Web3 Paralel Hesaplama Alanının Panorama Haritası: Yerel Ölçeklenmenin En İyi Çözümü mü?

Blok zincirinin "imkansız üçgeni" "güvenlik", "merkeziyetsizlik", "ölçeklenebilirlik" blok zinciri sistem tasarımındaki temel dengeyi ortaya koymaktadır; yani blok zincir projeleri, "maksimum güvenlik, herkesin katılabileceği, hızlı işlem" hedeflerini aynı anda gerçekleştirmekte zorluk çekmektedir. "Ölçeklenebilirlik" konusuna yönelik olarak, şu anda piyasada bulunan ana akım blok zincir genişletme çözümleri, paradigmalarına göre ayrılmaktadır, bunlar arasında:

• Gelişmiş ölçeklendirme uygulaması: Yerinde yürütme yeteneklerini artırma, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli.
• Durum izolasyonlu ölçeklendirme: Yatay parçalama durumu / Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynaklı ölçekleme: İşlemi zincir dışına taşımak, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı Ayrıştırma Tabanlı Ölçekleme: Mimari modüler, işbirliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron Eşzamanlı Genişleme: Aktör modeli, işlem izolasyonu, mesajla yönlendirme, örneğin akıllı ajanlar, çoklu iş parçacığı asenkron zinciri

Blok zinciri ölçeklendirme çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Aktör sistemi, zk kanıtı sıkıştırma, Durumsuz mimari vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birçok katmanı kapsar ve "çok katmanlı iş birliği, modüler kombinasyon" tam ölçeklendirme sistemi oluşturur. Bu makalede, ana akım ölçeklendirme yöntemi olarak paralel hesaplama üzerinde durulmaktadır.

Zincir içi paralel hesaplama, blok içindeki işlemlerin/komutların paralel yürütülmesine odaklanır. Paralel mekanizmalara göre sınıflandırıldığında, ölçeklenme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel parçacık boyutu giderek daha ince hale gelir, paralel güç giderek artar, zamanlama karmaşıklığı da artar, programlama karmaşıklığı ve gerçekleştirme zorluğu da giderek daha fazla artar.

• Hesap seviyesinde paralel (Account-level): Solana projesini temsil eder.
• Nesne düzeyinde paralellik (Object-level): Sui projesini temsil eder.
• İşlem düzeyi paralel (Transaction-level): Proje Monad, Aptos
• Çağrı Seviyesi / Mikro VM Paralel (Call-level / MicroVM): MegaETH projesini temsil eder
• Talimat seviyesi paralellik (Instruction-level): GatlingX projesini temsil eder

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, Aktör akıllı varlık sistemini temsil eder. Bunlar, başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir ve çapraz zincir/asenkron mesaj sistemleri olarak her bir Ajan, bağımsız olarak çalışan "akıllı varlık süreçleri" olarak, eşzamanlı bir şekilde asenkron mesaj, olay odaklı, senkronizasyon zamanlamasına ihtiyaç duymadan çalışır. Temsilci projeler arasında AO, ICP, Cartesi vb. bulunmaktadır.

Ve hepimizin aşina olduğu Rollup veya shard genişletme çözümleri, sistem düzeyinde eşzamanlılık mekanizmalarıdır ve zincir içi paralel hesaplama ile ilgili değildir. Genişlemeyi, "birden fazla zincir/uygulama alanının paralel çalıştırılması" ile gerçekleştirirler, tek bir blok/ sanal makine içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür genişleme çözümleri, bu makalenin odak noktası değildir, ancak yine de mimari kavramların benzerlik ve farklılıklarını karşılaştırmak için kullanılacaktır.

