Análisis panorámico de la computación paralela en Web3: El futuro de la escalabilidad de EVM

Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo Web3: ¿la mejor solución para la escalabilidad nativa?

I. Visión general de las soluciones de escalabilidad de blockchain

El "triángulo imposible" de la blockchain, que comprende la "seguridad", la "descentralización" y la "escalabilidad", revela la esencia de las compensaciones en el diseño de sistemas blockchain. Esto significa que es difícil para un proyecto blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación para todos y procesamiento rápido". En relación con el tema eterno de la "escalabilidad", las soluciones de escalado de blockchain más importantes en el mercado se clasifican según paradigmas, que incluyen:

  • Ejecución de escalado mejorado: Mejora de la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU, multicore.
  • Escalado basado en aislamiento de estado: partición horizontal del estado, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado fuera de la cadena mediante externalización: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocessor, DA
  • Escalado de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, por ejemplo, cadenas de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadenas asíncronas multihilo

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: computación paralela dentro de la cadena, Rollup, sharding, módulo DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, entre otros, abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, siendo un sistema de escalabilidad completo de "coordinación multinivel y combinación modular". Este artículo se centra en la forma de escalabilidad principal basada en la computación paralela.

Cálculo paralelo en la cadena, enfocado en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelización, su método de escalado se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, con una granularidad paralela que se vuelve cada vez más fina, una intensidad paralela que aumenta cada vez más, una complejidad de programación que también aumenta y una dificultad de implementación que se vuelve cada vez mayor.

  • Paralelismo a nivel de cuenta: representa el proyecto Solana
  • Paralelismo a nivel de objeto: representa el proyecto Sui
  • Paralelismo a nivel de transacciones: representa el proyecto Monad, Aptos
  • Paralelismo de VM a nivel de llamada/micro: representa el proyecto MegaETH
  • Paralelismo a nivel de instrucciones: representa el proyecto GatlingX

Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo Web3: ¿la mejor solución para la expansión nativa?

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de actores, que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como un sistema de mensajería cruzada/asíncrona, cada agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de manera independiente, con mensajería asíncrona en modo paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de escalabilidad por 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 mediante "la ejecución paralela de múltiples cadenas/dominios de ejecución", en lugar de aumentar el grado de paralelismo dentro de un solo bloque/máquina virtual. Este tipo de soluciones de escalabilidad no es el foco de discusión de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en las ideas arquitectónicas.

II. Cadena de mejora paralela EVM: superando los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por varias rondas de intentos de escalado como sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha tenido un avance fundamental. Sin embargo, al mismo tiempo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecológico más sólidos en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas de EVM que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución se están convirtiendo en una dirección clave para la próxima ronda de evolución de escalado. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento paralelo EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, partiendo de la ejecución diferida y la descomposición del estado.

Web3 panorama del campo de cálculo paralelo: ¿la mejor solución de escalado nativa?

Análisis del mecanismo de cálculo en paralelo de Monad

Monad es una blockchain de alto rendimiento Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum, basada en la idea fundamental del procesamiento en paralelo mediante canalización, ejecutando de manera asíncrona en la capa de consenso y utilizando concurrencia optimista en la capa de ejecución. Además, en las capas de consenso y almacenamiento, Monad introduce un protocolo BFT de alto rendimiento y un sistema de base de datos especializado, logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain 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 un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, aumentando el rendimiento y reduciendo la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción, consenso, ejecución de transacciones y envío de bloques.

Ejecución Asincrónica: Desacoplamiento Asíncrono de Consenso y Ejecución

En la cadena tradicional, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos síncronos, y este modelo secuencial 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". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, el proceso de manejo más segmentado y la utilización de recursos más alta.

Diseño Central:

  • El proceso de consenso solo se encarga de ordenar las transacciones, no de ejecutar la lógica del contrato.
  • El proceso de ejecución se activa de forma asíncrona después de que se complete el consenso.
  • Una vez completada la consenso, se 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 evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta 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 "detector de conflictos" para monitorear si las transacciones acceden al mismo estado.
  • Si se detecta un conflicto, las transacciones en conflicto se volverán a ejecutar de manera secuencial para asegurar la corrección del estado.

Monad ha elegido un camino compatible: mueve 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, es más como una versión de alto rendimiento de Ethereum, con una buena madurez que facilita la migración del ecosistema de EVM, es un acelerador de paralelización en el mundo de EVM.

