Панорама сектора параллельных вычислений Web3: лучший вариант для нативного масштабирования?
Треугольник «невозможного» (Blockchain Trilemma) в блокчейне, состоящий из «безопасности», «децентрализации» и «масштабируемости», раскрывает основные компромиссы в проектировании блокчейн-систем, что означает, что блокчейн-проекты трудно одновременно достичь «максимальной безопасности, доступности для всех и высокой скорости обработки». В отношении вечной темы «масштабируемости» на текущем рынке основные решения для расширения блокчейна делятся по парадигмам, включая:
Выполнение расширенного увеличения: повышение исполнительной способности на месте, например, параллельная обработка, GPU, многоядерные.
Изолированное расширение состояния: горизонтальное разделение состояния / Шардинг, например, шардирование, UTXO, множество подсетей
Внешняя масштабируемость на основе аутсорсинга: выполнение вне цепи, например, Rollup, сопроцессор, DA
Расширение с декомпозицией структуры: модульная архитектура, совместная работа, например, модульная цепь, общий сортировщик, Rollup Mesh
Асинхронное конкурентное масштабирование: модель актера, изоляция процессов, управляемая сообщениями, например, агенты, многопоточные асинхронные цепочки
Решения по масштабированию блокчейна включают: параллельные вычисления в цепочке, Rollup, шардирование, модули DA, модульную структуру, систему Actor, сжатие zk-доказательств, архитектуру Stateless и т. д., охватывающие несколько уровней выполнения, состояния, данных и структуры, представляя собой «многослойную кооперацию и модульную комбинацию» полную систему масштабирования. В данной статье основное внимание уделяется масштабированию на основе параллельных вычислений.
Внутренний параллелизм цепи (intra-chain parallelism), сосредотачиваясь на параллельном выполнении транзакций / инструкций внутри блока. По механизму параллелизма его способы масштабирования можно разделить на пять основных категорий, каждая из которых представляет собой различные цели по производительности, модели разработки и архитектурную философию. Параллельные единицы становятся все более мелкими, интенсивность параллелизма возрастает, сложность планирования также увеличивается, а сложность программирования и трудности реализации растут.
Уровень аккаунта (Account-level): представляет проект Solana
Объектный уровень параллелизма (Object-level): представляет проект Sui
Уровень транзакций (Transaction-level): представляет проект Monad, Aptos
Уровень вызова / Параллельный MicroVM (Call-level / MicroVM): представляет проект MegaETH
Уровень инструкций (Instruction-level): представляет проект GatlingX
Внецепочечная асинхронная конкурентная модель, представлена системой умных тел Actor (Agent / Actor Model), которая относится к другой парадигме параллельных вычислений. В качестве межцепочечного / асинхронного сообщения (модель, не синхронизируемая с блокчейном) каждый агент функционирует как независимый «умный процесс», осуществляя асинхронные сообщения и события в параллельном режиме без необходимости синхронного планирования. К代表项目有 AO, ICP, Cartesi 等.
А знакомые нам Rollup или решения по шардированию относятся к механизмам системного уровня параллелизма, а не к параллельным вычислениям внутри цепочки. Они достигают масштабируемости за счет «параллельного запуска нескольких цепочек / сред выполнения», а не за счет повышения параллелизма внутри одного блока / виртуальной машины. Эти решения по масштабируемости не являются основной темой данной статьи, но мы все равно будем использовать их для сравнительного анализа архитектурных концепций.
Два. EVM-система параллельного усиления цепи: прорыв границ производительности в совместимости
Архитектура последовательной обработки Эфириума на сегодняшний день прошла через несколько этапов расширения, включая шардирование, Rollup и модульную архитектуру, но узкое место в пропускной способности уровня выполнения все еще не было кардинально преодолено. В то же время, EVM и Solidity по-прежнему являются наиболее развитыми платформами для смарт-контрактов с точки зрения базы разработчиков и экосистемного потенциала. Поэтому цепочка с параллельным усилением EVM становится ключевым путем, который учитывает совместимость экосистемы и улучшение производительности выполнения, и становится важным направлением для нового этапа расширения. Monad и MegaETH являются наиболее представительными проектами в этом направлении, которые строят архитектуру параллельной обработки EVM, ориентированную на высокую конкуренцию и высокую пропускную способность, начиная с задержки выполнения и разложения состояния.
