Web3 Paralel Hesaplama Yarış Alanı Genel Görünümü: Yerel Ölçeklendirme için En İyi Çözüm?

Blockchain'ın "imkansız üçgeni" "güvenlik", "merkeziyetsizlik" ve "ölçeklenebilirlik" blockchain sistem tasarımındaki temel dengeyi ortaya koymaktadır; yani blockchain projelerinin "son derece güvenli, herkesin katılabileceği ve hızlı işlem yapabilen" bir yapıyı aynı anda gerçekleştirmesi zordur. "Ölçeklenebilirlik" konusuna gelince, şu anda piyasada bulunan ana akım blockchain ölçeklendirme çözümleri paradigmalarına göre ayrılmaktadır, bunlar arasında:

• Gelişmiş ölçekleme gerçekleştirme: Yerinde yürütme yeteneğini artırma, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli
• Durum İzolasyonu Genişlemesi: Yatay Bölme Durumu / Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynak modelleme: yürütmeyi zincir dışına almak, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı Sökümlü Ölçekleme: Mimari modüler, işbirliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşım sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron Eşzamanlı Genişleme: Aktör modeli, işlem izolasyonu, mesaj odaklı, örneğin akıllı ajanlar, çok iş parçacıklı asenkron zincir

Blok zinciri ölçeklendirme çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Aktör sistemi, zk kanıt sıkıştırması, Durumsuz mimari vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birden fazla düzeyi kapsar ve "çok katmanlı iş birliği, modül kombinasyonu" şeklinde tam bir ölçeklendirme sistemi oluşturur. Bu makalede, ana akım ölçeklendirme yöntemi olarak paralel hesaplama üzerinde durulacaktır.

Zincir içi paralel hesaplama (intra-chain parallelism), blok içindeki işlemlerin / komutların paralel yürütülmesine odaklanmaktadır. Paralel mekanizmalara göre, ölçeklendirme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her bir kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel işleme granülitesi giderek daha ince, paralel yoğunluk giderek daha yüksek, planlama karmaşıklığı da giderek daha yüksek, programlama karmaşıklığı ve uygulama zorluğu da giderek daha yüksektir.

• Hesap düzeyinde (Hesap düzeyi ): Solana projesini temsil eder.
• Nesne düzeyinde (Object-level): Sui projesini temsil eder
• İşlem seviyesi (Transaction-level): Monad, Aptos projesini temsil eder.
• Çağrı seviyesi / Mikro VM paralel (Call-level / MicroVM): MegaETH projesini temsil eder.
• Talimat düzeyi ( Instruction-level ): GatlingX projesini temsil eder

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, ( Agent / Actor Model) olarak temsil edilen Aktör akıllı varlık sistemine dayanır. Bu, başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir ve zincirler arası / asenkron mesaj sistemleri( blok zincir senkronizasyon modeli) olarak çalışır. Her bir Agent, bağımsız bir "akıllı varlık süreci" olarak işlev görür, paralel bir şekilde asenkron mesajlar gönderir, olay odaklıdır ve senkronizasyon planlaması gerektirmez. Temsilci projeler arasında AO, ICP, Cartesi gibi projeler bulunmaktadır.

Ve bizim aşina olduğumuz Rollup veya parçalama ölçeklendirme çözümleri, sistem düzeyinde bir eşzamanlılık mekanizmasıdır ve zincir içi paralel hesaplamaya ait değildir. Onlar "birden fazla zincir / yürütme alanını paralel olarak çalıştırarak" ölçeklendirme sağlarlar, tek bir blok / sanal makinenin içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür ölçeklendirme çözümleri, bu makalenin odak noktası değildir ancak yine de mimari felsefenin benzerlik ve farklılıklarının karşılaştırılmasında kullanılacaktır.

