رسم بياني شامل لمجال الحوسبة المتوازية في Web3: هل هي أفضل حل للتوسع الأصلي؟

مثلث "الاستحالة" في blockchain يكشف عن التوازن الجوهري في تصميم أنظمة blockchain، حيث من الصعب على مشاريع blockchain تحقيق "أقصى أمان، إمكانية المشاركة للجميع، ومعالجة سريعة" في نفس الوقت. فيما يتعلق بموضوع "قابلية التوسع" هذا، فإن الحلول الرائجة لتوسيع blockchain في السوق الحالية تُصنف وفقًا للنماذج، بما في ذلك:

• تنفيذ التوسع المعزز: تعزيز القدرة التنفيذية في المكان، مثل المعالجة المتوازية، GPU، والأنوية المتعددة
• توسيع العزل بالحالة: تقسيم أفقي للحالة / شارد، مثل التجزئة، UTXO، شبكات فرعية متعددة
• توسيع من نوع التفويض خارج السلسلة: وضع التنفيذ خارج السلسلة، مثل Rollup، Coprocessor، DA
• توسيع من نوع فك الارتباط الهيكلي: نمذجة معمارية، تشغيل متزامن، مثل سلسلة الوحدات، جهاز ترتيب مشترك، Rollup Mesh
• توسيع متزامن غير متزامن: نموذج الممثل، عزل العمليات، مدفوع بالرسائل، مثل الوكلاء، سلسلة غير متزامنة متعددة الخيوط

تشمل حلول توسيع blockchain: الحوسبة المتوازية داخل السلسلة، Rollup، تقسيم، وحدة DA، هيكلية معيارية، نظام Actor، ضغط zk proof، بنية بدون حالة، وغيرها، تغطي عدة مستويات من التنفيذ، الحالة، البيانات، والهياكل، وهي نظام توسيع كامل "تعاون متعدد المستويات، تجميع وحدات". وسيتم التركيز في هذه المقالة على طريقة التوسع التي تعتمد على الحوسبة المتوازية كتيار رئيسي.

الحساب المتوازي داخل السلسلة، يركز على التنفيذ المتوازي للمعاملات/الأوامر داخل الكتلة. وفقًا لآلية التوازي، يمكن تصنيف طرق التوسع إلى خمس فئات، تمثل كل فئة سعيًا مختلفًا للأداء، ونموذج تطوير، وفلسفة معمارية، حيث تصبح حبيبات التوازي بشكل متزايد أكثر دقة، وزيادة شدة التوازي، وتزداد تعقيد الجدولة، كما تزداد تعقيد البرمجة وصعوبة التنفيذ.

• التوازي على مستوى الحساب (Account-level): يمثل مشروع سولانا
• التوازي على مستوى الكائن (Object-level): يمثل مشروع Sui
• مستوى المعاملات (Transaction-level): يمثل المشروع Monad, Aptos
• استدعاء المستوى / MicroVM المتوازي (Call-level / MicroVM): يمثل مشروع MegaETH
• توازي مستوى التعليمات (Instruction-level): يمثل مشروع GatlingX

نموذج التزامن غير المتزامن خارج السلسلة، الذي يمثل نظام كائنات أكتورية، ينتمي إلى نمط حساب موازٍ آخر، كنظام رسائل عبر السلاسل/غير متزامن، حيث يعمل كل وكيل كـ "عملية كائن ذكي" تعمل بشكل مستقل، بطريقة متوازية مع رسائل غير متزامنة، مدفوعة بالأحداث، دون الحاجة إلى جدولة متزامنة، ومن المشاريع الممثلة AO و ICP و Cartesi وغيرها.

إن الحلول المعروفة لدينا مثل Rollup أو خطط توسيع الشظايا، تنتمي إلى آلية التوازي على مستوى النظام، ولا ترتبط بالحوسبة المتوازية داخل السلسلة. إنها تحقق التوسع من خلال "تشغيل عدة سلاسل/مجالات تنفيذ بشكل متوازي"، وليس من خلال زيادة التوازي داخل كتلة واحدة/آلة افتراضية. هذه الحلول التوسعية ليست محور النقاش في هذه المقالة، لكننا سنستخدمها لمقارنة أوجه الاختلاف والتشابه في مفاهيم الهندسة المعمارية.