Анализ механизма параллельных вычислений Monad
Monad — это высокопроизводительный Layer1 блокчейн, заново спроектированный для виртуальной машины Ethereum (EVM), основанный на основной параллельной идее конвейерной обработки (Pipelining), с асинхронным выполнением на уровне консенсуса (Asynchronous Execution) и оптимистичным параллельным выполнением (Optimistic Parallel Execution) на уровне исполнения. Кроме того, на уровнях консенсуса и хранения Monad соответственно внедряет высокопроизводительный BFT протокол (MonadBFT) и специализированную систему баз данных (MonadDB), обеспечивая оптимизацию от конца до конца.
Параллельное выполнение многоступенчатого конвейера
Пайплайн (Pipelining) является основной идеей параллельного выполнения монады, основная мысль которой заключается в том, чтобы разделить процесс выполнения в блокчейне на несколько независимых этапов и обрабатывать эти этапы параллельно, формируя многослойную архитектуру конвейера. Каждый этап работает в независимом потоке или ядре, что позволяет осуществлять параллельную обработку между блоками, в конечном итоге достигая повышения пропускной способности и снижения задержек. Эти этапы включают: предложение транзакции (Propose), достижение консенсуса (Consensus), выполнение транзакции (Execution) и подтверждение блока (Commit).
Асинхронное выполнение: консенсус - выполнение асинхронного декуплинга
В традиционной цепочке процесс консенсуса и выполнения транзакций обычно является синхронным, и такая последовательная модель серьезно ограничивает масштабируемость производительности. Monad реализует асинхронный консенсусный уровень, асинхронный уровень выполнения и асинхронное хранилище через "асинхронное выполнение". Это значительно снижает время блока (block time) и задержку подтверждения, делая систему более устойчивой, процессы обработки более детализированными и повышая эффективность использования ресурсов.
Основной дизайн:
Процесс согласования (уровень согласования) отвечает только за упорядочение транзакций и не выполняет логику контрактов.
Процесс выполнения (уровень выполнения) асинхронно запускается после завершения консенсуса.
После завершения консенсуса немедленно перейти к процессу консенсуса следующего блока, не дожидаясь завершения выполнения.
Оптимистичное параллельное выполнение
Традиционный Ethereum использует строгую последовательную модель для выполнения транзакций, чтобы избежать конфликтов состояния. В то время как Monad использует стратегию «оптимистичного параллельного выполнения», значительно увеличивая скорость обработки транзакций.
Исполнительный механизм:
Monad будет оптимистично параллельно выполнять все транзакции, предполагая, что большинство транзакций не имеют конфликтов состояния.
Запускайте одновременно «Детектор конфликтов (Conflict Detector))», чтобы контролировать, обращаются ли транзакции к одному и тому же состоянию (например, конфликты чтения/записи).
Если обнаружен конфликт, конфликтные транзакции будут сериализованы и повторно выполнены, чтобы обеспечить корректность состояния.
Monad выбрал совместимый путь: минимально изменяя правила EVM, он достигает параллелизма в процессе выполнения, откладывая запись состояния и динамически обнаруживая конфликты, больше похожий на производительную версию Ethereum, с хорошей зрелостью, что облегчает миграцию экосистемы EVM, являясь параллельным ускорителем мира EVM.
Анализ параллельного вычислительного механизма MegaETH
В отличие от L1 позиционирования Monad, MegaETH позиционируется как модульный высокопроизводительный параллельный исполнительный слой, совместимый с EVM, который может функционировать как независимая L1 публичная цепь или как слой повышения производительности на Ethereum (Execution Layer) или модульный компонент. Его основной проектной целью является декомпозиция логики учетных записей, исполнительной среды и состояния в минимальные независимые единицы, которые можно планировать независимо, чтобы достичь высокой параллельной обработки и низкой задержки ответов в пределах цепи. Ключевое новшество, предложенное MegaETH, заключается в архитектуре Micro-VM + State Dependency DAG (ориентированный ациклический граф зависимостей состояния) и модульном механизме синхронизации, которые вместе создают параллельную исполнительную систему, ориентированную на «потоковую обработку внутри цепи».
