Panorama da computação paralela Web3: comparação de soluções de escalabilidade na cadeia e tendências de desenvolvimento

Panorama do setor de computação paralela Web3: a melhor solução para escalabilidade nativa?

I. O contexto de desenvolvimento da computação paralela em blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain (segurança, descentralização, escalabilidade) revela o trade-off essencial no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para um projeto de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as soluções de escalabilidade de blockchain mainstream atualmente no mercado são classificadas de acordo com paradigmas, incluindo:

  • Executar escalabilidade aprimorada: aumentar a capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
  • Escalabilidade com isolamento de estado: divisão horizontal do estado/Sharding, como fragmentação, UTXO, múltiplas subredes
  • Escalabilidade de outsourcing off-chain: executar fora da cadeia, por exemplo, Rollup, Coprocessor, DA
  • Expansão desacoplada por estrutura: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias modulares, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
  • Escalabilidade assíncrona e concorrente: Modelo Actor, isolamento de processos, baseado em mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread.

As soluções de escalabilidade de blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulos DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de provas zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, sendo um sistema completo de escalabilidade de "cooperação em múltiplas camadas e combinação modular". Este artigo foca nas formas de escalabilidade com computação paralela como a principal.

Paralelismo intra-chain (, focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas formas de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes objetivos de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofias de arquitetura, com o grau de paralelismo ficando cada vez mais fino, a intensidade de paralelismo aumentando, a complexidade de agendamento também aumentando, e a complexidade de programação e dificuldade de implementação aumentando.

  • Paralelismo a nível de conta (Account-level): representa o projeto Solana
  • Paralelismo a nível de objeto (Object-level): representa o projeto Sui
  • Nível de transação (Transaction-level): representa os projetos Monad, Aptos
  • Nível de chamada / MicroVM em paralelo (Call-level / MicroVM): representa o projeto MegaETH
  • Paralelismo a nível de instrução (Instruction-level): representa o projeto GatlingX

Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes (Modelo de Agente / Actor), pertencendo a outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens assíncronas / intercadeias (modelo não sincronizado em bloco), onde cada Agente opera como um "processo inteligente independente", com mensagens assíncronas em modo paralelo, acionado por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado. Projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por fragmentação pertencem a mecanismos de concorrência a nível de sistema e não à computação paralela dentro da cadeia. Eles alcançam a escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias/domínios de execução", em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco/máquina virtual. Este tipo de solução de escalabilidade não é o foco da discussão deste artigo, mas ainda assim a utilizaremos para comparações de similaridade em conceitos de arquitetura.

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Dois, Cadeia de Aumento Paralelo EVM: Rompendo os Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, incluindo sharding, Rollup e arquiteturas modularizadas, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não teve uma ruptura fundamental. No entanto, o EVM e o Solidity continuam sendo as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, as blockchains paralelas do tipo EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na evolução da escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nessa direção, construindo uma arquitetura de processamento paralelo do EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução de atraso e decomposição de estados, respectivamente.

) Análise do mecanismo de cálculo paralelo Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho redesenhada para a Máquina Virtual Ethereum (EVM), baseada no conceito fundamental de processamento em pipeline (Pipelining), com execução assíncrona na camada de consenso (Asynchronous Execution) e concorrência otimista na camada de execução (Optimistic Parallel Execution). Além disso, na camada de consenso e armazenamento, Monad introduz um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), realizando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplas etapas

Pipelining é o conceito básico da execução paralela de Monads, cuja ideia central é dividir o processo de execução da blockchain em várias fases independentes, e processar essas fases em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional. Cada fase opera em threads ou núcleos independentes, permitindo o processamento concorrente entre blocos, alcançando assim um aumento na taxa de transferência e uma redução na latência. Essas fases incluem: Proposta de transação (Propose), Acordo de consenso (Consensus), Execução de transação (Execution) e Compromisso de bloco (Commit).

Execução Assíncrona: Desacoplamento Assíncrono de Consenso e Execução

No blockchain tradicional, o consenso e a execução das transações costumam ser processos síncronos, e esse modelo sequencial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad alcançou o consenso assíncrono, a execução assíncrona e o armazenamento assíncrono por meio da "execução assíncrona". Isso reduz significativamente o tempo de bloco e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com processos mais segmentados e uma maior eficiência na utilização de recursos.

Design central:

  • O processo de consenso (camada de consenso) é responsável apenas pela ordenação das transações, não pela execução da lógica do contrato.
  • O processo de execução (camada de execução) é ativado de forma assíncrona após a conclusão do consenso.
  • Após a conclusão do consenso, entra imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de aguardar a execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

A Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente sequencial para evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad adota uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.

Mecanismo de execução:

  • Monad irá executar todas as transações em paralelo de forma otimista, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
  • Executar simultaneamente um "Detetor de Conflitos (Conflict Detector###" para monitorizar se as transações acedem ao mesmo estado (como conflitos de leitura/escrita).
  • Se um conflito for detectado, as transações de conflito serão serializadas e reexecutadas para garantir a correção do estado.

