Mapa panorámico de la pista de computación paralela Web3: ¿la mejor solución de escalado nativa?

El "triángulo imposible" de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad", revela la esencia de los compromisos en el diseño de sistemas de blockchain, es decir, que es difícil para un proyecto de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En cuanto al eterno tema de la "escalabilidad", las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según paradigmas, incluyendo:

• Ejecutar ampliación mejorada: aumentar la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU, y múltiples núcleos.
• Expansión de aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
• Escalado de tipo outsourcing fuera de la cadena: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
• Expansión de desacoplamiento estructural: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, por ejemplo, cadena de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado asíncrono y concurrente: Modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadena asíncrona multihilo.

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: cálculo paralelo dentro de la cadena, Rollup, fragmentación, módulo DA, estructura modular, sistema Actor, compresión de pruebas zk, arquitectura Stateless, etc., abarcando múltiples niveles de ejecución, estado, datos y estructura, siendo un sistema completo de escalabilidad de "colaboración en múltiples niveles y combinación de módulos". Este artículo se centra en presentar el método de escalabilidad basado en el cálculo paralelo como la forma principal.

Cálculo paralelo dentro de la cadena, enfocándose en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalado se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, donde la granularidad del paralelismo se vuelve cada vez más fina, la intensidad del paralelismo es cada vez mayor, la complejidad de la programación también aumenta, así como la dificultad de implementación.

• Paralelismo a nivel de cuenta (Account-level): representa el proyecto Solana
• Paralelismo a nivel de objeto (Object-level): representa el proyecto Sui
• Paralelismo a nivel de transacción (Transaction-level): representa el proyecto Monad, Aptos
• Llamada de nivel / MicroVM en paralelo: representa el proyecto MegaETH
• Paralelismo a nivel de instrucciones (Instruction-level): representa el proyecto GatlingX

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes Actor; pertenece a otro paradigma de computación paralela. Como sistema de mensajería cruzada/asíncrona, cada Agente opera como un "proceso inteligente" que se ejecuta de forma independiente, manejando mensajes de manera asíncrona en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación síncrona. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o soluciones de fragmentación para escalabilidad pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Logran la escalabilidad mediante "la ejecución paralela de múltiples cadenas/dominios de ejecución", en lugar de aumentar la paralelización dentro de un solo bloque/máquina virtual. Este tipo de soluciones de escalabilidad no son el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en la concepción arquitectónica.

Dos, Cadena Mejorada de Paralelismo EVM: Rompiendo los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por múltiples intentos de escalado, como el sharding, Rollup y arquitecturas modular, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha tenido un avance fundamental. Sin embargo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecosistémico más sólido en la actualidad. Por lo tanto, la cadena de refuerzo paralelo de la serie EVM, que equilibra la compatibilidad ecosistémica y la mejora del rendimiento de ejecución, se está convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la nueva ronda de escalado. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, construyendo arquitecturas de procesamiento paralelo de EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, desde la ejecución con retraso y la descomposición del estado, respectivamente.

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de Monad ###

Monad es una cadena de bloques de alto rendimiento Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum, basada en el concepto fundamental de procesamiento en paralelo (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y ejecución concurrente optimista (Optimistic Parallel Execution) en la capa de ejecución. Además, en las capas de consenso y almacenamiento, Monad introduce un protocolo BFT de alto rendimiento (MonadBFT) y un sistema de base de datos dedicado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

El Pipelining es la idea básica 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 de manera paralela, formando una arquitectura de tuberías tridimensional. Cada etapa se ejecuta en un hilo o núcleo independiente, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando una mejora en el rendimiento y una reducción en la latencia. Estas etapas incluyen: Proposición de transacciones (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asíncrono de 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 asincrónica". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, lo que hace que el sistema sea más resiliente, los procesos más segmentados 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 completado el consenso, se pasa inmediatamente al 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 las transacciones, con el fin de evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que incrementa significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad se ejecutará de manera optimista y en paralelo todas las transacciones, 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, se volverá a ejecutar la transacción en serie para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: mover lo menos posible las reglas de EVM, logrando la paralelización a través de la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos durante el proceso de ejecución, más parecido a una versión de alto rendimiento de Ethereum, con buena madurez y fácil implementación de la migración del ecosistema EVM, es un acelerador de paralelización en el mundo EVM.

Análisis del mecanismo de computación paralela de MegaETH

A diferencia de la ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución modular de alto rendimiento y 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 manera independiente, para lograr una ejecución de alta concurrencia dentro de la cadena y una baja capacidad de respuesta en cuanto a latencia. La innovación clave que propone MegaETH radica en: arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (grafo acíclico dirigido de dependencia de estado) y un mecanismo de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralela orientado a la "hilo dentro de la cadena".

Micro-VM (micro máquina virtual) arquitectura: la cuenta es el hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución de "una micro máquina virtual por cuenta", "hilo" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad de aislamiento mínima para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí mediante mensajes asíncronos, en lugar de llamadas síncronas, permitiendo que numerosas VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, lo que resulta en una paralelización natural.

Dependencia de Estado DAG: mecanismo de programación impulsado por grafo de dependencias

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 modifica qué cuentas, lee qué cuentas, todo modelado 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 callback

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En resumen, MegaETH rompe con el modelo tradicional de máquina de estado de hilo único EVM, implementando un encapsulamiento de micro-vm por cuenta y programando transacciones a través de un gráfico de dependencia de estado, y utilizando un mecanismo de mensajes asíncronos en lugar de una pila de llamadas síncronas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas sus dimensiones, desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que proporciona una nueva forma paradigmática para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reestructuración: abstraer completamente las cuentas y los contratos en una VM independiente, liberando el máximo potencial de paralelismo a través de la programación de ejecución asíncrona. Teóricamente, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil controlar la complejidad, asemejándose más a un sistema operativo distribuido superado bajo la filosofía de Ethereum.

La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la cadena de bloques horizontalmente en múltiples subcadenas independientes, cada una responsable de parte de las transacciones y estados, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la escalabilidad a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, ampliando horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de escalabilidad de blockchain: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

Los proyectos de computación paralela como Monad y MegaETH se centran principalmente en la optimización de la capacidad de procesamiento, con el objetivo principal de mejorar 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 micromáquinas virtuales. Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y full-stack paralela, tiene un mecanismo de computación paralela central conocido como "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través de la colaboración entre la red principal y las redes de procesamiento especial (SPNs), soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm), e integra tecnologías avanzadas como pruebas de conocimiento cero (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

1. Procesamiento de línea de tiempo asíncrono de ciclo de vida completo: Pharos desacopla las diversas etapas de la transacción 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 dos máquinas virtuales: Pharos admite dos entornos de máquinas virtuales, 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 a través de la ejecución paralela.
3. Redes de procesamiento especial (SPNs): Las SPNs son componentes clave de la arquitectura Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar ciertos tipos de tareas o aplicaciones. A través de las 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. Mecanismo de consenso modular y re-staking: Pharos ha introducido un mecanismo de consenso flexible que soporta múltiples modelos de consenso, y a través de un protocolo de re-staking logra una compartición segura y una integración de recursos entre la red principal y los SPNs.

Además, Pharos ha reconstruido el modelo de ejecución desde la capa base del motor de almacenamiento mediante árboles de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial, direccionamiento por versiones y la técnica de hundimiento ADS, lanzando el motor de almacenamiento de alto rendimiento de blockchain nativo Pharos Store, logrando un alto rendimiento, baja latencia y una fuerte verificabilidad en la cadena.