Архитектура Micro-VM (микровиртуальная машина): аккаунт — это поток
MegaETH вводит модель исполнения "один микро-виртуальная машина (Micro-VM) на каждый аккаунт", "потоковую" среду выполнения, обеспечивая минимальный изолированный элемент для параллельного планирования. Эти ВМ общаются друг с другом через асинхронную передачу сообщений (Asynchronous Messaging), а не синхронные вызовы, что позволяет множеству ВМ выполнять операции независимо и хранить данные независимо, что позволяет им естественно работать параллельно.
State Dependency DAG: механизм планирования, основанный на графах зависимостей
MegaETH построила систему планирования на основе DAG, основанную на отношениях доступа к состоянию аккаунтов. Система в реальном времени поддерживает глобальный граф зависимости (Dependency Graph), каждую транзакцию моделируя как изменение некоторых аккаунтов и чтение других аккаунтов. Неконфликтующие транзакции могут выполняться параллельно, в то время как транзакции с зависимостями будут планироваться и сортироваться последовательно или с задержкой в соответствии с топологическим порядком. Граф зависимостей обеспечивает согласованность состояния и недопущение повторных записей в процессе параллельного выполнения.
Асинхронное выполнение и механизм обратных вызовов
MegaETH построен на основе парадигмы асинхронного программирования, аналогичной асинхронному обмену сообщениями в модели акторов, которая решает проблему традиционных последовательных вызовов EVM. Вызовы контракта являются асинхронными (нерекурсивное выполнение), и когда вызывается контракт A -> B -> C, каждый вызов является асинхронным без блокировки ожидания; Стек вызовов разворачивается в асинхронный граф вызовов; Обработка транзакций = обход асинхронного графа + разрешение зависимостей + параллельное планирование.
В общем, MegaETH разрушает традиционную модель однопоточной машины состояний EVM, реализуя микро-виртуальные машины в рамках учетных записей, осуществляя планирование транзакций через граф зависимости состояний и заменяя синхронные вызовы стеком асинхронных сообщений. Это платформа параллельных вычислений, полностью перегруппированная по всем измерениям от "структуры учетной записи → архитектуры планирования → процесса выполнения", предлагающая парадигмально новый подход к созданию систем высокопроизводительных цепочек следующего поколения.
MegaETH выбрала путь реконструкции: полностью абстрагировав аккаунты и контракты в независимую виртуальную машину, она использует асинхронное выполнение для освобождения предельного потенциала параллелизма. Теоретически, предел параллелизма MegaETH выше, но также сложнее контролировать, больше напоминает суперраспределённую операционную систему в духе Ethereum.
Дизайнерские концепции Monad и MegaETH значительно отличаются от шардинга: шардинг разбивает блокчейн на несколько независимых подсетей (шарды), каждая из которых отвечает за часть транзакций и состояния, нарушая ограничения единой цепочки в уровне сети; в то время как Monad и MegaETH сохраняют целостность единой цепочки, лишь горизонтально расширяясь на уровне выполнения, оптимизируя производительность за счет предельного параллельного выполнения внутри одной цепочки. Оба представляют два направления в пути расширения блокчейна: вертикальное усиление и горизонтальное расширение.
Проекты параллельных вычислений, такие как Monad и MegaETH, в основном сосредоточены на оптимизации пропускной способности с основной целью повышения TPS в цепочке, реализуя параллельную обработку на уровне транзакций или учетных записей через отложенное выполнение (Deferred Execution) и архитектуру микро-виртуальной машины (Micro-VM). В то время как Pharos Network является модульной и полной параллельной L1 блокчейн-сетью, ее основная параллельная вычислительная механика называется «Rollup Mesh». Эта архитектура поддерживает многовиртуальную среду (EVM и Wasm) через совместную работу основной сети и специализированных сетей обработки (SPNs) и интегрирует такие передовые технологии, как доказательства с нулевым разглашением (ZK) и доверенные вычислительные среды (TEE).