2. سلسلة تعزيز التوازي EVM: كسر حدود الأداء في التوافق

تطورت بنية المعالجة المتسلسلة للإيثيريوم حتى الآن، حيث مرت بعدة محاولات لتوسيع النطاق مثل التقسيم وRollup والهندسة المعمارية المودولية، لكن لا يزال عنق الزجاجة في مستوى التنفيذ لم يشهد اختراقًا جذريًا. ومع ذلك، لا يزال EVM وSolidity هما منصتا العقود الذكية الأكثر قوة من حيث قاعدة المطورين وإمكانات النظام البيئي الحالية. لذلك، فإن سلسلة EVM المعززة بشكل متوازي، التي تأخذ في الاعتبار التوافق البيئي وتحسين أداء التنفيذ، أصبحت اتجاهًا رئيسيًا في جولة التوسع الجديدة. يُعتبر Monad وMegaETH من بين المشاريع الأكثر تمثيلاً في هذا الاتجاه، حيث يركز كل منهما على التنفيذ المتأخر وتفكيك الحالة، لبناء بنية المعالجة المتسلسلة لـ EVM موجهة نحو السيناريوهات ذات التزامن العالي والإنتاجية العالية.

تحليل آلية الحساب المتوازي لـ Monad

Monad هو سلسلة كتل عالية الأداء من Layer1 تم إعادة تصميمها لآلة Ethereum الافتراضية ، تعتمد على مفهوم المعالجة المتزامنة (Pipelining) كأساس ، مع تنفيذ غير متزامن على طبقة الاتفاق (Asynchronous Execution) وتنفيذ متفائل متوازي (Optimistic Parallel Execution) على طبقة التنفيذ. بالإضافة إلى ذلك ، قدمت Monad بروتوكول BFT عالي الأداء (MonadBFT) ونظام قاعدة بيانات متخصص (MonadDB) في طبقتي الاتفاق والتخزين ، لتحقيق تحسين شامل.

خط أنابيب: آلية تنفيذ متوازية متعددة المراحل

Pipelining هو المفهوم الأساسي لتنفيذ Monad بشكل متوازي، حيث يتمثل الفكر الرئيسي في تقسيم عملية تنفيذ blockchain إلى مراحل مستقلة متعددة ومعالجة هذه المراحل بشكل متوازي، مما يشكل هيكل خط أنابيب ثلاثي الأبعاد. تعمل كل مرحلة في خيوط أو أنوية مستقلة، لتحقيق معالجة متزامنة عبر الكتل، الأمر الذي يؤدي في النهاية إلى زيادة القدرة على معالجة البيانات وتقليل التأخير. تشمل هذه المراحل: اقتراح المعاملات (Propose) تحقيق الإجماع (Consensus) تنفيذ المعاملات (Execution) وتقديم الكتل (Commit).

تنفيذ غير متزامن: اتفاق - تنفيذ فك الارتباط غير المتزامن

في السلاسل التقليدية، تكون عملية التوافق وتنفيذ المعاملات عادةً عملية متزامنة، مما يحد بشكل كبير من قدرة الأداء على التوسع. من خلال "التنفيذ غير المتزامن"، حققت Monad توافقًا غير متزامن في طبقة التوافق، وتنفيذًا غير متزامن في طبقة التنفيذ، وتخزينًا غير متزامن. مما أدى إلى تقليل وقت الكتلة وتأخير التأكيد بشكل ملحوظ، مما يجعل النظام أكثر مرونة، وعمليات المعالجة أكثر تفصيلًا، وزيادة كفاءة استخدام الموارد.

التصميم الأساسي:

• عملية الإجماع مسؤولة فقط عن ترتيب المعاملات، ولا تنفذ منطق العقد.
• يتم تشغيل العملية بشكل غير متزامن بعد اكتمال الإجماع.
• بعد اكتمال الإجماع، يتم الدخول فورًا في عملية إجماع الكتلة التالية، دون الحاجة إلى انتظار الانتهاء من التنفيذ.

تنفيذ متوازي متفائل: تنفيذ متوازي متفائل

يعتمد الإيثريوم التقليدي على نموذج تسلسل صارم لتنفيذ المعاملات لتجنب تعارض الحالة. بينما تعتمد Monad على استراتيجية "التنفيذ المتوازي المتفائل"، مما يعزز بشكل كبير من سرعة معالجة المعاملات.

آلية التنفيذ:

• Monad ستقوم بتنفيذ جميع المعاملات بشكل متوازي بشكل متفائل، على افتراض أن معظم المعاملات ليس بينها صراعات حالة.
• تشغيل "كاشف التعارض" لمراقبة ما إذا كانت المعاملات تت访问 نفس الحالة.
• إذا تم اكتشاف تعارض، فسيتم تسلسل إعادة تنفيذ المعاملات المتعارضة لضمان صحة الحالة.

