Экосистема параллельных вычислений Web3: эволюция от совместимости с EVM до модульной архитектуры

Панорама параллельных вычислений в Web3: Лучшее решение для нативного масштабирования?

I. Введение: Применение параллельных вычислений в блокчейне

"Невозможный треугольник" блокчейна (Blockchain Trilemma) "безопасность", "децентрализация", "масштабируемость" выявляет основные компромиссы в проектировании блокчейн-систем, а именно, что блокчейн-проектам трудно одновременно достичь "максимальной безопасности, вовлеченности всех и высокой скорости обработки". Что касается "масштабируемости", этой вечной темы, в настоящее время основные решения для увеличения масштабируемости блокчейна на рынке различаются по парадигмам, включая:

  • Выполнение улучшенного масштабирования: повышение исполнительной способности на месте, например, параллельная обработка, GPU, многоядерные.
  • Изолированное расширение состояния: горизонтальное разделение состояния / Shard, например, шардирование, UTXO, многоподсеть
  • Внешняя масштабируемость с использованием аутсорсинга: выполнение вне цепочки, например, Rollup, Копроцессор, DA
  • Декуплированное расширение структуры: модульная архитектура, совместная работа, например, модульные цепочки, общий сортировщик, Rollup Mesh
  • Асинхронное конкурентное расширение: Модель акторов, изоляция процессов, управление сообщениями, например, агенты, многопоточная асинхронная цепь

Решения по масштабированию блокчейна включают: параллельные вычисления внутри цепи, Rollup, шардирование, модуль DA, модульную структуру, систему Actor, сжатие zk-доказательств, безстатусную архитектуру и т.д., охватывающие несколько уровней исполнения, состояния, данных и структуры, представляя собой "многослойную кооперацию и модульную комбинацию" полную систему масштабирования. В данной статье основное внимание уделяется способу масштабирования, основанному на параллельных вычислениях.

Внутреннее параллельное вычисление (intra-chain parallelism), сосредоточенное на параллельном выполнении транзакций / команд внутри блока. В зависимости от механизма параллелизма, способы масштабирования можно разделить на пять основных категорий, каждая из которых представляет собой разные цели производительности, модели разработки и архитектурные философии. Параллелизм становится все более детализированным, интенсивность параллелизма возрастает, сложность планирования также увеличивается, а сложность программирования и реализация становятся все более сложными.

  • Уровень аккаунта параллельный (Account-level): представляет проект Solana
  • Объектное параллельное выполнение (Object-level): представляет проект Sui
  • Уровень транзакций (Transaction-level): представляет проект Monad, Aptos
  • Уровень вызова / Микро VM параллельно (Call-level / MicroVM): представляет проект MegaETH
  • Параллелизм на уровне инструкций (Instruction-level): представляет проект GatlingX

Внецепочечная асинхронная конкурентная модель, представляемая системой умных агентов (Модель Агент/Актер), относится к другой парадигме параллельных вычислений, как межцепочечная/асинхронная система сообщений (не модель синхронизации блоков), каждый Агент выступает в качестве независимого "умного процесса", асинхронно обменивается сообщениями, управляемыми событиями, без необходимости синхронного планирования, представленные проекты включают AO, ICP, Cartesi и другие.

А хорошо известные нам схемы Rollup или шардирования относятся к системным конкурентным механизмам и не являются параллельными вычислениями внутри цепи. Они реализуют масштабируемость за счет "параллельного запуска нескольких цепей / исполняющих сред", а не за счет повышения параллелизма внутри одного блока / виртуальной машины. Такие схемы масштабируемости не являются основной темой данной статьи, но мы все равно будем использовать их для сравнительного анализа архитектурных концепций.

Панорамная карта параллельных вычислений Web3: лучший вариант для родного расширения?

II. EVM-система параллельного улучшения цепи: прорыв в производительности в условиях 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 исполнения все еще не был радикально преодолен. Тем не менее, EVM и Solidity по-прежнему являются самыми популярными платформами смарт-контрактов с точки зрения разработчиков и экосистемного потенциала. Поэтому цепочка параллельного усиления EVM становится ключевым направлением, которое сочетает совместимость с экосистемой и повышение производительности исполнения, и сейчас она становится важным направлением новой волны эволюции масштабирования. Monad и MegaETH являются наиболее представительными проектами в этом направлении, которые соответственно строят архитектуру параллельной обработки EVM, ориентированную на высокую параллельность и высокую пропускную способность, начиная с задержки исполнения и разбиения состояния.

