Mapa panorámico del campo de computación paralela de Web3: el equilibrio innovador entre compatibilidad y rendimiento

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

I. Clasificación y paradigmas tecnológicos de la computación paralela en Web3

El «trilema de la blockchain» revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas blockchain entre la «seguridad», la «descentralización» y la «escalabilidad», lo que significa que es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente «máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido». En cuanto a este eterno tema de la «escalabilidad», las soluciones de escalado de blockchain más comunes en el mercado se clasifican según paradigmas, incluyendo:

  • Ejecución de escalado mejorado: mejorar la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU, múltiples núcleos
  • Escalado de aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado de tipo outsourcing fuera de la cadena: ejecutar fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
  • Expansión de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, como cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado concurrente asíncrono: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadenas asíncronas 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 "cooperación multidimensional y combinación modular". Este artículo se centra en la forma de escalabilidad que tiene la computación paralela como enfoque principal.

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

Computación paralela dentro de la cadena (intra-chain parallelism), enfocado 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 arquitectónicas, con granularidad paralela cada vez más fina, intensidad paralela cada vez mayor, complejidad de programación y dificultad de implementación también cada vez mayores.

  • 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 el proyecto Monad, Aptos
  • Nivel de llamada / Micro VM en paralelo (Call-level / 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 (Modelo de Agente / Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como un sistema de mensajería cruzada / asíncrona (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de manera independiente, utilizando mensajería asíncrona en paralelo, impulsada por eventos y sin necesidad de programación sincronizada. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos mecanismos de escalado Rollup o de fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Estos 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 las ideas arquitectónicas.

¿El mejor plan de escalabilidad nativa? Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo Web3

Dos, EVM cadena paralela mejorada: 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 escalabilidad como fragmentación, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en la capacidad de ejecución aún no ha tenido un avance 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 de la próxima ronda de escalabilidad. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento paralelo de EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alta capacidad de procesamiento, desde la ejecución de retraso y la descomposición del estado, respectivamente.

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 tuberías (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y concurrencia optimista en la capa de ejecución (Optimistic Parallel Execution). Además, en las capas de consenso y almacenamiento, Monad introduce protocolos BFT de alto rendimiento (MonadBFT) y un sistema de base de datos especializado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela en múltiples etapas

El Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monad, cuya idea central es descomponer el flujo de ejecución de la cadena de bloques 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 procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso del bloque (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos sincrónicos, 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 asíncrona". Reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, lo que hace 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, con el fin de 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 optimistamente 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, las transacciones en conflicto se volverán a ejecutar de forma secuencial para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: alterando lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización a través de la escritura de estado diferida y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, pareciendo más una versión de rendimiento de Ethereum, con buena madurez y fácil implementación de 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 compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente como una capa de mejora de ejecución en Ethereum 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 ejecución de alta concurrencia y una capacidad de respuesta de baja latencia dentro de la cadena. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + el DAG de dependencia de estado (gráfico acíclico dirigido de dependencia de estado) y el mecanismo de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

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

MegaETH ha introducido un modelo de ejecución de "una micro Máquina Virtual (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 un gran número de VM se ejecute de manera independiente y almacene de manera independiente, lo que resulta en una paralelización natural.

Estado de dependencia DAG: mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencia

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en la relación 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 pueden ejecutarse en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico de manera serial o se retrasarán. El gráfico de dependencias asegura la consistencia del estado y la escritura no repetitiva 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 cuentas, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias 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 todos los niveles desde "estructura de cuentas → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que ofrece un nuevo enfoque paradigmático 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 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 controlar la complejidad, pareciendo más un sistema operativo distribuido superpoderoso bajo la filosofía de Ethereum.

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Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes a los de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide horizontalmente la cadena de bloques en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada subcadena es responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la escalabilidad en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, expandiéndose horizontalmente solo 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 escalabilidad de blockchain: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

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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, logrando el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y una micro máquina virtual (Micro-VM). Por otro lado, Pharos Network es una red blockchain L1 modular y de pila completa que tiene un mecanismo central de computación paralela llamado "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través del trabajo conjunto de la red principal y las redes de procesamiento especializadas (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 (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diferentes etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un método 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, 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. Redes de procesamiento especial (SPNs): Los SPNs son componentes clave en la arquitectura de Pharos, similares a
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SleepyArbCatvip
· 07-19 21:33
Otra vez en la ampliación de meow, ver las tarifas de gas es agotador~
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OldLeekConfessionvip
· 07-19 11:25
¿Quién entiende el triángulo confiable? Es solo que todos los días toman a la gente por tonta.
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PumpAnalystvip
· 07-18 22:19
Ya se ha dicho que la expansión es solo un truco, y los extranjeros al lado quieren tomar a la gente por tonta una vez más.
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WenMoonvip
· 07-16 22:03
¡Rollup es realmente delicioso!
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MemeCuratorvip
· 07-16 22:03
¿Qué pasa con el triángulo? Todo el día aquí investigando el triángulo.
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CoffeeNFTsvip
· 07-16 21:57
El rollup puro es realmente atractivo
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MetaverseVagabondvip
· 07-16 21:42
¿Otra vez están hablando de expansión? ¿Esta vez es confiable?
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