اختارت Monad المسار المتوافق: تقليل التغييرات في قواعد EVM قدر الإمكان، وتحقيق التوازي من خلال تأجيل كتابة الحالة، والكشف الديناميكي عن التعارضات أثناء عملية التنفيذ، مما يجعلها أشبه بإيثريوم النسخة عالية الأداء، حيث أن نضوجها يسهل انتقال نظام EVM البيئي، وهي مسرع التوازي في عالم EVM.

تحليل آلية الحوسبة المتوازية لـ MegaETH

بالمقارنة مع تحديد L1 الخاص بـ Monad، يتم تحديد MegaETH كطبقة تنفيذ عالية الأداء وقابلة للتعديل ومتوافقة مع EVM، يمكن أن تعمل كبلوك تشين L1 مستقل، أو كطبقة معززة للتنفيذ على الإيثيريوم أو كمكون قابل للتعديل. الهدف الأساسي من التصميم هو فصل منطق الحسابات، بيئة التنفيذ، والحالة إلى وحدات أصغر قابلة للتنسيق بشكل مستقل، لتحقيق تنفيذ متزامن عالي داخل السلسلة وقدرة استجابة منخفضة التأخير. الابتكار الرئيسي الذي تقدمه MegaETH هو: بنية Micro-VM + DAG (رسم بياني موجه غير دوري يعتمد على الحالة) وآلية مزامنة قابلة للتعديل، والتي تشكل معًا نظام تنفيذ متوازي موجه نحو "تشغيل داخل السلسلة".

بنية Micro-VM (الآلة الافتراضية الصغيرة): الحساب هو الخيط

مقدمة MegaETH نموذج التنفيذ "آلة افتراضية صغيرة لكل حساب"، مما يجعل بيئة التنفيذ "مُتعددة الخيوط"، لتوفير وحدة عزل دنيا لجدولة متوازية. تتواصل هذه الآلات الافتراضية فيما بينها عبر الرسائل غير المتزامنة، بدلاً من الاستدعاءات المتزامنة، مما يسمح لعدد كبير من الآلات الافتراضية بالتنفيذ المستقل والتخزين المستقل، مما يجعلها متوازية بشكل طبيعي.

الاعتماد على DAG: آلية جدولة مدفوعة بالرسم البياني للاعتماد

بنت MegaETH نظام جدولة DAG يعتمد على علاقات الوصول لحالة الحساب، حيث يحافظ النظام على رسم بياني عالمي للتبع يعتمد في الوقت الحقيقي، حيث يتم نمذجة كل معاملة تعدل أي حساب، أو تقرأ أي حساب، كعلاقة تبعية. يمكن تنفيذ المعاملات غير المتعارضة بشكل متوازي مباشرة، بينما سيتم جدولة أو تأخير المعاملات التي لديها علاقات تبعية وفقًا لترتيب الطوبولوجيا. يضمن رسم التبعية التناسق في الحالة وكتابة غير مكررة خلال عملية التنفيذ المتوازية.

التنفيذ غير المتزامن وآلية الاستدعاء

ميغا إيث تبني على نموذج البرمجة غير المتزامنة، مشابه لنموذج الممثل في تمرير الرسائل غير المتزامنة، مما يحل مشكلة الاستدعاءات المتسلسلة التقليدية في EVM. استدعاء العقد غير متزامن، عند استدعاء العقد A -> B -> C، يتم تحويل كل استدعاء إلى غير متزامن، دون الحاجة إلى الانتظار بشكل متزامن؛ يتم توسيع مكدس الاستدعاء إلى رسم بياني للاستخدام غير المتزامن؛ معالجة المعاملات = استعراض الرسم البياني غير المتزامن + تحديد الاعتماد + الجدولة المتوازية.

بإيجاز، يقوم MegaETH بكسر نموذج آلة الحالة أحادية الخيط التقليدي EVM، من خلال تحقيق تغليف الميكرو-آلة الافتراضية على أساس الحسابات، وإجراء جدولة المعاملات عبر رسم بياني للاعتماد على الحالة، واستبدال مكدس الاستدعاءات المتزامن بآلية الرسائل غير المتزامنة. إنه منصة حساب متوازية مصممة بشكل شامل من "هيكل الحسابات → هيكل الجدولة → سير التنفيذ"، مما يوفر فكرة جديدة على مستوى النموذج لبناء أنظمة سلسلة عالية الأداء من الجيل التالي.

