Пейзаж паралельних обчислень Web3: найкраще рішення для рідного масштабування?

Один. Класифікація та технологічні парадигми паралельних обчислень Web3

«Неможливий трикутник» блокчейну (Blockchain Trilemma) «безпека», «децентралізація», «масштабованість» виявляє суттєві компроміси в дизайні блокчейн-систем, тобто блокчейн-проєкти важко реалізувати одночасно з «максимальною безпекою, доступністю для всіх, високою швидкістю обробки». Щодо «масштабованості» цієї вічної теми, на сьогоднішній день основні рішення для масштабування блокчейну на ринку класифікуються за парадигмами, включаючи:

• Виконання розширеної масштабованості: підвищення виконавчих можливостей на місці, наприклад, паралельне виконання, GPU, багатоядерність
• Ізольоване розширення статусу: горизонтальне розділення статусу / Shard, наприклад, шардінг, UTXO, багатопідмережа
• Позасистемне зовнішнє розширення: виконання відбувається поза ланцюгом, наприклад, Rollup, Coprocessor, DA
• Розширення з декомпозицією структури: модульна архітектура, спільна робота, наприклад, модульні ланцюги, спільні сортувальники, Rollup Mesh
• Асинхронне масштабування з паралельною обробкою: модель актора, ізоляція процесів, керування повідомленнями, наприклад, агенти, багатопотокове асинхронне з'єднання

Рішення щодо масштабування блокчейну включають: паралельні обчислення в межах ланцюга, Rollup, шардінг, модулі DA, модульну структуру, систему Actor, стиснення zk-доказів, безстанну архітектуру тощо, охоплюючи виконання, стан, дані, структуру на кількох рівнях, що є «повною системою масштабування на основі багатошарового співробітництва та комбінації модулів». У цій статті основна увага приділяється масштабуванню, що базується на паралельних обчисленнях.

Внутрішня паралельна обробка (intra-chain parallelism), що зосереджується на паралельному виконанні транзакцій / команд всередині блокчейну. Згідно з механізмами паралелізму, способи масштабування можна поділити на п'ять основних категорій, кожна з яких представляє різні цілі щодо продуктивності, моделі розробки та архітектурної філософії, при цьому паралельні частини стають дедалі дрібнішими, інтенсивність паралелізму зростає, складність планування також зростає, а складність програмування та реалізації стає все вищою.

• Паралельність на рівні облікового запису (Account-level): представляє проект Solana
• Об'єктне паралельне (Object-level): представляє проект Sui
• Рівень транзакцій (Transaction-level): представляє проекти Monad, Aptos
• Рівень виклику / мікро-ВМ паралельно (Call-level / MicroVM): представляє проект MegaETH
• Паралелізм на рівні інструкцій (Instruction-level): представляє проект GatlingX

Зовнішня асинхронна конкурентна модель, представлена системою агентів (модель агентів/акторів), є ще одним парадигмою паралельних обчислень. Як міжланцюгова/асинхронна система повідомлень (несинхронізована модель блокчейну), кожен агент виступає як незалежно працюючий «агент-процес», що працює асинхронно через повідомлення, керується подіями, без необхідності синхронізації. До відомих проектів належать AO, ICP, Cartesi та ін.

А відомі нам Rollup або рішення для масштабування за допомогою шардінгу є механізмами системного рівня, які не належать до внутрішнього паралельного обчислення блокчейну. Вони реалізують масштабування через «паралельне виконання кількох ланцюгів / виконавчих доменів», а не підвищення паралельності всередині одного блоку / віртуальної машини. Такі рішення для масштабування не є основною темою цієї статті, але ми все ж будемо використовувати їх для порівняння відмінностей в архітектурних концепціях.

Два, EVM-сумісний паралельний покращений ланцюг: прорив меж продуктивності в сумісності

Архітектура послідовної обробки Ethereum зазнала еволюції, пройшовши кілька етапів розширення, таких як шардінг, Rollup та модульна архітектура, але вузьке місце в пропускній здатності виконавчого рівня все ще не було вирішено кардинально. Однак, EVM і Solidity залишаються найпотужнішими платформами для смарт-контрактів з точки зору бази розробників та екосистеми. Отже, ланцюг EVM, що підсилює паралелізм, стає важливим напрямком нового етапу розвитку розширення, поєднуючи екосистемну сумісність та підвищення продуктивності виконання. Monad і MegaETH є найпредставницькішими проектами в цьому напрямку, які, починаючи з відкладеного виконання та розподілу станів, створюють архітектуру паралельної обробки EVM для сценаріїв з високими вимогами до паралелізму та пропускної здатності.

