Панорамна карта паралельних обчислень Web3: найкраще рішення для нативного масштабування?

Один. Розвиток паралельних обчислень у сфері блокчейн

"Неможливий трикутник" блокчейну ( "безпека", "децентралізація", "масштабованість" ) розкриває суттєві компроміси у дизайні блокчейн-систем, а саме, що проектам блокчейн важко одночасно досягти "максимальної безпеки, участі всіх, швидкої обробки". Щодо "масштабованості", цієї вічної теми, на сьогоднішній день основні рішення з розширення блокчейну на ринку класифікуються за парадигмами, включаючи:

• Виконання розширеної масштабованості: підвищення виконавчих можливостей на місці, наприклад, паралельна обробка, GPU, багатоядерність.
• Ізоляція стану для розширення: горизонтальне розділення стану/Shard, наприклад, шардінг, UTXO, багатопідмережі
• Позапродажне масштабування: виконання відбувається поза ланцюгом, наприклад, Rollup, Coprocessor, DA
• Розширення з декомпозованою структурою: модульна архітектура, спільна робота, наприклад, модульні ланцюги, спільні сортувальники, Rollup Mesh
• Асинхронне масштабування з паралельною обробкою: модель актора, ізоляція процесів, керування повідомленнями, наприклад, агенти, багатопоточна асинхронна ланцюгова обробка

Рішення щодо розширення блокчейну включають: паралельні обчислення в межах ланцюга, Rollup, шардінг, DA модулі, модульну структуру, систему Actor, стиснення zk-доказів, Stateless архітектуру тощо, охоплюючи виконання, стан, дані та структуру на кількох рівнях, що є "повною системою розширення на основі багаторівневої координації та комбінації модулів". У цій статті основна увага приділяється розширенню на основі паралельних обчислень.

Внутрішня паралельна обробка (intra-chain parallelism), зосереджується на паралельному виконанні транзакцій/інструкцій всередині блокчейну. Згідно з механізмами паралелізму, способи розширення можна розділити на п'ять основних категорій, кожна з яких представляє різні цілі продуктивності, моделі розробки та архітектурну філософію. Паралельний гранулярність поступово стає дрібнішим, інтенсивність паралелізму зростає, складність планування також зростає, а складність програмування та реалізації стає ще більшою.

• Обліковий рівень паралельності ( Обліковий рівень ): представляє проект Solana
• Об'єктний рівень (Object-level): представляє проект Sui
• Торговий рівень (Transaction-level): представляє проект Monad, Aptos
• Виклик рівня / Мікро VM паралельно (Call-level / MicroVM): представляє проект MegaETH
• Інструкційний рівень ( Instruction-level ): представляє проект GatlingX

Модель асинхронної паралельної роботи поза ланцюгом, представлена системою агентів Actor (Agent / Actor Model), належить до іншої парадигми паралельних обчислень, як крос-ланцюгова/асинхронна система повідомлень ( неконсенсусна модель блокчейну ). Кожен агент діє як незалежний "інтелектуальний процес", асинхронно передаючи повідомлення, на основі подій, без необхідності синхронізації, до таких проєктів, як AO, ICP, Cartesi тощо.

А відомі нам Rollup або рішення для розширення за рахунок шардінгу належать до механізмів системного рівня паралелізму, а не до внутрішніх паралельних обчислень блокчейну. Вони реалізують розширення шляхом "паралельного запуску декількох ланцюгів/виконавчих доменів", а не підвищення паралелізму всередині одного блоку/віртуальної машини. Такі рішення для розширення не є основною темою цієї статті, але ми все ж будемо використовувати їх для порівняння відмінностей в архітектурних концепціях.

Два, EVM-сумісний паралельний посилений ланцюг: прорив меж продуктивності у сумісності

Архітектура послідовної обробки Ethereum розвивалася до сьогодні, пройшовши через кілька етапів розширення, таких як шардінг, Rollup, модульна архітектура, але вузьке місце в пропускній здатності виконавчого рівня все ще не отримало кардинального突破у. Водночас, EVM та Solidity залишаються найпотужнішими платформами смарт-контрактів з великою базою розробників та екосистемою. Тому паралельна ланцюгова система EVM, яка поєднує екологічну сумісність та підвищення продуктивності виконання, стає важливим напрямком у новому етапі розширення. Monad і MegaETH є найбільш репрезентативними проектами в цьому напрямку, які, виходячи з відкладеного виконання та розкладання станів, створюють архітектуру паралельної обробки EVM, орієнтуючись на сцени з високою конкурентоспроможністю та високою пропускною здатністю.

