máquina Virtual (Dual VM Parallel Execution): Pharos soporta dos entornos de máquina virtual, EVM y WASM, permitiendo a los desarrolladores elegir el entorno de ejecución adecuado según sus necesidades. Esta arquitectura de doble VM no solo mejora la flexibilidad del sistema, sino que también aumenta la capacidad de procesamiento de transacciones a través de la ejecución paralela.
  3. Redes de procesamiento especial (SPNs): Los SPNs son componentes clave en la arquitectura de Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos específicos de tareas o aplicaciones. A través de los SPNs, Pharos puede lograr la asignación dinámica de recursos y el procesamiento paralelo de tareas, lo que mejora aún más la escalabilidad y el rendimiento del sistema.
  4. Consenso modular y mecanismo de reestacado (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que admite múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), y a través del protocolo de reestacado (Restaking) logra un intercambio seguro y una integración de recursos entre la mainnet y los SPNs.

Además, Pharos ha reestructurado el modelo de ejecución desde la capa inferior del motor de almacenamiento mediante tecnologías como árboles de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial (Delta Encoding), direccionamiento por versiones (Versioned Addressing) y empuje ADS (ADS Pushdown), lanzando el motor de almacenamiento de alta rendimiento nativo de blockchain, Pharos Store, que logra un alto rendimiento y baja latencia.

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CryptoMomvip
· hace15h
Eso todavía es más fiable en cuanto a la Fragmentación.
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ApeShotFirstvip
· hace19h
La seguridad y la velocidad no se pueden tener al mismo tiempo.
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RugpullTherapistvip
· hace19h
¿Realmente se puede mejorar la ejecución?
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MidnightTradervip
· hace19h
¿Qué es más importante que la seguridad, la eficiencia?
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MaticHoleFillervip
· hace19h
La fragmentación de cartas es confiable.
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