Анализ механизма параллельных вычислений Rollup Mesh:
Полный жизненный цикл асинхронной обработки конвейеров (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos декомпозирует различные этапы транзакции (такие как консенсус, исполнение, хранение) и применяет асинхронный способ обработки, что позволяет каждому этапу выполняться независимо и параллельно, тем самым повышая общую эффективность обработки.
Параллельное выполнение с двумя виртуальными машинами (Dual VM Parallel Execution): Pharos поддерживает две виртуальные среды EVM и WASM, позволяя разработчикам выбирать подходящую среду выполнения в зависимости от потребностей. Эта архитектура с двумя виртуальными машинами не только повышает гибкость системы, но и увеличивает способность обработки транзакций за счет параллельного выполнения.
Специальные сети обработки (SPNs): SPNs являются ключевыми компонентами архитектуры Pharos, подобно модульным подсетям, специально предназначенным для обработки определенных типов задач или приложений. Через SPN
Посмотреть Оригинал
На этой странице может содержаться сторонний контент, который предоставляется исключительно в информационных целях (не в качестве заявлений/гарантий) и не должен рассматриваться как поддержка взглядов компании Gate или как финансовый или профессиональный совет. Подробности смотрите в разделе «Отказ от ответственности» .
Панорама параллельных вычислений Web3: от совместимости с EVM до инноваций в расширении Rollup Mesh
Панорама сектора параллельных вычислений Web3: лучший вариант для нативного масштабирования?
Треугольник «невозможного» (Blockchain Trilemma) в блокчейне, состоящий из «безопасности», «децентрализации» и «масштабируемости», раскрывает основные компромиссы в проектировании блокчейн-систем, что означает, что блокчейн-проекты трудно одновременно достичь «максимальной безопасности, доступности для всех и высокой скорости обработки». В отношении вечной темы «масштабируемости» на текущем рынке основные решения для расширения блокчейна делятся по парадигмам, включая:
Решения по масштабированию блокчейна включают: параллельные вычисления в цепочке, Rollup, шардирование, модули DA, модульную структуру, систему Actor, сжатие zk-доказательств, архитектуру Stateless и т. д., охватывающие несколько уровней выполнения, состояния, данных и структуры, представляя собой «многослойную кооперацию и модульную комбинацию» полную систему масштабирования. В данной статье основное внимание уделяется масштабированию на основе параллельных вычислений.
Внутренний параллелизм цепи (intra-chain parallelism), сосредотачиваясь на параллельном выполнении транзакций / инструкций внутри блока. По механизму параллелизма его способы масштабирования можно разделить на пять основных категорий, каждая из которых представляет собой различные цели по производительности, модели разработки и архитектурную философию. Параллельные единицы становятся все более мелкими, интенсивность параллелизма возрастает, сложность планирования также увеличивается, а сложность программирования и трудности реализации растут.
Внецепочечная асинхронная конкурентная модель, представлена системой умных тел Actor (Agent / Actor Model), которая относится к другой парадигме параллельных вычислений. В качестве межцепочечного / асинхронного сообщения (модель, не синхронизируемая с блокчейном) каждый агент функционирует как независимый «умный процесс», осуществляя асинхронные сообщения и события в параллельном режиме без необходимости синхронного планирования. К代表项目有 AO, ICP, Cartesi 等.
А знакомые нам Rollup или решения по шардированию относятся к механизмам системного уровня параллелизма, а не к параллельным вычислениям внутри цепочки. Они достигают масштабируемости за счет «параллельного запуска нескольких цепочек / сред выполнения», а не за счет повышения параллелизма внутри одного блока / виртуальной машины. Эти решения по масштабируемости не являются основной темой данной статьи, но мы все равно будем использовать их для сравнительного анализа архитектурных концепций.