Анализ механизма параллельных вычислений Monad

Monad - это высокопроизводительная блокчейн-сеть Layer1, переосмысленная для виртуальной машины Ethereum (EVM), основанная на основной парадигме параллельной обработки (Pipelining), с асинхронным выполнением на уровне консенсуса (Asynchronous Execution) и оптимистичной параллельной обработкой на уровне выполнения (Optimistic Parallel Execution). Кроме того, на уровнях консенсуса и хранения Monad соответственно внедряет высокопроизводительный BFT-протокол (MonadBFT) и специализированную систему баз данных (MonadDB), обеспечивая оптимизацию от конца до конца.

Пайплайнинг: механизм параллельного выполнения многослойного конвейера

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

Асинхронное выполнение: консенсус - выполнение асинхронного декуплинга

В традиционных блокчейнах консенсус и выполнение транзакций обычно происходят в синхронном режиме, и эта последовательная модель серьезно ограничивает возможности масштабирования производительности. Monad реализует асинхронный консенсус, асинхронное выполнение и асинхронное хранение через "асинхронное выполнение". Это значительно снижает время блока и задержку подтверждения, делая систему более устойчивой, процессы обработки более детализированными и повышая эффективность использования ресурсов.

Ядро проектирования:

  • Процесс согласия (уровень согласия) отвечает только за сортировку транзакций, не выполняя логику контрактов.
  • Процесс выполнения (уровень выполнения) запускается асинхронно после завершения консенсуса.
  • После завершения консенсуса сразу переходите к процессу консенсуса следующего блока, не дожидаясь 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 применяет стратегию "оптимистичного параллельного выполнения", значительно увеличивая скорость обработки транзакций.

Механизм выполнения:

  • Monad будет оптимистично выполнять все транзакции параллельно, предполагая, что между большинством транзакций нет конфликтов состояния.
  • Одновременно запустите "Детектор конфликтов (Conflict Detector)", чтобы отслеживать, обращались ли транзакции к одному и тому же состоянию (например, конфликты чтения / записи).
  • Если обнаружен конфликт, конфликтные транзакции будут сериализованы и выполнены повторно, чтобы гарантировать корректность состояния.

Monad выбрал совместимый путь: минимально изменяя правила EVM, в процессе выполнения достигая параллелизма за счет отложенной записи состояния и динамического обнаружения конфликтов, больше похож на производительную версию Ethereum, с хорошей зрелостью, что облегчает миграцию экосистемы EVM, являясь параллельным акселератором мира EVM.

Web3 параллельные вычисления ландшафт: лучший вариант для нативного масштабирования?

Анализ механизма параллельных вычислений MegaETH

В отличие от L1 позиционирования Monad, MegaETH позиционируется как модульный высокопроизводительный параллельный уровень выполнения, совместимый с EVM, который может использоваться как независимая L1 блокчейн, так и как уровень улучшения выполнения (Execution Layer) на Ethereum или модульный компонент. Его основной дизайн-цель заключается в том, чтобы разложить логику аккаунта, среду выполнения и состояние на независимые минимальные единицы для достижения высокой параллельной обработки и низкой задержки отклика внутри цепи. Ключевое нововведение MegaETH заключается в архитектуре Micro-VM + State Dependency DAG (ориентированный ациклический граф зависимости состояния) и модульном механизме синхронизации, которые вместе формируют параллельную систему выполнения, ориентированную на "потоковое выполнение в цепи".

