Web3 параллельные вычисления: анализ пяти основных направлений и инновации совместимых с EVM цепей

Панорама параллельных вычислений Web3: лучший вариант для нативного масштабирования?

Введение: «Невозможный треугольник» блокчейна и решения по масштабированию

«Невозможный треугольник» блокчейна — «безопасность», «децентрализация», «масштабируемость» — раскрывает основные компромиссы в проектировании блокчейн-систем, а именно, что блокчейн-проекты трудно одновременно достигнуть «максимальной безопасности, доступности для всех, высокой скорости обработки». В отношении «масштабируемости», этой вечной темы, текущие основные решения по увеличению масштабируемости блокчейна на рынке классифицируются по парадигмам, включая:

  • Выполнение расширенной масштабируемости: повышение производительности на месте, например, параллельные вычисления, GPU, многопоточность.
  • Изоляция состояния для масштабирования: горизонтальное деление состояния/Shard, например, шардирование, UTXO, много подсетей
  • Внецепочечное расширение через аутсорсинг: выполнение вне цепи, например, Rollup, Копроцессор, DA
  • Структурно-разделяемое расширение: модульная архитектура, совместная работа, например, модульные цепочки, общий сортировщик, Rollup Mesh
  • Асинхронное параллельное масштабирование: Модель актора, изоляция процессов, управление сообщениями, например, агенты, многопоточные асинхронные цепи

Решения по масштабированию блокчейна включают: параллельные вычисления в цепочке, Rollup, шардирование, модули DA, модульную структуру, систему Actor, сжатие zk-доказательств, архитектуру без состояния и др., охватывающие несколько уровней: выполнение, состояние, данные, структуру, представляя собой «многоуровневую координацию и модульное сочетание» полноценной системы масштабирования. В данной статье основное внимание уделяется масштабированию, основанному на параллельных вычислениях.

Внутреннее параллельное вычисление ( intra-chain parallelism ), сосредотачиваясь на параллельном выполнении транзакций/инструкций внутри блока. В зависимости от механизма параллелизма, способы масштабирования можно разделить на пять крупных категорий, каждая из которых представляет собой разные цели производительности, модели разработки и архитектурные философии, постепенно уменьшая размер параллелизма, увеличивая степень параллелизма, а также увеличивая сложность планирования, сложность программирования и сложность реализации.

  • Параллелизм на уровне аккаунта (Account-level): представляет проект Solana
  • Объектно-ориентированное параллельное выполнение (Object-level): представляет проект Sui
  • Уровень транзакций (Transaction-level): представляет проект Monad, Aptos
  • Уровень вызова / МикроVM (Call-level / MicroVM): представляет проект MegaETH
  • Уровень командного параллелизма (Instruction-level): представляет проект GatlingX

Внецепочечная асинхронная параллельная модель, представленная системой умных агентов (Agent / Actor Model), относится к другой парадигме параллельных вычислений. Как система межцепочечных/асинхронных сообщений (не модели синхронизации блоков), каждый агент функционирует как независимый «умный процесс», работающий в асинхронном режиме, событиях, не требующий синхронного расписания. К представленным проектам относятся AO, ICP, Cartesi и другие.

А знакомые нам Rollup или схемы шардирования относятся к системным механизмам параллелизма и не являются параллельными вычислениями внутри цепочки. Они достигают масштабируемости за счет «параллельного выполнения нескольких цепочек/исполнительных доменов», а не за счет увеличения параллелизма внутри одного блока/виртуальной машины. Такие схемы масштабирования не являются основной темой данной статьи, но мы все равно будем использовать их для сравнения различий в архитектурных концепциях.

Web3 параллельные вычисления: лучший вариант нативного масштабирования?

II. Усовершенствованная цепь EVM с параллельной обработкой: прорыв в производительности при совместимости

Архитектура последовательной обработки Ethereum развивалась до сегодняшнего дня, пройдя несколько этапов масштабирования, таких как шардирование, Rollup и модульная архитектура, но瓶颈 пропускной способности на уровне выполнения все еще не был радикально преодолен. В то же время, EVM и Solidity по-прежнему являются наиболее развитыми платформами смарт-контрактов с большой базой разработчиков и экосистемным потенциалом. Таким образом, параллельные усиленные цепочки EVM, которые учитывают совместимость экосистемы и повышение производительности выполнения, становятся важным направлением новой волны эволюции масштабирования. Monad и MegaETH являются наиболее представительными проектами в этом направлении, каждый из которых строит архитектуру параллельной обработки EVM, ориентированную на высокую конкуренцию и высокую пропускную способность, исходя из задержанного выполнения и разложения состояния.

Анализ механизма параллельных вычислений Monad

Monad - это высокопроизводительная Layer1 блокчейн, заново спроектированная для виртуальной машины Ethereum (EVM), основанная на основной концепции параллельной обработки (Pipelining), с асинхронным выполнением на уровне консенсуса (Asynchronous Execution) и оптимистическим параллельным выполнением (Optimistic Parallel Execution) на уровне выполнения. Кроме того, на уровне консенсуса и хранения Monad вводит высокопроизводительный BFT-протокол (MonadBFT) и специализированную систему баз данных (MonadDB), реализуя оптимизацию от конца до конца.

Пайплайнинг: механизм параллельного выполнения с многоступенчатым конвейером

Пайплайнинг — это базовая концепция параллельного выполнения Монад, основная идея которой заключается в том, чтобы разделить процесс выполнения блокчейна на несколько независимых этапов и обрабатывать их параллельно, формируя многослойную архитектуру конвейера. Каждый этап работает в независимых потоках или ядрах, что позволяет реализовать параллельную обработку между блоками и в конечном итоге достичь повышения пропускной способности и снижения задержек. Эти этапы включают: предложение транзакции (Propose), достижение консенсуса (Consensus), выполнение транзакции (Execution) и подтверждение блока (Commit).

Асинхронное выполнение: согласование - асинхронная декомпозиция выполнения

В традиционных блокчейнах консенсус и выполнение транзакций обычно происходят синхронно, и такая последовательная модель серьезно ограничивает масштабируемость производительности. Monad реализует асинхронный консенсусный уровень, асинхронный уровень выполнения и асинхронное хранилище через «асинхронное выполнение». Это значительно снижает время блока и задержку подтверждения, делая систему более устойчивой, процесс обработки более детализированным и повышая эффективность использования ресурсов.

Ядро дизайна:

  • Процесс консенсуса (консенсусный уровень) отвечает только за сортировку транзакций, не выполняя логику контрактов.
  • Процесс выполнения (исполнительный уровень) асинхронно запускается после завершения консенсуса.
  • После завершения консенсуса немедленно перейти к процессу консенсуса следующего блока, без ожидания завершения выполнения.

Оптимистичное параллельное выполнение:乐观并行执行

Традиционный Ethereum использует строгую последовательную модель выполнения транзакций, чтобы избежать конфликтов состояния. В то время как Monad использует стратегию «оптимистичного параллельного выполнения», значительно увеличивая скорость обработки транзакций.

Механизм выполнения:

  • Monad будет оптимистично параллельно выполнять все транзакции, предполагая, что между большинством транзакций нет состояния конфликта.
  • Запускать «Детектор конфликтов (Conflict Detector))», чтобы следить за тем, обращаются ли транзакции к одному и тому же состоянию (например, конфликты чтения/записи).
  • Если будет обнаружен конфликт, конфликтные транзакции будут сериализованы и повторно выполнены, чтобы обеспечить корректность состояния.

Monad выбрала совместимый путь: минимально изменяя правила EVM, посредством отложенной записи состояния и динамического обнаружения конфликтов во время выполнения, чтобы достичь параллелизма, больше похожего на производительную версию Ethereum, с хорошей зрелостью, что облегчает миграцию экосистемы EVM, являясь параллельным ускорителем мира EVM.

Панорама сектора Web3 параллельных вычислений: лучший вариант нативного масштабирования?

Анализ механизма параллельных вычислений MegaETH

В отличие от定位 Monad, MegaETH定位为兼容 EVM 的模块化高性能并行执行层, которая может использоваться как независимая L1 публичная цепочка, так и в качестве улучшенного слоя выполнения (Execution Layer) на Ethereum или модульного компонента. Его основной проектный目标 — разложить логику учетной записи, среду выполнения и состояние на независимые минимальные единицы, которые могут быть независимо запланированы, чтобы обеспечить высокую параллельную производительность и низкую задержку отклика в цепи. Ключевое новшество, предложенное MegaETH, заключается в архитектуре Micro-VM + State Dependency DAG (ориентированный ациклический граф зависимостей состояния) и модульном механизме синхронизации, которые вместе создают параллельную систему выполнения, ориентированную на «потоковую обработку внутри цепи».

Архитектура Micro-VM (микровиртуальной машины): аккаунт как поток

MegaETH вводит модель исполнения «микровиртуальной машины (Micro-VM) для каждого аккаунта», которая «потоково» организует исполняющую среду и предоставляет минимальную единицу изоляции для параллельного планирования. Эти ВМ общаются друг с другом через асинхронные сообщения (Asynchronous Messaging), а не через синхронные вызовы, что позволяет множеству ВМ выполнять задачи независимо и хранить данные отдельно, обеспечивая естественную параллельность.

Зависимость состояния DAG: механизм планирования, основанный на графе зависимостей

MegaETH создала систему планирования DAG, основанную на отношениях доступа к состоянию аккаунтов, которая в реальном времени поддерживает глобальный граф зависимостей (Dependency Graph). Каждая транзакция моделирует, какие аккаунты были изменены и какие аккаунты были прочитаны, все это создается в виде зависимостей. Транзакции без конфликтов могут выполняться параллельно, а транзакции с зависимостями будут планироваться и сортироваться по топологическому порядку последовательно или с задержкой. Граф зависимостей обеспечивает согласованность состояния и недопустимость повторной записи во время параллельного выполнения.

Асинхронное выполнение и механизм обратного вызова

MegaETH построен на основе парадигмы асинхронного программирования, аналогичной асинхронному обмену сообщениями в модели акторов, которая решает проблему традиционных последовательных вызовов EVM. Вызовы контракта являются асинхронными (нерекурсивное выполнение), и когда вызывается контракт A -> B -> C, каждый вызов является асинхронным без блокировки ожидания; Стек вызовов разворачивается в асинхронный граф вызовов; Обработка транзакций = обход асинхронного графа + разрешение зависимостей + параллельное планирование.

В общем, MegaETH ломает традиционную модель однопоточной машины состояний EVM, реализуя упаковку микро-виртуальных машин на уровне счетов, осуществляя планирование транзакций через граф зависимости состояний и заменяя синхронный стек вызовов асинхронным механизмом сообщений. Это платформа параллельных вычислений, которая была полностью переработана с «структуры счетов → архитектуры планирования → процесса выполнения», предлагая парадигмально новый подход для создания систем следующего поколения с высокой производительностью на блокчейне.

MegaETH выбрал путь перестройки: полностью абстрагировав учетные записи и контракты в независимую ВМ, благодаря асинхронному выполнению задач, чтобы освободить предельный потенциал параллелизма. Теоретически, параллельный предел MegaETH выше, но также сложнее контролировать сложность, больше похож на суперраспределенную операционную систему в духе Эфириума.

Веб3 Параллельные вычисления: Лучше всего подходит для нативного расширения?

Дизайнерские концепции Monad и MegaETH значительно отличаются от шардирования (Sharding): шардирование делит блокчейн на несколько независимых дочерних цепочек (шарды Shards), каждая из которых отвечает за часть транзакций и состояния, разрушая ограничения единой цепи на уровне сети; в то время как Monad и MegaETH сохраняют целостность единой цепи, осуществляя горизонтальное масштабирование только на исполнительном уровне, оптимизируя производительность за счет предельного параллельного выполнения внутри единой цепи. Оба представляют собой два направления вертикального усиления и горизонтального расширения в пути расширения блокчейна.

Проекты параллельных вычислений, такие как Monad и MegaETH, в основном сосредоточены на оптимизации пропускной способности с целью повышения TPS внутри цепочки. Это достигается через отложенное выполнение (Deferred Execution) и архитектуру микровиртуальной машины (Micro-VM), что позволяет осуществлять параллельную обработку на уровне транзакций или счетов. Pharos Network, являющаяся модульной и полностью стековой параллельной L1 блокчейн-сетью, имеет свою основную параллельную вычислительную механику, называемую «Rollup Mesh». Эта архитектура поддерживает многовиртуальные среды (EVM и Wasm) благодаря совместной работе основной сети и специальных обработчиков (SPNs), а также интегрирует такие передовые технологии, как нулевое доказательство (ZK) и доверенная вычислительная среда (TEE).

Анализ механизма параллельных вычислений Rollup Mesh:

  1. Полноценная асинхронная обработка конвейера по всему жизненному циклу (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos декомпозирует различные стадии транзакции (такие как консенсус, выполнение, хранение) и использует асинхронный способ обработки, что позволяет каждой стадии выполняться независимо и параллельно, тем самым повышая общую эффективность обработки.
  2. Параллельное выполнение двух виртуальных машин (Dual VM Parallel Execution): Pharos поддерживает два виртуальных машинных окружения: EVM и WASM, позволяя разработчикам выбирать подходящее окружение выполнения в зависимости от потребностей. Эта архитектура с двумя виртуальными машинами не только повышает гибкость системы, но и улучшает возможности обработки транзакций за счет параллельного выполнения.
  3. Специальные обработочные сети (SPNs): SPNs являются ключевыми компонентами архитектуры Pharos, подобно модульным подсетям, специально предназначенным для обработки определенных типов задач или приложений. С помощью SPNs Pharos может реализовать динамическое распределение ресурсов и параллельную обработку задач, что дополнительно усиливает масштабируемость и производительность системы.
  4. Модульный консенсус и механизм повторного стекинга (Modular Consensus & Restaking): Pharos внедрил гибкий механизм консенсуса, поддерживающий различные модели консенсуса (такие как PBFT, PoS, PoA), и реализует безопасное совместное использование и интеграцию ресурсов между основной сетью и SPN через протокол повторного стекинга (Restaking).

Кроме того, Pharos с помощью многоверсионного дерева Меркла, дельта-кодирования, адресации версий и технологии ADS Pushdown реконструировал модель выполнения на уровне хранилища, выпустив высокопроизводительный хранилище блокчейна Pharos Store, обеспечивающий высокую пропускную способность и низкую задержку.

Посмотреть Оригинал
На этой странице может содержаться сторонний контент, который предоставляется исключительно в информационных целях (не в качестве заявлений/гарантий) и не должен рассматриваться как поддержка взглядов компании Gate или как финансовый или профессиональный совет. Подробности смотрите в разделе «Отказ от ответственности» .
  • Награда
  • 6
  • Репост
  • Поделиться
комментарий
0/400
FromMinerToFarmervip
· 1ч назад
Параллелизм не так надежен, как многократное шардинг.
Посмотреть ОригиналОтветить0
CryptoMomvip
· 08-08 17:58
Тогда Шардинг более надежен.
Посмотреть ОригиналОтветить0
ApeShotFirstvip
· 08-08 13:55
Безопасность и скорость не могут сосуществовать.
Посмотреть ОригиналОтветить0
RugpullTherapistvip
· 08-08 13:51
Действительно ли выполнение может усилить?
Посмотреть ОригиналОтветить0
MidnightTradervip
· 08-08 13:51
Безопасность важнее эффективности
Посмотреть ОригиналОтветить0
MaticHoleFillervip
· 08-08 13:44
Является ли открытая информация о Шардинге надежной?
Посмотреть ОригиналОтветить0
  • Закрепить