Panorama de la computación paralela en Web3: comparación de soluciones de escalado en cadena y tendencias de desarrollo

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

I. Contexto del desarrollo de la computación paralela en blockchain

El "triángulo imposible" de la blockchain (seguridad, descentralización, escalabilidad) revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas de blockchain, es decir, que es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación de todos y procesamiento rápido". En cuanto al tema eterno de la "escalabilidad", las soluciones de expansión de blockchain más populares en el mercado se clasifican según paradigmas, incluyendo:

  • Ejecución de escalabilidad mejorada: aumentar la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU, múltiples núcleos.
  • Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Sharding, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado de tipo de subcontratación fuera de la cadena: llevar la ejecución fuera de la cadena, como Rollup, Coprocessor, DA
  • Escalabilidad con desacoplamiento de estructura: modularidad arquitectónica, operación colaborativa, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado asíncrono y concurrente: Modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadena asíncrona multihilo.

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: cálculo paralelo dentro de la cadena, Rollup, fragmentación, módulo DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, entre otros, abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, formando un sistema completo de escalado "colaborativo en múltiples capas y combinación modular". Este artículo se centra en las soluciones de escalado basadas principalmente en el cálculo paralelo.

Paralelismo intra-cadena (, enfocado en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, su método de escalabilidad se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, con un grado de paralelismo que se vuelve cada vez más fino, una intensidad de paralelismo que aumenta, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación que también aumentan.

  • Paralelismo a nivel de cuenta (Account-level): representa el proyecto Solana
  • Paralelismo a nivel de objeto: representa el proyecto Sui
  • Paralelismo a nivel de transacción (Transaction-level): representa los proyectos Monad, Aptos
  • Llamada de nivel / MicroVM en paralelo (Call-level / MicroVM): 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 cálculo paralelo. Como sistema de mensajes asíncronos / entre cadenas (modelo de sincronización no basado en bloques), cada Agente funciona como un "proceso inteligente independiente", utilizando un enfoque paralelo para mensajes asíncronos, impulsados por eventos, sin necesidad de programación de sincronización. Los proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de escalado mediante 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 arquitectura.

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Dos, Cadena de mejora paralela EVM: Superando los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, atravesando múltiples intentos de escalado, como el sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha tenido una ruptura fundamental. Sin embargo, al mismo tiempo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecológico más sólidos en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas de EVM, que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección clave para la evolución del nuevo ciclo de escalado. 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 alto rendimiento, desde la ejecución retardada y la descomposición del estado, respectivamente.

) Análisis del mecanismo de computación en 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 por tuberías (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y ejecución paralela 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 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 hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando un aumento del rendimiento y una reducción de la latencia. Estas etapas incluyen: Propuesta de transacción (Propose), Consenso alcanzado (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 síncronos, 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, los procesos más segmentados y la utilización de recursos más alta.

Diseño central:

  • El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones, no de ejecutar la lógica de los contratos.
  • El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete 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:乐观并行执行

Ethereum tradicional utiliza un modelo de ejecución estrictamente secuencial para las transacciones, a fin de 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.
  • 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, se volverán a ejecutar las transacciones en serie para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: moviendo lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización en el proceso de ejecución mediante la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum, con buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización en el mundo 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 paralela de alto rendimiento modular 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 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 concurrente de alta capacidad y una baja latencia en la respuesta. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (Directed Acyclic Graph de Dependencias de Estado) y un mecanismo de sincronización modular, que construye conjuntamente un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

Arquitectura Micro-VM: cuenta es hilo

MegaETH introduce un modelo de ejecución de "máquina virtual micro (Micro-VM) por cada cuenta", que "hilo" 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 sincrónicas, permitiendo que muchas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en paralelismo natural.

Dependencia de 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 la cuenta, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción modela las cuentas que modifica y las cuentas que lee como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos se pueden ejecutar 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 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 estado de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micro máquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencia de estado y utilizando un mecanismo de mensajes asíncronos en lugar de una pila de llamadas síncronas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que proporciona un nuevo enfoque de nivel paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente cuentas y contratos en una VM independiente, liberando 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 de controlar la 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 horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada una responsable de parte de las transacciones y el estado, 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 expandiéndose 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 la ruta de expansión de la cadena de bloques: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

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 dentro de la cadena, logrando procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquina virtual (Micro-VM). Por otro lado, Pharos Network es una red de blockchain L1 modular y de pila completa que tiene como mecanismo central de computación paralela lo que se denomina "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través del 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 pruebas de conocimiento cero (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

  1. Procesamiento asíncrono de canalización de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diversas etapas de una transacción (como consenso, ejecución y almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, permitiendo que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, lo que mejora la eficiencia general del procesamiento.
  2. Ejecución paralela de doble máquina virtual (Dual VM Parallel Execution): Pharos admite dos entornos de máquina virtual, EVM y WASM, lo que permite 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): Las SPNs son componentes clave en la arquitectura Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos particulares de tareas o aplicaciones. A través de las 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 mecanismo de consenso flexible, que admite múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), y logra un intercambio seguro y la integración de recursos entre la mainnet y los SPNs a través del protocolo de restaking.

Además, Pharos ha reestructurado el modelo de ejecución desde el nivel de la base de datos de almacenamiento a través de tecnologías como árboles de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial (Delta Encoding), direccionamiento versionado (Versioned Addressing) y empuje de ADS (ADS Pushdown), lanzando el motor de almacenamiento de alto rendimiento nativo de blockchain, Pharos Store, que logra un alto rendimiento, baja latencia y una fuerte capacidad de procesamiento en cadena verificable.

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NftDataDetectivevip
· 07-24 20:18
hmm el debate sobre la escalabilidad de nuevo... he visto esta película antes, para ser honesto. los rollups se ven jugosos, sin embargo
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LayoffMinervip
· 07-23 18:18
Puro ajo para tomar a la gente por tonta, tomar a la gente por tonta y ya está.
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MEVSupportGroupvip
· 07-23 09:10
¿Qué hacer si este TPS no puede ganar contra la centralización?
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LidoStakeAddictvip
· 07-23 09:00
¿Quién entiende el verdadero tps on-chain? Los datos en papel son solo humo.
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GhostAddressMinervip
· 07-23 08:56
Estos bonitos paquetes de soluciones de escalado... no son más que herramientas para que los capitalistas cosechen nuevos tontos. He rastreado algunas billeteras de instituciones, todas están acumulando en secreto tokens L2.
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shadowy_supercodervip
· 07-23 08:49
¿Otra vez hablando de la ampliación? ¿Quién no ha hecho unos cuantos rollups?
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