Mapa panorámico de computación paralela Web3: discusión sobre la mejor solución de escalabilidad nativa

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

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

  • Ejecutar la ampliación mejorada: mejorar la capacidad de ejecución en su lugar, como la paralelización, GPU, y múltiples núcleos.
  • Aislamiento de estado tipo escalamiento: división horizontal de estado / Shard, como fragmentación, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado externo de tipo outsourcing: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
  • Expansión de desacoplamiento estructural: módulos arquitectónicos, operación colaborativa, como cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado asíncrono y concurrente: Modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadenas asíncronas multihilo

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: computación paralela dentro de 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 "multi-nivel colaborativo y combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalabilidad basado en la computación paralela como la opción principal.

Computación paralela intra-cadena (intra-chain parallelism), se centra en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro de un bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalabilidad se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, con un grado de paralelismo cada vez más fino, una intensidad paralela cada vez mayor, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación en aumento.

  • 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 (: Representa el proyecto Monad, Aptos
  • Llamada de nivel / Micro VM paralelo ) 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 entidades Actor )Agent / Actor Model(, que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo, como sistema de mensajes cruzados / asíncronos )modelo no sincronizado de bloques(, cada Agente actúa como un "proceso inteligente" en funcionamiento independiente, mensajes asíncronos en modo paralelo, impulsados por eventos, sin necesidad de programación de sincronización. Los proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Las soluciones de escalabilidad que conocemos bien, como Rollup o 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 al «ejecutar múltiples cadenas / dominios de ejecución en paralelo», en lugar de aumentar la paralelización dentro de un solo bloque / máquina virtual. Este tipo de soluciones de escalabilidad no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar similitudes y diferencias en la filosofía de arquitectura.

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2. Cadena mejorada de paralelismo EVM: superando 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 modulares, pero el cuello de botella en la capacidad de ejecución aún no ha sido superado de manera fundamental. Sin embargo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecológico más fuerte en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas de EVM, que son una ruta clave para equilibrar la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección importante para la evolución del escalado en esta nueva ronda. 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, a partir de la ejecución diferida y la descomposición del estado.

) 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 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 respectivamente el 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 de múltiples etapas

El Pipelining es el concepto fundamental de la ejecución paralela de Monads. Su idea central es descomponer el proceso de ejecución de la cadena de bloques en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de tubería 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 ) Consensus ( Ejecución de transacción ) Execution ( y Compromiso de bloque ) Commit (.

Ejecución Asíncrona: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de Ejecución

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos síncronos, y este modelo en serie limita gravemente 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". 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 utilización de recursos.

Diseño central:

  • Proceso de consenso ) Capa de consenso ( solo se encarga de ordenar transacciones, no de ejecutar la lógica del contrato.
  • Proceso de ejecución ) capa de ejecución ( se activa de forma asíncrona después de completar el consenso.
  • Una vez completado el consenso, se inicia inmediatamente 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 utiliza 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 «Conflict Detector)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 conflicto de forma secuencial para asegurar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: interfiere lo menos posible con las reglas de EVM, implementa la paralelización mediante la escritura diferida del estado y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, es más como una versión de alto rendimiento de Ethereum, con buena madurez y fácil de realizar la 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 ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento y 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 de alta concurrencia en la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La clave de la innovación propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + State Dependency DAG)gráfico dirigido acíclico de dependencia de estado( y un mecanismo de sincronización modular, que construyen conjuntamente un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos en la cadena".

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

MegaETH introduce el modelo de ejecución "una micro máquina virtual 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 comunicación de mensajes asíncronos )Asynchronous Messaging(, en lugar de llamadas síncronas, permitiendo que muchas VM se ejecuten de forma independiente y almacenen de forma independiente, siendo naturalmente paralelas.

Dependencia de Estado DAG: mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencias

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 serial 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 el modelo tradicional de máquina de estado de hilo único EVM, implementando un encapsulamiento de micro máquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencia de estado y reemplazando la pila de llamadas síncronas con 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", ofreciendo nuevas ideas a nivel de paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reestructuración: abstraer completamente las cuentas y contratos en una VM independiente, liberando un potencial de paralelismo extremo a través de la programación de ejecución asíncrona. Teóricamente, el límite de paralelismo de MegaETH es mayor, pero también es más difícil controlar la complejidad, asemejándose a un sistema operativo super distribuido bajo la filosofía de Ethereum.

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Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño que difieren significativamente de Sharding ): Sharding divide la blockchain horizontalmente en múltiples cadenas independientes ( Shards ), cada una responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la expansión a nivel 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 dentro de la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de expansión de blockchain: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

Panorama del sector de computación paralela Web3: ¿la mejor solución de escalado nativo?

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, implementando el (Deferred Execution) y la arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM) para facilitar el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas. 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 las redes de procesamiento especial (SPNs), soporta múltiples entornos de máquina virtual (EVM y Wasm), e integra tecnologías avanzadas como la prueba de conocimiento cero (ZK) y el entorno de ejecución confiable (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 del procesamiento general.
  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. Manejo especial de la red )SPNs(: SPNs son componentes clave en la arquitectura de Pharos, similares a subredes modulares, diseñados 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(: Phar
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NotSatoshivip
· 08-13 13:56
Hablar tanto no es tan importante como resolver primero el problema del gas alto.
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NFTDreamervip
· 08-13 13:55
La multitud que mira el espectáculo no se preocupa por los problemas del rollup.
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MEVHunterXvip
· 08-13 13:54
De nuevo se habla de la expansión off-chain. Así están las cosas, a ver cómo se comporta.
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DeFiCaffeinatorvip
· 08-13 13:51
No me importa optimizar el rendimiento, en el mundo Cripto se puede ganar dinero y eso es todo.
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SerumSqueezervip
· 08-13 13:49
Pero reducir, aún es mejor correr en Mainnet.
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