İkincisi, EVM Sistemi Paralel Gelişmiş Zincir: Uyumlulukta Performans Sınırlarını Aşmak

Ethereum'un seri işlem mimarisi, shard'lama, Rollup ve modüler mimari gibi birçok genişleme denemesi ile gelişti, ancak yürütme katmanındaki verimlilik darboğazı hala köklü bir kırılma yaşamamıştır. Bununla birlikte, EVM ve Solidity, hala geçerli en güçlü geliştirici temeli ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, EVM tabanlı paralel artırılmış zincir, ekosistem uyumluluğu ile yürütme performansını artırmayı hedefleyen ana yol olarak, yeni bir genişleme evriminin önemli bir yönü haline geliyor. Monad ve MegaETH, gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırma açısından bu yönde en temsili projelerdir ve yüksek eşzamanlılık ve yüksek verimlilik senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisi oluşturmaktadırlar.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizmasının analizi

Monad, Ethereum Sanal Makinesi ( EVM ) için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir. Bu, temel paralel işleme prensibi olan ( Pipelining ) üzerine kurulmuştur ve konsensüs katmanında asenkron yürütme ( Asynchronous Execution ), yürütme katmanında ise optimistik paralel yürütme ( Optimistic Parallel Execution ) gerçekleştirir. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü ( MonadBFT ) ve özel veritabanı sistemi ( MonadDB )'yi tanıtarak uçtan uca optimizasyon sağlar.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir, temel düşüncesi blockchain'in yürütme sürecini bağımsız aşamalara ayırmak ve bu aşamaları paralel işlemek, üç boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama bağımsız iş parçacıkları veya çekirdekler üzerinde çalışır, bloklar arası eşzamanlı işleme ulaşarak nihayetinde throughput'u artırma ve gecikmeyi azaltma etkisi sağlanır. Bu aşamalar şunları içerir: işlem önerisi (Propose) konsensüs sağlama (Consensus) işlem yürütme (Execution) ve blok taahhüdü (Commit).

Asenkron Çalışma: Konsensüs - Asenkron Ayrıştırma Uygulaması

Geleneksel blok zincirinde, işlem konsensüsü ve yürütme genellikle senkron bir süreçtir, bu seri model performans genişlemesini ciddi şekilde kısıtlamaktadır. Monad, "asenkron yürütme" aracılığıyla konsensüs katmanını asenkron hale getirir, yürütme katmanını asenkron hale getirir ve depolamayı asenkron hale getirir. Blok süresini (block time) ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak sistemi daha esnek hale getirir, işlem süreçlerini daha ayrıntılı hale getirir ve kaynak verimliliğini artırır.

Kilit Tasarım:

• Konsensüs süreci ( konsensüs katmanı ) yalnızca işlemleri sıralar, sözleşme mantığını yürütmez.
• Yürütme süreci ( yürütme katmanı ), konsensüs tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan sonra hemen bir sonraki blok konsensüs sürecine geçilir, tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel İcra:乐观并行执行

Geleneksel Ethereum, durum çakışmalarını önlemek için işlem yürütümünde katı bir seri model kullanır. Monad ise "iyimser paralel yürütme" stratejisini benimseyerek işlem işleme hızını önemli ölçüde artırır.

Uygulama Mekanizması:

• Monad, çoğu işlem arasında durum çakışması olmadığını varsayarak tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak yürütür.
• Aynı anda bir "Çatışma Dedektörü(Conflict Detector)" çalıştırarak işlemler arasında aynı duruma erişilip erişilmediğini izleyin(, örneğin okuma/yazma çatışmaları).
• Çatışma tespit edilirse, çatışma işlemleri seri hale getirilerek yeniden yürütülecek, durumun doğruluğu sağlanacaktır.

Monad, mümkün olduğunca az EVM kuralını değiştirerek uyumlu bir yol seçti: yürütme sürecinde durumu yazmayı erteleyerek ve çakışmaları dinamik olarak tespit ederek paralellik sağlıyor. Daha çok performans odaklı bir Ethereum gibi, olgunluğu sayesinde EVM ekosistemine geçişi kolaylaştırıyor, EVM dünyasının paralel hızlandırıcısıdır.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizmasının analizi

Monad'dan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmıştır. Hem bağımsız bir L1 kamu zinciri olarak hem de Ethereum üzerinde yürütme güçlendirici katman(Execution Layer) veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığı, yürütme ortamı ve durumu, bağımsız olarak planlanabilen en küçük birimlere ayırarak zincir içindeki yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikmeli yanıt yeteneği sağlamaktır. MegaETH'nin sunduğu ana yenilik, Micro-VM mimarisi + Durum Bağımlılığı DAG(yönlendirilmiş asiklik durum bağımlılığı grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır; bu ikisi birlikte "zincir içi iş parçacıklaştırma" odaklı paralel yürütme sistemini inşa eder.