Архитектура Micro-VM (микровиртуальная машина): аккаунт как поток

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

Зависимость от состояния DAG: механизмы планирования на основе графа зависимостей

MegaETH построила систему планирования на основе направленного ациклического графа (DAG), основанную на отношениях доступа к состоянию аккаунтов. Система в реальном времени поддерживает глобальный граф зависимостей (Dependency Graph), моделируя все изменения, которые каждую транзакцию делает с определенными аккаунтами, и какие аккаунты читаются, как зависимости. Транзакции без конфликтов могут выполняться параллельно, а транзакции с зависимостями будут планироваться и упорядочиваться в соответствии с топологическим порядком, либо последовательно, либо отложенно. Граф зависимостей обеспечивает согласованность состояния и недопущение повторных записей в процессе 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 разрушает традиционную модель однопоточной машины состояний EVM, реализуя микро-виртуальную машину в упаковке на уровне аккаунта, осуществляя планирование транзакций через граф зависимости состояний и заменяя синхронный стек вызовов асинхронным механизмом сообщений. Это платформа параллельных вычислений, которая была полностью перепроектирована от "структуры аккаунта → архитектуры планирования → процесса выполнения", предлагая новые парадигмальные идеи для построения систем следующего поколения высокой производительности на цепочке.

MegaETH выбрал путь реконструкции: полностью абстрагировать учетные записи и контракты в независимую виртуальную машину (VM) и использовать асинхронное выполнение для освобождения максимального потенциала параллелизма. Теоретически, параллельный лимит MegaETH выше, но также сложнее контролировать сложность, больше напоминает суперраспределенную операционную систему, основанную на идеях Ethereum.

Панорама параллельных вычислений Web3: лучшее решение для нативного масштабирования?

Дизайнерские концепции Monad и MegaETH значительно отличаются от шардирования (Sharding): шардирование разбивает блокчейн на несколько независимых подсетей (шарды), каждая из которых отвечает за часть транзакций и состояний, разрушая ограничения единой цепи для горизонтального масштабирования на уровне сети; в то время как Monad и MegaETH сохраняют целостность единой цепи, горизонтально масштабируясь только на уровне исполнения, достигая предельной параллельной оптимизации внутри единой цепи для повышения производительности. Оба представляют собой два направления в пути расширения блокчейна: вертикальное усиление и горизонтальное расширение.

Проекты параллельных вычислений, такие как Monad и MegaETH, в основном сосредотачиваются на оптимизации пропускной способности с целью повышения TPS внутри цепи, реализуя параллельную обработку на уровне транзакций или учетных записей через отложенное выполнение (Deferred Execution) и архитектуру микро-виртуальных машин (Micro-VM). В то время как Pharos Network является модульной, полнофункциональной параллельной сетью L1 блокчейна, ее основным механизмом параллельных вычислений называется "Rollup Mesh". Эта архитектура поддерживает работу главной сети и специальной сети обработки (SPNs), обеспечивая много виртуальных машин (EVM и Wasm) и интегрируя такие передовые технологии, как доказательства с нулевым разглашением (ZK) и доверенные вычислительные среды (TEE).

Анализ механизма параллельных вычислений Rollup Mesh:

  1. Полноценная асинхронная обработка конвейера на протяжении всего жизненного цикла (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos декомпозирует различные стадии транзакции (такие как консенсус, выполнение, хранение) и использует асинхронный метод обработки, что позволяет каждой стадии работать независимо и параллельно, тем самым повышая общую эффективность обработки.
  2. Параллельное выполнение с двумя виртуальными машинами (Dual VM Parallel Execution): Pharos поддерживает две виртуальные среды — EVM и WASM, позволяя разработчикам выбирать подходящую среду выполнения в зависимости от потребностей. Эта архитектура с двумя виртуальными машинами не только повышает гибкость системы, но и улучшает способность обработки транзакций за счет параллельного выполнения.
  3. Специальные сетевые обработки (SPNs): SPNs являются ключевыми компонентами архитектуры Pharos, подобно модульным подсетям, специально предназначенным для обработки определенных типов задач или приложений. С помощью SPNs Pharos может осуществлять 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 вводит гибкий механизм консенсуса, поддерживающий множество моделей консенсуса (например, PBFT
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
  • 4
  • Поделиться
комментарий
0/400
WalletDetectivevip
· 12ч назад
Нечестивая Троица? Еще думаешь о хороших вещах~
Посмотреть ОригиналОтветить0
SerumSqueezervip
· 12ч назад
Слишком теоретично, лучше сразу проверить TPS.
Посмотреть ОригиналОтветить0
CrashHotlinevip
· 12ч назад
Говорили полдня, а всё равно учимся у ETH.
Посмотреть ОригиналОтветить0
CryptoAdventurervip
· 12ч назад
Слушая вас, я понял три вида ловушек для неудачников.
Посмотреть ОригиналОтветить0
  • Закрепить