İki, EVM Sistemi Paralel Gelişmiş Zincir: Uyumda Performans Sınırlarını Aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi bugüne kadar, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi birçok genişleme denemesi geçirdi, ancak yürütme katmanındaki verimlilik darboğazı hala köklü bir aşamaya ulaşamadı. Ancak bu sırada, EVM ve Solidity, hala mevcut en güçlü geliştirici tabanına ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, EVM tabanlı paralel güçlendirilmiş zincir, ekosistem uyumluluğu ve yürütme performansını artırma açısından önemli bir yol olarak ortaya çıkıyor ve yeni bir genişleme evriminin önemli bir yönü haline geliyor. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsilci projeler olarak, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırmasından hareketle, yüksek eşzamanlılık ve yüksek verimlilik senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisini inşa etmektedir.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad, Ethereum sanal makinesi için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir. Temel paralel işleme (Pipelining) ilkesine dayanarak, konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution) ve yürütme katmanında iyimser eşzamanlılık (Optimistic Parallel Execution) sağlar. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanlarında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) getirerek uçtan uca optimizasyon sağlar.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad paralel yürütmenin temel ilkesidir ve temel düşüncesi, blok zincirinin yürütme sürecini birden fazla bağımsız aşamaya ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işlemek, üç boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama bağımsız iş parçacıklarında veya çekirdeklerde çalışır, bloklar arası eşzamanlı işleme imkanı sağlar ve nihayetinde çıkış kapasitesini artırma ve gecikmeyi azaltma hedeflenir. Bu aşamalar arasında: işlem önerisi (Propose), uzlaşma sağlama (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok onayı (Commit) bulunmaktadır.

Asenkron Çalışma: Konsensüs - Çalışmayı Asenkron Olarak Ayırma

Geleneksel blok zincirinde, işlem uzlaşması ve yürütme genellikle senkron bir süreçtir; bu seri model, performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile uzlaşma katmanını asenkron, yürütme katmanını asenkron ve depolamayı asenkron hale getirir. Blok süresini ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak sistemi daha esnek hale getirir, işlem süreçlerini daha ayrıntılı hale getirir ve kaynak kullanım verimliliğini artırır.

Kilit Tasarım:

• Konsensüs süreci sadece işlemleri sıralamakla sorumludur, sözleşme mantığını yürütmez.
• Uygulama süreci, uzlaşma tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan hemen sonra bir sonraki blok konsensüs sürecine girilir, tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel Yürütme: Optimistik Paralel İcra

Geleneksel Ethereum, durum çatışmalarını önlemek için işlem yürütümünde katı bir seri model kullanırken, Monad "iyimser paralel yürütme" stratejisi benimseyerek işlem işleme hızını önemli ölçüde artırır.

Uygulama mekanizması:

• Monad, çoğu işlemin arasında durum çatışması olmadığını varsayarak tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak yürütür.
• İşlemler arasında aynı durumu erişip erişmediğini izlemek için bir "çakışma tespit cihazı" çalıştırın.
• Çatışma tespit edilirse, çatışma işlemleri sıralı olarak yeniden yürütülerek durumun doğruluğu sağlanır.

Monad, EVM kurallarını mümkün olduğunca az değiştiren uyumlu bir yol seçti: yürütme sürecinde durumu yazmayı erteleyerek ve çakışmaları dinamik olarak tespit ederek paralelliği sağlıyor, bu da onu performans odaklı bir Ethereum'a daha çok benzetiyor. Olgunluğu, EVM ekosistemine geçişi kolaylaştırır ve EVM dünyasının paralel hızlandırıcısıdır.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizmasının analizi

Monad'tan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmıştır. Hem bağımsız bir L1 kamu zinciri olarak, hem de Ethereum üzerinde bir yürütme artırma katmanı veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu, bağımsız olarak planlanabilen en küçük birimlere ayırarak zincir içindeki yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneğini gerçekleştirmektir. MegaETH'in önerdiği ana yenilik, "Micro-VM mimarisi + State Dependency DAG (yönlendirilmiş döngüsel durum bağımlılık grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizması" ile "zincir içi iş parçacıklaştırma" odaklı paralel yürütme sistemini oluşturmaktır.

Micro-VM (mikro sanal makine) mimarisi: hesap bir iş parçacığıdır

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçalara ayırır" ve paralel zamanlama için en küçük izolasyon birimini sağlar. Bu sanal makineler, senkron çağrılar yerine asenkron mesajlaşma ile iletişim kurar ve çok sayıda sanal makine bağımsız olarak çalışabilir ve bağımsız olarak depolanabilir, doğal olarak paraleldir.