Micro-VM( mikro sanal makine ) mimarisi: hesap bir iş parçacığıdır

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine (Micro-VM)" yürütme modelini tanıtarak, yürütme ortamını "iş parçacığına" ayırır ve paralel planlama için minimum yalıtım birimi sağlar. Bu VM'ler, eşzamanlı çağrı yerine (Asynchronous Messaging) aracılığıyla asenkron mesajlaşma ile iletişim kurar; çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir ve bağımsız olarak depolanabilir, bu da doğal olarak paralel olmasını sağlar.

Durum Bağımlılığı DAG: Bağımlılık Grafiğine Dayalı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkilerine dayalı bir DAG planlama sistemi inşa etti. Sistem, gerçek zamanlı olarak (Dependency Graph) adında küresel bir bağımlılık grafiği tutar. Her işlem, hangi hesapların değiştirildiğini ve hangi hesapların okunduğunu tamamen bağımlılık ilişkisi olarak modellemektedir. Çatışmasız işlemler doğrudan paralel olarak gerçekleştirilebilirken, bağımlılık ilişkisi olan işlemler topolojik sıraya göre seri veya ertelenmiş bir şekilde planlanır. Bağımlılık grafi, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrarsız yazmaları garanti eder.

Asenkron İcra ve Geri Çağırma Mekanizması

B

Sonuç olarak, MegaETH geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırıyor, hesap bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştiriyor, işlem zamanlaması için durum bağımlılık grafiği kullanıyor ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizması ile değiştiriyor. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme akışı" tam boyutlu yeniden tasarlanmış bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemlerin inşası için paradigma düzeyinde yeni bir yaklaşım sunmaktadır.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM olarak tamamen soyutlamak için yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşırı paralel potansiyeli serbest bırakmak için asenkron yürütme planlaması kullanıyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel üst sınırı daha yüksek, ancak karmaşıklığı kontrol etmek de daha zor, bu da onu Ethereum felsefesi altında süper dağıtılmış bir işletim sistemi gibi kılıyor.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, parçalama (Sharding) ile önemli ölçüde farklıdır: parçalama, blok zincirini yatay olarak bağımsız alt zincirlere (parçalar Shards) ayırarak, her alt zincirin belirli işlemler ve durumlar üzerinde sorumluluk taşımasını sağlar, böylece tek zincir kısıtlamalarını ağ katmanında genişletir; oysa Monad ve MegaETH, tek zincir bütünlüğünü koruyarak, yalnızca yürütme katmanında yatay genişleme sağlar, tek zincir içinde sınırlı paralel yürütme optimizasyonu ile performansı artırır. Her iki yaklaşım, blok zinciri genişleme yollarındaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içi TPS'yi artırmayı temel hedef olarak belirleyerek, throughput optimizasyonu yollarına odaklanmaktadır. Bu hedefe ulaşmak için (Deferred Execution) ve (Micro-VM) mimarisi aracılığıyla işlem seviyesi veya hesap seviyesi paralel işlem gerçekleştirmektedir. Pharos Network, modüler ve tam yığın paralel bir L1 blok zinciri ağı olarak, temel paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağ ile özel işleme ağı (SPNs) arasındaki iş birliği sayesinde, çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) desteklemekte ve sıfır bilgi kanıtları (ZK), güvenilir yürütme ortamları (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre etmektedir.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Pipeline İşleme (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining ): Pharos, işlemin çeşitli aşamalarını (konsensüs, yürütme, depolama )ayrıştırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel bir şekilde gerçekleşmesine olanak tanır, böylece genel işleme verimliliğini artırır.
2. İki Sanal Makine Paralel Çalıştırma (Dual VM Parallel Execution): Pharos, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun çalıştırma ortamını seçmelerine olanak tanıyan EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını desteklemektedir. Bu çift VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmanın yanı sıra paralel çalıştırma ile işlem işleme kapasitesini de yükseltmektedir.
3. Özel İşlem Ağı (SPNs): SPN'ler, Pharos mimarisinin ana bileşenleridir ve belirli türdeki görevler veya uygulamalar için özel olarak tasarlanmış modüler alt ağlara benzer. SPN'ler aracılığıyla, Pharos kaynakların dinamik tahsisini ve görevlerin paralel işlenmesini gerçekleştirebilir, böylece sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Staking Mekanizması (Modular Consensus & Restaking ): Phar