Розбір механізму паралельних обчислень Monad

Monad є високопродуктивним блокчейном Layer1, перествореним для віртуальної машини Ethereum (EVM), який ґрунтується на основній паралельній концепції конвеєрної обробки (Pipelining), забезпечуючи асинхронне виконання на рівні консенсусу (Asynchronous Execution) та оптимістичну паралельну обробку на рівні виконання (Optimistic Parallel Execution). Крім того, на рівнях консенсусу та зберігання Monad відповідно впроваджує високопродуктивний BFT протокол (MonadBFT) та спеціалізовану систему бази даних (MonadDB), реалізуючи оптимізацію від початку до кінця.

Пайплайнинг: механізм паралельного виконання з багатоступеневим конвеєром

Pipelining є основною концепцією паралельного виконання Monad, її основна ідея полягає в розподілі процесу виконання блокчейну на кілька незалежних етапів та паралельній обробці цих етапів, що формує тривимірну архітектуру конвеєра, де кожен етап виконується на незалежних потоках або ядрах, досягаючи паралельної обробки між блоками, в результаті чого підвищується пропускна спроможність і знижується затримка. Ці етапи включають: пропозиція транзакції (Propose) досягнення консенсусу (Consensus) виконання транзакцій (Execution) та подання блоку (Commit).

Асинхронне виконання: консенсус - виконання асинхронного декуплінгу

У традиційних ланцюгах консенсус і виконання транзакцій зазвичай є синхронними процесами, що серйозно обмежує масштабованість продуктивності. Monad реалізував асинхронність на рівні консенсусу, асинхронність на рівні виконання та асинхронність на рівні зберігання через "асинхронне виконання". Це значно зменшує час блоку (block time) і затримку підтвердження, роблячи систему більш гнучкою, а процеси обробки більш детальними та з більшою ефективністю використання ресурсів.

Основний дизайн:

• Процес консенсусу ( рівень консенсусу ) відповідає лише за впорядкування транзакцій, не виконує логіку контракту.
• Виконання процесу ( виконуваного рівня ) асинхронно ініціюється після завершення консенсусу.
• Після завершення консенсусу відразу переходьте до процесу консенсусу наступного блоку, не чекаючи завершення виконання.

Оптимістичне паралельне виконання

Традиційний Ethereum використовує сувору послідовну модель для виконання транзакцій, щоб уникнути конфлікту станів. Натомість Monad використовує стратегію "оптимістичного паралельного виконання", що значно підвищує швидкість обробки транзакцій.

Механізм виконання:

• Monad оптимістично виконує всі транзакції паралельно, припускаючи, що між більшістю транзакцій немає стану конфлікту.
• Одночасно запустіть "Конфліктний детектор (Conflict Detector)", щоб контролювати, чи здійснюють транзакції доступ до одного й того ж стану (, як-от конфлікти читання/запису ).
• Якщо виявлено конфлікт, конфліктна транзакція буде послідовно виконана повторно, щоб забезпечити правильність стану.

Monad обрала сумісний шлях: якомога менше змінювати правила EVM, під час виконання здійснювати паралелізм через відтермінування запису стану та динамічне виявлення конфліктів, більше схоже на версію Ethereum з підвищеною продуктивністю, з гарною зрілістю для легкого здійснення міграції екосистеми EVM, є паралельним прискорювачем світу EVM.

Розбір механізму паралельних обчислень MegaETH

На відміну від позиціонування Monad, MegaETH позиціонується як модульний високопродуктивний паралельний виконавчий шар, сумісний з EVM, який може бути як незалежною L1 публічною блокчейном, так і підсилювальним шаром виконання на Ethereum (Execution Layer) або модульним компонентом. Основна мета його дизайну полягає у розділенні логіки облікових записів, середовища виконання та стану на мінімальні одиниці, що можуть незалежно плануватися, для досягнення високої конкурентоспроможності виконання в межах блокчейну та низької затримки відповіді. Ключова інновація, запропонована MegaETH, полягає у: архітектурі Micro-VM + State Dependency DAG(орієнтований ациклічний граф залежності стану) та модульному механізмі синхронізації, які разом створюють паралельну виконавчу систему, орієнтовану на "потоковість всередині блокчейну".