Аналіз механізму паралельних обчислень Monad

Monad є високопродуктивним Layer1 блокчейном, переробленим для віртуальної машини Ethereum (EVM), заснованим на базовій паралельній концепції конвеєрної обробки (Pipelining), з асинхронним виконанням на рівні консенсусу (Asynchronous Execution) та оптимістичним паралельним виконанням (Optimistic Parallel Execution) на рівні виконання. Крім того, на рівнях консенсусу і зберігання Monad відповідно впроваджує високопродуктивний BFT протокол (MonadBFT) та спеціалізовану систему бази даних (MonadDB), реалізуючи оптимізацію від кінця до кінця.

Пайплайнинг: Механізм паралельного виконання з багатоступеневим конвеєром

Пайплайнинг є основною концепцією паралельного виконання монад, основна ідея якої полягає в розділенні процесу виконання блокчейну на кілька незалежних етапів і паралельній обробці цих етапів, що формує об'ємну архітектуру конвеєра, де кожен етап виконується на незалежних потоках або ядрах, реалізуючи паралельну обробку через блоки, що в кінцевому підсумку призводить до підвищення пропускної здатності і зменшення затримки. Ці етапи включають: пропозицію транзакції (Propose), досягнення консенсусу (Consensus), виконання транзакції (Execution) і подачу блоку (Commit).

Асинхронне виконання: консенсус - виконання асинхронного декуплінгу

У традиційних блокчейнах консенсус транзакцій та виконання зазвичай є синхронним процесом, і ця послідовна модель серйозно обмежує масштабованість продуктивності. Monad реалізує асинхронний консенсус, асинхронне виконання та асинхронне зберігання через «асинхронне виконання». Це значно зменшує час блоку (block time) і затримку підтвердження, роблячи систему більш гнучкою, процеси обробки більш детальними та використання ресурсів більш ефективним.

Основний дизайн:

• Процес консенсусу (рівень консенсусу) відповідає лише за впорядкування транзакцій, не виконує логіку контрактів.
• Процес виконання (виконавчий шар) асинхронно спрацьовує після завершення консенсусу.
• Після завершення консенсусу негайно переходьте до процесу консенсусу наступного блоку, не чекаючи завершення виконання.

Оптимістичне паралельне виконання：乐观并行执行

Традиційний Ethereum використовує сувору послідовну модель для виконання транзакцій, щоб уникнути конфліктів стану. А Monad використовує стратегію «оптимістичного паралельного виконання», що суттєво підвищує швидкість обробки транзакцій.

Механізм виконання:

• Monad оптимістично паралельно виконує всі транзакції, припускаючи, що більшість транзакцій не мають стану конфлікту.
• Одночасно запустіть «Детектор конфліктів (Conflict Detector))», щоб контролювати, чи отримують транзакції доступ до одного й того ж стану (наприклад, конфлікти читання/запису).
• Якщо виявлено конфлікт, конфліктні транзакції будуть серійно повторно виконані, щоб забезпечити коректність стану.

Monad вибрав сумісний шлях: мінімально змінюючи правила EVM, під час виконання через відкладене записування стану і динамічне виявлення конфліктів досягати паралельності, більше нагадуючи продуктивну версію Ethereum, з хорошою зрілістю, що полегшує міграцію екосистеми EVM, є паралельним прискорювачем світу EVM.

Аналіз механізму паралельних обчислень MegaETH

На відміну від L1 позиціонування Monad, MegaETH позиціонується як модульний високопродуктивний паралельний виконавчий рівень, сумісний з EVM, який може використовуватися як незалежна L1 публічна блокчейн-мережа, а також як покращений рівень виконання (Execution Layer) або модульний компонент на Ethereum. Його основною метою дизайну є ізоляція логіки облікового запису, середовища виконання та стану, розділення їх на незалежно плановані мінімальні одиниці для досягнення високої паралельної обробки в ланцюзі та низької затримки реакції. Ключова інновація, запропонована MegaETH, полягає в архітектурі Micro-VM + State Dependency DAG (орієнтований ациклічний граф залежностей стану) та модульному механізмі синхронізації, які разом формують паралельну виконавчу систему, орієнтовану на "ланцюгову потоковість".

Архітектура Micro-VM (мікровіртуальної машини): обліковий запис - це потік

MegaETH впроваджує модель виконання «один мікро-віртуальний комп'ютер (Micro-VM) на рахунок», що «потоковує» середовище виконання й забезпечує мінімальну одиницю ізоляції для паралельного планування. Ці ВМ спілкуються між собою через асинхронне повідомлення (Asynchronous Messaging), а не синхронні виклики, що дозволяє великій кількості ВМ виконуватись незалежно та зберігатись окремо, що природно забезпечує паралелізм.