Monad escolheu um caminho compatível: mexer o mínimo possível nas regras do EVM, implementando a paralelização durante a execução através do atraso na escrita do estado e detecção dinâmica de conflitos, assemelhando-se a uma versão otimizada do Ethereum, com boa maturidade que facilita a migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelização no mundo EVM.

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) Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente do posicionamento L1 do Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente, quanto como uma camada de execução aprimorada na Ethereum (Execution Layer) ou um componente modular. O principal objetivo de design é desconstruir a lógica da conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de realizar uma execução de alta concorrência e uma capacidade de resposta de baixa latência dentro da cadeia. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado (Directed Acyclic Graph) e um mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Arquitetura Micro-VM: Conta é um Thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma Micro-VM por conta", que "threadiza" o ambiente de execução, fornecendo a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Essas VMs comunicam-se entre si através de Mensagens Assíncronas, em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, tornando-se naturalmente paralelas.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráfico de Dependência

MegaETH construiu um sistema de agendamento DAG baseado em relações de acesso ao estado da conta, que mantém em tempo real um gráfico de dependência global (Dependency Graph). Cada transação modela quais contas são modificadas e quais contas são lidas como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo diretamente, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em ordem topológica ou adiadas. O gráfico de dependência garante a consistência de estado e a não duplicação de gravações durante o processo de execução em paralelo.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH rompe com o modelo tradicional de máquina de estado de thread único EVM, implementando um encapsulamento de micro-maquina virtual a nível de conta, através de um gráfico de dependência de estado para agendamento de transações, e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em todos os níveis a partir da "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", oferecendo uma nova abordagem paradigmática para a construção do próximo sistema de alta performance em blockchain.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial de paralelismo extremo através de agendamento de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se mais a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

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Monad e MegaETH têm filosofias de design bastante diferentes em relação à fragmentação (Sharding): a fragmentação divide a blockchain horizontalmente em várias sub-cadeias independentes (Shards), cada sub-cadeia é responsável por parte das transações e estados, quebrando a limitação de uma única cadeia em termos de escalabilidade na camada de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da única cadeia, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela interna na única cadeia para superar o desempenho. Ambos representam duas direções diferentes no caminho de escalabilidade da blockchain: o fortalecimento vertical e a expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente na otimização da capacidade de processamento, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, alcançando o processamento paralelo ao nível de transações ou contas através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micromáquinas virtuais (Micro-VM). A Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, possui um mecanismo de computação paralela central conhecido como "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta ambientes de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através da colaboração entre a rede principal e redes de processamento especiais (SPNs), e integra tecnologias avançadas como provas de conhecimento zero (ZK) e ambientes de execução confiáveis (TEE).

Análise do mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

  1. Processamento Assíncrono de Pipeline de Ciclo de Vida Completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): A Pharos desacopla as várias etapas das transações (como consenso, execução, armazenamento) e utiliza um modo de processamento assíncrono, permitindo que cada etapa seja realizada de forma independente e paralela, aumentando assim a eficiência geral do processamento.
  2. Execução Paralela de Duas VMs (Dual VM Parallel Execution): Pharos suporta dois ambientes de VM, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado conforme suas necessidades. Esta arquitetura de dupla VM não só aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
  3. Redes de Processamento Especiais (SPNs): Os SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, especialmente projetados para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através dos SPNs, o Pharos pode realizar a alocação dinâmica de recursos e o processamento paralelo de tarefas, aumentando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
  4. Consenso Modular e Mecanismo de Re-Staking (Modular Consensus & Restaking): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA), e implementou o protocolo de re-staking (Restaking) para garantir a partilha segura e a integração de recursos entre a mainnet e as SPNs.

Além disso, a Pharos reestruturou o modelo de execução a partir da camada de armazenamento utilizando tecnologias como árvores de Merkle de múltiplas versões, codificação diferencial (Delta Encoding), endereçamento versionado (Versioned Addressing) e ADS Pushdown, lançando o motor de armazenamento de alto desempenho nativo da blockchain, Pharos Store, que oferece alta capacidade de processamento em cadeia, baixa latência e forte verificabilidade.

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NftDataDetectivevip
· 07-24 20:18
hmm debate sobre escalabilidade de novo... já vi este filme antes, para ser honesto. rollups parecem apetitosos.
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LayoffMinervip
· 07-23 18:18
pure chives to fazer as pessoas de parvas fazer as pessoas de parvas
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MEVSupportGroupvip
· 07-23 09:10
O que fazer se esta TPS não conseguir vencer a centralização..
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LidoStakeAddictvip
· 07-23 09:00
Quem entende o verdadeiro tps na cadeia? Os dados de papel só falam na boa.
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GhostAddressMinervip
· 07-23 08:56
Esses bonitos pacotes de soluções de escalabilidade... não passam de novas ferramentas de fazer as pessoas de parvas para os investidores. Rastreando algumas carteiras de instituições, todos estão secretamente acumulando tokens L2.
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shadowy_supercodervip
· 07-23 08:49
Mais uma vez a expansão barulhenta, quem ainda não fez alguns rollups?
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  • Pino
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