Micro-VM(мікровіртуальна машина)архітектура: обліковий запис як потік

MegaETH запровадила модель виконання "мікровіртуальна машина для кожного облікового запису (Micro-VM)", яка "потоково" організовує середовище виконання, забезпечуючи мінімальну одиницю ізоляції для паралельного планування. Ці ВМ спілкуються через асинхронне повідомлення (Asynchronous Messaging), а не через синхронні виклики, що дозволяє багатьом ВМ незалежно виконуватись і зберігатись, природно забезпечуючи паралелізм.

Залежність DAG: механізм планування на основі графа залежностей

MegaETH побудував систему DAG-розкладу, засновану на відносинах доступу до стану облікового запису, яка в реальному часі підтримує глобальну залежність (Dependency Graph). Кожна транзакція модифікує які облікові записи, читає які облікові записи, все моделюється як залежність. Безконфліктні транзакції можуть виконуватися параллельно, а транзакції з залежностями будуть послідовно або відкладено розкладатися за топологічним порядком. Залежність графа забезпечує узгодженість стану та недопущення повторних записів під час паралельного виконання.

Асинхронне виконання та механізм зворотних викликів

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

У підсумку, MegaETH руйнує традиційну модель однопотокового стану EVM, реалізуючи мікровіртуальну машину в упаковці на основі облікових записів, здійснюючи розподіл транзакцій через граф залежностей стану та замінюючи синхронний стек викликів асинхронним механізмом повідомлень. Це платформа паралельних обчислень, яка була повністю перероблена з точки зору "структури облікового запису → архітектури розподілу → процесу виконання", що надає нові парадигми для створення наступного покоління високопродуктивних систем на ланцюзі.

MegaETH обрав шлях реконструкції: повністю абстрагувати облікові записи та контракти в незалежну VM, звільняючи екстремальний потенціал паралелізму через асинхронне виконання та планування. Теоретично, паралельний ліміт MegaETH вищий, але також складніше контролювати складність, більше нагадує суперрозподілену операційну систему в рамках концепції Ethereum.

Дизайнерські концепції Monad і MegaETH суттєво відрізняються від шардингу (Sharding): шардинг розбиває блокчейн на кілька незалежних підліней (Shard ), кожна з яких відповідає за частину транзакцій і стану, руйнуючи обмеження одно链 на рівні мережі для масштабування; в той час як Monad і MegaETH зберігають цілісність одно链, лише горизонтально масштабируючи на рівні виконання, максимізуючи паралельне виконання всередині одно链 для покращення продуктивності. Обидва представляють два напрямки у шляху розширення блокчейну: вертикальне зміцнення і горизонтальне масштабування.

Проекти паралельного обчислення, такі як Monad і MegaETH, зосереджуються на оптимізації пропускної здатності, з основною метою підвищення TPS в ланцюзі, реалізуючи паралельну обробку на рівні транзакцій або облікових записів через відкладене виконання (Deferred Execution) та архітектуру мікровіртуальної машини (Micro-VM). Pharos Network, як модульна, повностекова паралельна мережа L1 блокчейну, має основний механізм паралельного обчислення, відомий як "Rollup Mesh". Ця архітектура підтримує співпрацю між основною мережею та спеціалізованою обробною мережею (SPNs), підтримуючи багатовіртуальну середу (EVM і Wasm), а також інтегрує передові технології, такі як нульове знання (ZK) та середовище надійного виконання (TEE).

Аналіз паралельного обчислювального механізму Rollup Mesh:

1. Повний життєвий цикл асинхронної обробки конвеєра (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos розділяє різні етапи транзакції (, такі як консенсус, виконання, зберігання ), і використовує асинхронний спосіб обробки, що дозволяє кожному етапу незалежно та паралельно виконуватись, тим самим підвищуючи загальну ефективність обробки.
2. Двоїчна паралельна виконання (Dual VM Parallel Execution): Pharos підтримує дві віртуальні середовища EVM та WASM, що дозволяє розробникам вибирати відповідне середовище виконання відповідно до потреб. Ця двовіртуальна архітектура не лише підвищує гнучкість системи, але й покращує здатність обробки транзакцій завдяки паралельному виконанню.
3. Спеціальна обробка мережі (SPNs): SPNs є ключовими компонентами архітектури Pharos, подібно до модульних підмереж, призначених для обробки специфічних типів завдань або додатків. Завдяки SPNs, Pharos може реалізувати динамічний розподіл ресурсів і паралельну обробку завдань, що додатково покращує масштабованість і продуктивність системи.
4. Модульний консенсус та механізм повторного стейking(Modular Consensus & Restaking): Pharos впроваджує гнучкі