Залежність від стану DAG: механізм планування на основі графа залежностей

MegaETH побудував систему планування DAG на основі відносин доступу до стану облікового запису, яка в реальному часі підтримує глобальний граф залежностей (Dependency Graph). Кожна транзакція модифікує які облікові записи, читає які облікові записи, все це моделюється у вигляді залежностей. Транзакції без конфліктів можуть виконуватись паралельно, а транзакції з залежностями будуть плануватись у порядку топології або відкладені. Граф залежностей забезпечує узгодженість стану та уникнення повторних записів під час паралельного виконання.

Асинхронне виконання та механізм зворотного виклику

MegaETH побудований на основі парадигми асинхронного програмування, аналогічно асинхронному обміну повідомленнями моделі актора, яка вирішує проблему традиційних послідовних викликів EVM. Виклики контрактів є асинхронними (нерекурсивним виконанням), і при виклику контракту A -> B -> C кожен виклик є асинхронним без блокування очікування; Стек викликів розгортається в асинхронний графік дзвінків; Обробка транзакцій = обхід асинхронного графіка + дозвіл залежностей + паралельне планування.

У підсумку, MegaETH руйнує традиційну модель однофункціональної машини стану EVM, реалізуючи мікровіртуальну машину в упаковці на основі облікових записів, організовуючи розподіл транзакцій за допомогою графа залежностей стану та замінюючи синхронний стек викликів асинхронним механізмом повідомлень. Це паралельна обчислювальна платформа, яка переосмислює всі аспекти «структури облікового запису → архітектури розподілу → процесу виконання», пропонуючи нові підходи для створення наступного покоління високопродуктивних систем на базі блокчейну.

MegaETH обрав шлях реконструкції: повністю абстрагував облікові записи та контракти в незалежну віртуальну машину, звільняючи надпотужний потенціал паралельного виконання за допомогою асинхронного виконання. Теоретично, паралельний ліміт MegaETH вищий, але також важче контролювати складність, більше нагадуючи суперрасподілену операційну систему в рамках концепції Ethereum.

Monad та MegaETH мають суттєво різні концепції дизайну в порівнянні з шардінгом: шардінг розділяє блокчейн на кілька незалежних підланок (шарди), кожна з яких відповідає за частину транзакцій та станів, руйнуючи обмеження одноланкового підходу для розширення на мережевому рівні; тоді як Monad та MegaETH зберігають цілісність одноланкового підходу, лише горизонтально розширюючись на рівні виконання, оптимізуючи паралельне виконання в межах одноланкового підходу для покращення продуктивності. Обидва підходи представляють вертикальне посилення та горизонтальне розширення в шляху розширення блокчейну.

Проєкти паралельних обчислень, такі як Monad і MegaETH, зосереджені на оптимізації пропускної спроможності, ставлячи за мету підвищення TPS в межах блокчейну, реалізуючи паралельну обробку на рівні транзакцій або облікових записів через відкладене виконання (Deferred Execution) та архітектуру мікровіртуальної машини (Micro-VM). Pharos Network, як модульна, повноцінна паралельна L1 блокчейн-мережа, має основний механізм паралельних обчислень, який називається «Rollup Mesh». Ця архітектура підтримує співпрацю між основною мережею та спеціальними обробними мережами (SPNs), забезпечуючи багато віртуальних машин (EVM та Wasm) та інтегруючи такі передові технології, як нульові знання (ZK) та довірчі середовища виконання (TEE).

Аналіз механізму паралельних обчислень Rollup Mesh:

1. Повний життєвий цикл асинхронної конвеєрної обробки (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos розділяє різні етапи транзакції (таких як консенсус, виконання, зберігання) і використовує асинхронний спосіб обробки, що дозволяє кожному етапу виконуватись незалежно та паралельно, тим самим підвищуючи загальну ефективність обробки.
2. Паралельне виконання двох віртуальних машин (Dual VM Parallel Execution): Pharos підтримує дві віртуальні середовища EVM і WASM, що дозволяє розробникам вибирати відповідне середовище виконання відповідно до їхніх потреб. Ця архітектура з двома віртуальними машинами не тільки підвищує гнучкість системи, але й збільшує обробну здатність транзакцій за рахунок паралельного виконання.
3. Спеціалізовані мережі (SPNs): SPNs є ключовим компонентом архітектури Pharos, подібно