Eyalet Bağımlılığı DAG: Bağımlılık Grafiği Tabanlı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkisine dayalı bir DAG planlama sistemi kurmuştur. Sistem, her zaman küresel bir bağımlılık grafiğini gerçek zamanlı olarak korur; her işlem hangi hesapları değiştirdiğini ve hangi hesapları okuduğunu tamamen bağımlılık ilişkisi olarak modellemektedir. Çatışmasız işlemler doğrudan paralel olarak yürütülebilirken, bağımlılık ilişkisi olan işlemler topolojik sıralamaya göre sırayla veya ertelenerek planlanır ve sıralanır. Bağımlılık grafiği, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrar yazmama garantisini sağlar.

Asenkron Çalışma ve Geri Çağırma Mekanizması

B

Sonuç olarak, MegaETH geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesaplar bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştirmekte, durum bağımlılığı grafiği aracılığıyla işlem zamanlaması yapmakta ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizması kullanmaktadır. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme süreci" tam boyutlu yeniden tasarlanmış bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemlerin inşası için paradigma düzeyinde yeni bir fikir sunmaktadır.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM olarak tamamen soyutlamak için yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşırı paralel potansiyeli serbest bırakmak için asenkron yürütme planlaması kullanıyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel sınırı daha yüksektir, ancak karmaşıklığı kontrol etmek daha zordur, bu da onu Ethereum felsefesi altında süper dağıtık bir işletim sistemi haline getirir.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, parçalama (Sharding) ile oldukça farklıdır: Parçalama, blok zincirini yatay olarak birden fazla bağımsız alt zincire böler; her alt zincir belirli işlemler ve durumlar ile ilgilenir, tek zincir kısıtlamasını ağ katmanında genişletir. Oysa Monad ve MegaETH, tek zincirin bütünlüğünü koruyarak yalnızca yürütme katmanında yatay genişleme sağlar ve tek zincir içinde aşırı paralel yürütme optimizasyonları ile performansı artırır. Her iki yaklaşım, blok zinciri genişletme yollarında dikey güçlendirme ile yatay genişleme arasında iki farklı yönü temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içi TPS'yi artırmak için ana hedef olarak throughput optimizasyonu yoluna odaklanmaktadır. İşlem düzeyinde veya hesap düzeyinde paralel işleme ulaşmak için gecikmeli yürütme ve mikro sanal makine mimarisi kullanmaktadır. Pharos Network ise modüler, tam yığın paralel bir L1 blok zinciri ağı olarak, çekirdek paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağ ile özel işlem ağlarının (SPN'ler) iş birliği sayesinde çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) desteklemekte ve sıfır bilgi kanıtı (ZK), güvenilir yürütme ortamı (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre etmektedir.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tüm yaşam döngüsü asenkron akış hattı işleme: Pharos, işlemin her aşamasını birbirinden ayırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel olarak gerçekleştirilmesini sağlar, böylece genel işleme verimliliğini artırır.
2. Çift sanal makine paralel yürütme: Pharos, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun yürütme ortamını seçmelerine olanak tanıyan EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler. Bu çift VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmanın yanı sıra, paralel yürütme ile işlem işleme yeteneğini de geliştirmiştir.
3. Özel İşlem Ağları (SPN'ler): SPN'ler, belirli türdeki görev veya uygulamaları işlemek için özel olarak tasarlanmış, modüler alt ağlara benzer şekilde Pharos mimarisinin temel bileşenleridir. SPN'ler aracılığıyla Pharos, kaynakların dinamik olarak dağıtılmasını ve görevlerin paralel olarak işlenmesini sağlar, bu da sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Teminat Mekanizması: Pharos, çeşitli konsensüs modellerini destekleyen esnek bir konsensüs mekanizması tanıtmaktadır ve yeniden teminat protokolü aracılığıyla ana ağ ile SPN'ler arasında güvenli paylaşım ve kaynak entegrasyonu sağlamaktadır.

Ayrıca, Pharos, çoklu versiyon Merkle ağaçları, diferansiyel kodlama, versiyon adresleme ve ADS derinlemesine teknoloji aracılığıyla, depolama motorunun alt katmanlarından yürütme modelini yeniden yapılandırarak, yüksek verim, düşük gecikme ve güçlü doğrulanabilirlik sunan yerel blok zinciri yüksek performanslı depolama motoru Pharos Store'u tanıttı.