Два. EVM-система параллельного усиления цепи: прорыв границ производительности в совместимости
Архитектура последовательной обработки Эфириума на сегодняшний день прошла через несколько этапов расширения, включая шардирование, Rollup и модульную архитектуру, но узкое место в пропускной способности уровня выполнения все еще не было кардинально преодолено. В то же время, EVM и Solidity по-прежнему являются наиболее развитыми платформами для смарт-контрактов с точки зрения базы разработчиков и экосистемного потенциала. Поэтому цепочка с параллельным усилением EVM становится ключевым путем, который учитывает совместимость экосистемы и улучшение производительности выполнения, и становится важным направлением для нового этапа расширения. Monad и MegaETH являются наиболее представительными проектами в этом направлении, которые строят архитектуру параллельной обработки EVM, ориентированную на высокую конкуренцию и высокую пропускную способность, начиная с задержки выполнения и разложения состояния.
Анализ механизма параллельных вычислений Monad
Monad — это высокопроизводительный Layer1 блокчейн, заново спроектированный для виртуальной машины Ethereum (EVM), основанный на основной параллельной идее конвейерной обработки (Pipelining), с асинхронным выполнением на уровне консенсуса (Asynchronous Execution) и оптимистичным параллельным выполнением (Optimistic Parallel Execution) на уровне исполнения. Кроме того, на уровнях консенсуса и хранения Monad соответственно внедряет высокопроизводительный BFT протокол (MonadBFT) и специализированную систему баз данных (MonadDB), обеспечивая оптимизацию от конца до конца.
Параллельное выполнение многоступенчатого конвейера
Пайплайн (Pipelining) является основной идеей параллельного выполнения монады, основная мысль которой заключается в том, чтобы разделить процесс выполнения в блокчейне на несколько независимых этапов и обрабатывать эти этапы параллельно, формируя многослойную архитектуру конвейера. Каждый этап работает в независимом потоке или ядре, что позволяет осуществлять параллельную обработку между блоками, в конечном итоге достигая повышения пропускной способности и снижения задержек. Эти этапы включают: предложение транзакции (Propose), достижение консенсуса (Consensus), выполнение транзакции (Execution) и подтверждение блока (Commit).
Асинхронное выполнение: консенсус - выполнение асинхронного декуплинга
В традиционной цепочке процесс консенсуса и выполнения транзакций обычно является синхронным, и такая последовательная модель серьезно ограничивает масштабируемость производительности. Monad реализует асинхронный консенсусный уровень, асинхронный уровень выполнения и асинхронное хранилище через "асинхронное выполнение". Это значительно снижает время блока (block time) и задержку подтверждения, делая систему более устойчивой, процессы обработки более детализированными и повышая эффективность использования ресурсов.
Основной дизайн:
Оптимистичное параллельное выполнение
Традиционный Ethereum использует строгую последовательную модель для выполнения транзакций, чтобы избежать конфликтов состояния. В то время как Monad использует стратегию «оптимистичного параллельного выполнения», значительно увеличивая скорость обработки транзакций.
Исполнительный механизм:
Monad выбрал совместимый путь: минимально изменяя правила EVM, он достигает параллелизма в процессе выполнения, откладывая запись состояния и динамически обнаруживая конфликты, больше похожий на производительную версию Ethereum, с хорошей зрелостью, что облегчает миграцию экосистемы EVM, являясь параллельным ускорителем мира EVM.
Анализ параллельного вычислительного механизма MegaETH
В отличие от L1 позиционирования Monad, MegaETH позиционируется как модульный высокопроизводительный параллельный исполнительный слой, совместимый с EVM, который может функционировать как независимая L1 публичная цепь или как слой повышения производительности на Ethereum (Execution Layer) или модульный компонент. Его основной проектной целью является декомпозиция логики учетных записей, исполнительной среды и состояния в минимальные независимые единицы, которые можно планировать независимо, чтобы достичь высокой параллельной обработки и низкой задержки ответов в пределах цепи. Ключевое новшество, предложенное MegaETH, заключается в архитектуре Micro-VM + State Dependency DAG (ориентированный ациклический граф зависимостей состояния) и модульном механизме синхронизации, которые вместе создают параллельную исполнительную систему, ориентированную на «потоковую обработку внутри цепи».