اختارت MegaETH مسار إعادة البناء: حيث يتم تجريد الحسابات والعقود إلى VM مستقل، من خلال جدولة التنفيذ غير المتزامن لتحرير أقصى إمكانيات التوازي. من الناحية النظرية، فإن الحد الأقصى للتوازي في MegaETH أعلى، لكنه أيضًا أصعب في السيطرة على التعقيد، ليكون أكثر شبيهًا بنظام تشغيل موزع فائق تحت فكرة الإيثريوم.

إن فلسفة تصميم Monad و MegaETH تختلف بشكل كبير عن الشظايا (Sharding): حيث تقوم الشظايا بتقسيم blockchain إلى عدة سلاسل فرعية مستقلة، حيث تتولى كل سلسلة فرعية جزءًا من المعاملات والحالة، مما يكسر قيود السلسلة الواحدة في توسيع الطبقة الشبكية؛ بينما يحتفظ كل من Monad و MegaETH بسلامة السلسلة الواحدة، مع توسيع أفقي فقط في طبقة التنفيذ، مما يحقق تحسينات على الأداء من خلال التنفيذ المتوازي داخل السلسلة الواحدة. يمثل الاثنان اتجاهين مختلفين في مسار توسيع blockchain، وهما التعزيز العمودي والتوسع الأفقي.

تركز مشاريع الحوسبة المتوازية مثل Monad و MegaETH بشكل رئيسي على تحسين مسار الإنتاجية، بهدف رئيسي هو تعزيز TPS داخل الشبكة، من خلال تنفيذ متأخر وبنية ميكرو-آلة افتراضية لتحقيق معالجة متوازية على مستوى المعاملات أو الحسابات. بينما تُعتبر شبكة Pharos شبكة بلوكتشين من الطبقة الأولى (L1) معيارية وشاملة ومتوازية، يُطلق على آلية الحوسبة المتوازية الأساسية فيها اسم "Rollup Mesh". تدعم هذه البنية العمل التعاوني بين الشبكة الرئيسية وشبكات المعالجة الخاصة (SPNs)، وتدعم بيئات متعددة للآلة الافتراضية (EVM و Wasm)، وتدمج تقنيات متقدمة مثل إثبات المعرفة الصفرية (ZK) وبيئات التنفيذ الموثوقة (TEE).

تحليل آلية الحساب المتوازي لشبكة Rollup Mesh:

1. معالجة خط الأنابيب غير المتزامن طوال دورة الحياة: يقوم Pharos بفصل مراحل المعاملات المختلفة، ويستخدم طريقة المعالجة غير المتزامنة، مما يسمح لكل مرحلة بالعمل بشكل مستقل ومتوازي، وبالتالي زيادة كفاءة المعالجة الكلية.
2. تنفيذ مزدوج للآلات الافتراضية بالتوازي: تدعم Pharos بيئتين للآلات الافتراضية: EVM و WASM، مما يسمح للمطورين باختيار بيئة التنفيذ المناسبة حسب الحاجة. لا تعزز هذه البنية المزدوجة للآلة الافتراضية مرونة النظام فحسب، بل تُعزز أيضًا قدرة معالجة المعاملات من خلال التنفيذ المتوازي.
3. الشبكات المعالجة الخاصة (SPNs): تعتبر SPNs مكونًا رئيسيًا في بنية Pharos، مشابهة للشبكات الفرعية المودولية، مخصصة لمعالجة أنواع معينة من المهام أو التطبيقات. من خلال SPNs، يمكن لـ Pharos تحقيق تخصيص ديناميكي للموارد ومعالجة المهام بالتوازي، مما يعزز المزيد من قابلية توسيع النظام وأدائه.
4. آلية توافقية مُعَادَة التَّعْبِئة: قدَّمت Pharos آلية توافق مرنة، تدعم نماذج توافق متعددة، وتحقق من خلال بروتوكول إعادة التَّعْبِئة مشاركة آمنة ودمج الموارد بين الشبكة الرئيسية و SPNs.

علاوة على ذلك، قامت Pharos بإعادة بناء نموذج التنفيذ من خلال محرك التخزين الأساسي باستخدام تقنيات شجرة ميركل متعددة النسخ، والترميز التفاضلي، والعنوان النسخي، وتقنية الغمر ADS، مما أطلق محرك التخزين عالي الأداء Pharos Store للبلوكشين الأصلي، لتحقيق قدرة عالية على المعالجة، وتأخير منخفض، وقابلية التحقق القوية على السلسلة.