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 o componente modular en Ethereum. 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 alta ejecución concurrente dentro de la cadena y una baja capacidad de respuesta de latencia. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + State Dependency DAG y el mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

Arquitectura Micro-VM: cuenta es hilo

MegaETH introduce un modelo de ejecución de "una micro máquina virtual por cuenta", que "hilo" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad mínima de aislamiento para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí a través de mensajes asíncronos, en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que un gran número de VM se ejecute de manera independiente y almacene de forma independiente, lo que las hace naturalmente paralelas.

Dependencia de Estado DAG: Mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencia

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. Cada transacción modela las cuentas que se modifican y las cuentas que se leen 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 secuencial 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 devolución de llamada

B

En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo de 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 mensajería asíncrona 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 → proceso de ejecución", que proporciona un nuevo enfoque paradigmático para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH eligió 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. En teoría, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil controlar la complejidad, pareciendo más un sistema operativo superdistribuido bajo la filosofía de Ethereum.

La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación: la fragmentación divide la cadena de bloques en múltiples subcadenas independientes, cada una de las cuales se encarga de parte de las transacciones y del estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para expandirse a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, ampliándose horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la cadena única para romper el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en la ruta de expansión de la cadena de bloques: el fortalecimiento vertical y la expansión horizontal.

Panorama de la pista de cálculo paralelo en Web3: ¿la mejor solución para la expansión nativa?

Los proyectos de computación paralela como Monad y MegaETH se centran principalmente en la optimización del rendimiento, con el objetivo central de aumentar el TPS en la cadena, logrando el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas a través de la ejecución diferida y la arquitectura de micro máquinas virtuales. Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo central de computación paralela conocido como "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través de la colaboración entre la red principal y una red de procesamiento especial, admite entornos de múltiples máquinas virtuales e integra tecnologías avanzadas como pruebas de conocimiento cero y entornos de ejecución confiables.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

  1. Procesamiento de canalizaciones asíncronas en todo el ciclo de vida: Pharos desacopla las diferentes etapas de las transacciones y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se lleve a cabo de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia general del procesamiento.
  2. Ejecución paralela de doble máquina virtual: Pharos admite dos entornos de máquina virtual, EVM y WASM, lo que permite 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 mediante la ejecución paralela.
  3. Redes de procesamiento especial: los SPNs son componentes clave en la arquitectura de Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos específicos de tareas o aplicaciones. A través de los 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. Mecanismos de consenso modular y reutilización de garantías: Pharos ha introducido un mecanismo de consenso flexible que admite múltiples modelos de consenso y realiza un intercambio seguro y la integración de recursos entre la red principal y los SPNs a través de un protocolo de reutilización de garantías.

Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo Web3: ¿la mejor solución para la expansión nativa?

Además, Pharos ha reconstruido el modelo de ejecución desde el nivel del motor de almacenamiento mediante árboles de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial, direccionamiento por versiones y tecnología de hundimiento de ADS, lanzando el motor de almacenamiento de alto rendimiento nativo de blockchain Pharos Store, logrando una alta capacidad de procesamiento en cadena, baja latencia y fuerte capacidad de verificación.

En general, la arquitectura Rollup Mesh de Pharos logra una alta capacidad de cálculo paralelo mediante un diseño modular y un mecanismo de procesamiento asíncrono. Pharos actúa como coordinador de programación para la paralelización entre Rollups, no como un optimizador de ejecución de "paralelismo en cadena", sino que lleva a cabo tareas de ejecución personalizadas heterogéneas a través de SPNs.

Además de Monad, MegaETH y Pharos

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GateUser-e51e87c7vip
· hace8h
Multinúcleo puede resolverlo.
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DegenApeSurfervip
· 07-03 21:04
Buena escritura, pero superficial.
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SocialAnxietyStakervip
· 07-03 19:17
La modularización podría convertirse en una tendencia
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BasementAlchemistvip
· 07-02 14:10
Ejecutar la mejora más confiable
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MechanicalMartelvip
· 07-02 14:07
Modularización más viable
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MetaverseHobovip
· 07-02 14:07
Rollup es el más confiable
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GhostAddressMinervip
· 07-02 14:07
¿A quién le corresponde realmente la expansión?
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RektButStillHerevip
· 07-02 14:00
Triángulo inquebrantable
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