Архитектура Micro-VM (микровиртуальная машина): аккаунт — это поток
MegaETH вводит модель исполнения "один микро-виртуальная машина (Micro-VM) на каждый аккаунт", "потоковую" среду выполнения, обеспечивая минимальный изолированный элемент для параллельного планирования. Эти ВМ общаются друг с другом через асинхронную передачу сообщений (Asynchronous Messaging), а не синхронные вызовы, что позволяет множеству ВМ выполнять операции независимо и хранить данные независимо, что позволяет им естественно работать параллельно.
State Dependency DAG: механизм планирования, основанный на графах зависимостей
MegaETH построила систему планирования на основе DAG, основанную на отношениях доступа к состоянию аккаунтов. Система в реальном времени поддерживает глобальный граф зависимости (Dependency Graph), каждую транзакцию моделируя как изменение некоторых аккаунтов и чтение других аккаунтов. Неконфликтующие транзакции могут выполняться параллельно, в то время как транзакции с зависимостями будут планироваться и сортироваться последовательно или с задержкой в соответствии с топологическим порядком. Граф зависимостей обеспечивает согласованность состояния и недопущение повторных записей в процессе параллельного выполнения.
Асинхронное выполнение и механизм обратных вызовов
MegaETH построен на основе парадигмы асинхронного программирования, аналогичной асинхронному обмену сообщениями в модели акторов, которая решает проблему традиционных последовательных вызовов EVM. Вызовы контракта являются асинхронными (нерекурсивное выполнение), и когда вызывается контракт A -> B -> C, каждый вызов является асинхронным без блокировки ожидания; Стек вызовов разворачивается в асинхронный граф вызовов; Обработка транзакций = обход асинхронного графа + разрешение зависимостей + параллельное планирование.
В общем, MegaETH разрушает традиционную модель однопоточной машины состояний EVM, реализуя микро-виртуальные машины в рамках учетных записей, осуществляя планирование транзакций через граф зависимости состояний и заменяя синхронные вызовы стеком асинхронных сообщений. Это платформа параллельных вычислений, полностью перегруппированная по всем измерениям от "структуры учетной записи → архитектуры планирования → процесса выполнения", предлагающая парадигмально новый подход к созданию систем высокопроизводительных цепочек следующего поколения.
MegaETH выбрала путь реконструкции: полностью абстрагировав аккаунты и контракты в независимую виртуальную машину, она использует асинхронное выполнение для освобождения предельного потенциала параллелизма. Теоретически, предел параллелизма MegaETH выше, но также сложнее контролировать, больше напоминает суперраспределённую операционную систему в духе Ethereum.
Дизайнерские концепции Monad и MegaETH значительно отличаются от шардинга: шардинг разбивает блокчейн на несколько независимых подсетей (шарды), каждая из которых отвечает за часть транзакций и состояния, нарушая ограничения единой цепочки в уровне сети; в то время как Monad и MegaETH сохраняют целостность единой цепочки, лишь горизонтально расширяясь на уровне выполнения, оптимизируя производительность за счет предельного параллельного выполнения внутри одной цепочки. Оба представляют два направления в пути расширения блокчейна: вертикальное усиление и горизонтальное расширение.
Проекты параллельных вычислений, такие как Monad и MegaETH, в основном сосредоточены на оптимизации пропускной способности с основной целью повышения TPS в цепочке, реализуя параллельную обработку на уровне транзакций или учетных записей через отложенное выполнение (Deferred Execution) и архитектуру микро-виртуальной машины (Micro-VM). В то время как Pharos Network является модульной и полной параллельной L1 блокчейн-сетью, ее основная параллельная вычислительная механика называется «Rollup Mesh». Эта архитектура поддерживает многовиртуальную среду (EVM и Wasm) через совместную работу основной сети и специализированных сетей обработки (SPNs) и интегрирует такие передовые технологии, как доказательства с нулевым разглашением (ZK) и доверенные вычислительные среды (TEE).
Анализ механизма параллельных вычислений Rollup Mesh: