Panorama de cálculo paralelo en Web3: evolución de la escalabilidad desde la ejecución en cadena hasta la colaboración entre múltiples cadenas

Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo Web3: ¿la mejor solución de escalabilidad nativa?

El "trilema" de la cadena de bloques (Blockchain Trilemma) de "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad" revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas de cadena de bloques, es decir, es difícil para los proyectos de cadena de bloques lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En cuanto a la "escalabilidad", este eterno tema, las soluciones de escalado de cadena de bloques predominantes en el mercado se clasifican según paradigmas, que incluyen:

  • Ejecución de escalado mejorado: Mejora de la capacidad de ejecución in situ, por ejemplo, paralelización, GPU, multi-núcleo
  • Escalabilidad de aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado de tipo de subcontratación fuera de la cadena: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
  • Escalabilidad de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, funcionamiento colaborativo, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado asincrónico y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadena asincrónica multihilo.

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: computación paralela en la cadena, Rollup, fragmentación, módulo DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, etc., abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, formando un sistema completo de escalabilidad de "colaboración en múltiples capas y combinación de módulos". Este artículo se centra en las soluciones de escalabilidad con computación paralela como la principal.

La computación paralela dentro de la cadena ( intra-chain parallelism ) se centra en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalabilidad se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías arquitectónicas. Cada categoría presenta una granularidad de paralelismo cada vez más fina, una intensidad de paralelismo cada vez mayor, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación también en aumento.

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

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes inteligentes )Agent / Actor Model(, que pertenece a otro paradigma de computación paralela, como sistema de mensajes cruzados/asíncronos )modelo de sincronización no de bloques(, cada agente funciona como un "proceso inteligente" en ejecución independiente, enviando mensajes de manera asíncrona, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización, proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Las soluciones de escalado que conocemos bien, como Rollup o shards, 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 único 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 en la filosofía de arquitectura.

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II. 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 escalado 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 mayor base de desarrolladores y potencial ecológico. Por lo tanto, la cadena paralela EVM como un camino clave que equilibra la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución se está convirtiendo en una dirección importante en la evolución del escalado. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo una arquitectura de procesamiento paralelo EVM orientada a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, desde el retraso en la ejecución y la descomposición del estado.

) Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de Monad

Monad es una blockchain de alto rendimiento de Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum (EVM), basada en el concepto fundamental de paralelismo de procesamiento en pipeline ###Pipelining(, que ejecuta de manera asíncrona en la capa de consenso )Asynchronous Execution( y utiliza 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 una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads. Su idea central es descomponer el flujo de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de línea de producción tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando un aumento en el rendimiento y una reducción de la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción )Propose(, consenso )Consensus(, ejecución de transacción )Execution( y compromiso de bloque )Commit(.

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de la Ejecución

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos sincronizados, y este modelo en serie limita seriamente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra la asincronía en la capa de consenso, la capa de ejecución y el almacenamiento a través de "ejecución asincrónica". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque )block time( y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, con procesos más segmentados y una mayor eficiencia en el uso de recursos.

Diseño central:

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

Ejecución Paralela Optimista: Ejecución Paralela Optimista

Ethereum tradicional utiliza un modelo de ejecución estrictamente secuencial para evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que aumenta significativamente la velocidad 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 entre sí.
  • 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 forma serializada para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: modificando lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización a través de la escritura diferida del estado y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, es más como una versión de rendimiento de Ethereum, con buena madurez y fácil migración del ecosistema EVM, es un acelerador de paralelización en el mundo EVM.

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) Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

A diferencia de la localización L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento modular y compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente como una capa de mejora de ejecución en Ethereum(Execution Layer) 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 alta concurrencia en la ejecución y una baja latencia en la capacidad de respuesta. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado###gráfico acíclico dirigido de dependencia de estado( y mecanismo de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilo en cadena".

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

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

DAG de Dependencia de Estado: Mecanismo de Programación Basado en Gráficos de Dependencia

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de las cuentas, el sistema 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 de forma secuencial o se retrasarán. El gráfico de dependencias garantiza 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 el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado, y sustituyendo la pila de llamadas sincrónicas por un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de cálculo paralelo rediseñada desde una perspectiva de "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque paradigmático para construir la próxima generación de sistemas en cadena de alto rendimiento.

MegaETH eligió un camino de reestructuración: abstraer completamente las cuentas y los contratos en una VM independiente, liberando el máximo potencial de paralelismo a través de la programación de ejecución asíncrona. Teóricamente, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil de controlar en complejidad, pareciendo más un sistema operativo superdistribuido 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 en múltiples subcadenas independientes )fragmentos Shards(, cada subcadena es responsable de parte de las transacciones y estados, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la expansión en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, solo expandiendo horizontalmente en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de expansión de la cadena de bloques: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

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Los proyectos de computación paralela como Monad y MegaETH se centran principalmente en optimizar el rendimiento, con el objetivo principal de aumentar el TPS dentro de la cadena. Esto se logra mediante la ejecución diferida )Deferred Execution( y la arquitectura de micro-vm )Micro-VM( para el procesamiento paralelo a nivel de transacción o de cuenta. Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa, cuyo mecanismo central de computación paralela se denomina "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través de la colaboración entre la red principal y la red de procesamiento especial )SPNs(, admite entornos de múltiples máquinas virtuales )EVM y Wasm(, e integra tecnologías avanzadas como pruebas de conocimiento cero )ZK( y entornos de ejecución confiables )TEE(.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

  1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo ): Pharos desacopla las diversas etapas de la transacción (, como consenso, ejecución y 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 VM (: Pharos admite 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. Tratamiento especial de la red )SPNs(: 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 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 restaking)Modular Consensus & Restaking(: Pharos introduce un consenso flexible
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DarkPoolWatchervip
· hace23h
Otra tanda de soluciones de escalabilidad, se ha puesto animado.
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TokenBeginner'sGuidevip
· 07-27 10:48
Pequeño recordatorio: lo que se llama escalado conlleva un 90% de riesgo debido a cambios en la arquitectura subyacente, se recomienda pensarlo dos veces.
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OnchainDetectivevip
· 07-25 08:02
Este plan está casi terminado.
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AirdropHarvestervip
· 07-25 08:02
Espera, ¿cómo es que ya han ampliado la capacidad?
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ContractSurrendervip
· 07-25 08:01
La tecnología realmente no puede resolver la experiencia
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ResearchChadButBrokevip
· 07-25 07:55
Siento que aún hay que enrollar rollup
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BuyHighSellLowvip
· 07-25 07:50
Miré un montón y aún así se enrolló.
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