Bản đồ toàn cảnh lĩnh vực tính toán song song Web3: Giải pháp mở rộng bản địa tốt nhất?

Tam giác "không thể" của blockchain "an toàn", "phi tập trung", "mở rộng" tiết lộ sự đánh đổi cốt lõi trong thiết kế hệ thống blockchain, tức là rất khó để một dự án blockchain cùng lúc đạt được "an toàn tuyệt đối, mọi người đều có thể tham gia, xử lý nhanh chóng". Đối với chủ đề vĩnh cửu "mở rộng", hiện tại các giải pháp mở rộng blockchain chính trên thị trường được phân loại theo các mô hình, bao gồm:

• Thực hiện mở rộng tăng cường: Nâng cao khả năng thực thi tại chỗ, chẳng hạn như song song, GPU, đa lõi
• Mở rộng cách ly trạng thái: Phân chia trạng thái theo chiều ngang / Shard, chẳng hạn như phân mảnh, UTXO, nhiều subnet
• Mở rộng kiểu thuê ngoài bên ngoài chuỗi: đưa việc thực thi ra bên ngoài chuỗi, chẳng hạn như Rollup, Coprocessor, DA
• Mở rộng kiểu tách cấu trúc: mô-đun kiến trúc, hoạt động hợp tác, chẳng hạn như chuỗi mô-đun, bộ sắp xếp chia sẻ, Rollup Mesh
• Mở rộng kiểu đồng thời bất đồng bộ: Mô hình Actor, cách ly tiến trình, điều khiển theo tin nhắn, chẳng hạn như tác nhân, chuỗi bất đồng bộ đa luồng

Các giải pháp mở rộng blockchain bao gồm: tính toán song song trong chuỗi, Rollup, phân đoạn, mô-đun DA, cấu trúc mô-đun, hệ thống Actor, nén chứng minh zk, kiến trúc Stateless, v.v., bao phủ nhiều cấp độ như thực hiện, trạng thái, dữ liệu, cấu trúc, là một hệ thống mở rộng hoàn chỉnh "hợp tác đa lớp, kết hợp mô-đun". Bài viết này sẽ tập trung giới thiệu phương thức mở rộng chủ yếu dựa trên tính toán song song.

Tính toán song song trong chuỗi, chú ý đến việc thực hiện song song các giao dịch/lệnh bên trong khối. Theo cơ chế song song, phương thức mở rộng có thể được chia thành năm loại lớn, mỗi loại đại diện cho những mục tiêu hiệu suất khác nhau, mô hình phát triển và triết lý kiến trúc, lần lượt độ phân giải song song càng tinh vi hơn, cường độ song song càng cao hơn, độ phức tạp của lập lịch cũng càng cao hơn, độ phức tạp lập trình và độ khó thực hiện cũng càng cao hơn.

• Song song cấp tài khoản (Account-level): Đại diện cho dự án Solana
• Song song theo đối tượng (Object-level): đại diện cho dự án Sui
• Song song cấp giao dịch (Transaction-level): Đại diện cho dự án Monad, Aptos
• Gọi cấp/ MicroVM song song (Call-level / MicroVM): đại diện cho dự án MegaETH
• Song song cấp chỉ thị (Instruction-level): Đại diện cho dự án GatlingX

Mô hình đồng thời bất đồng bộ ngoài chuỗi, với hệ thống thông minh Actor làm đại diện, chúng thuộc một kiểu tính toán song song khác, như một hệ thống tin nhắn xuyên chuỗi/bất đồng bộ, mỗi Agent hoạt động như một "tiến trình thông minh độc lập", theo cách thức đồng thời bất đồng bộ, sự kiện điều khiển, không cần lập lịch đồng bộ, các dự án đại diện có AO, ICP, Cartesi, v.v.

Các giải pháp mở rộng như Rollup hoặc sharding mà chúng ta đều quen thuộc thuộc về cơ chế đồng thời cấp hệ thống, không phải là tính toán song song trong chuỗi. Chúng thực hiện mở rộng thông qua "chạy song song nhiều chuỗi/miền thực thi" chứ không phải nâng cao độ song song bên trong một khối/virtual machine đơn lẻ. Các giải pháp mở rộng như vậy không phải là trọng tâm của bài viết này nhưng chúng tôi vẫn sẽ sử dụng chúng để so sánh sự tương đồng về khái niệm kiến trúc.

Hai, Chuỗi tăng cường song song EVM: Đột phá giới hạn hiệu suất trong khả năng tương thích

Kiến trúc xử lý tuần tự của Ethereum đã phát triển đến nay, trải qua nhiều vòng thử nghiệm mở rộng như phân mảnh, Rollup, kiến trúc mô-đun, nhưng vẫn chưa có bước đột phá cơ bản nào trong việc giải quyết nút thắt về thông lượng của tầng thực thi. Tuy nhiên, EVM và Solidity vẫn là nền tảng hợp đồng thông minh có cơ sở phát triển và tiềm năng sinh thái mạnh nhất hiện nay. Do đó, chuỗi tăng cường EVM song song, với mục tiêu vừa tương thích với hệ sinh thái vừa nâng cao hiệu suất thực thi, đang trở thành một hướng đi quan trọng trong cuộc cách mạng mở rộng lần này. Monad và MegaETH là hai dự án tiêu biểu nhất trong hướng đi này, lần lượt từ việc thực thi trễ và phân tách trạng thái, xây dựng kiến trúc xử lý tuần tự EVM hướng tới các tình huống có độ đồng thời cao và thông lượng lớn.

Phân tích cơ chế tính toán song song của Monad

Monad là một blockchain Layer1 hiệu suất cao được thiết kế lại cho máy ảo Ethereum, dựa trên khái niệm xử lý theo ống (Pipelining) cơ bản, thực hiện thực thi bất đồng bộ ở lớp đồng thuận (Asynchronous Execution) và thực thi đồng thời lạc quan (Optimistic Parallel Execution) ở lớp thực thi. Ngoài ra, ở lớp đồng thuận và lưu trữ, Monad lần lượt giới thiệu giao thức BFT hiệu suất cao (MonadBFT) và hệ thống cơ sở dữ liệu chuyên dụng (MonadDB), nhằm đạt được tối ưu hóa từ đầu đến cuối.

Pipelining: Cơ chế thực thi song song nhiều giai đoạn

Pipelining là ý tưởng cơ bản của việc thực thi song song Monad, với tư tưởng cốt lõi là chia nhỏ quy trình thực thi blockchain thành nhiều giai đoạn độc lập và xử lý các giai đoạn này song song, hình thành cấu trúc pipeline ba chiều. Các giai đoạn này hoạt động trên các luồng hoặc nhân độc lập, đạt được xử lý đồng thời xuyên khối, cuối cùng nâng cao thông lượng và giảm độ trễ. Các giai đoạn này bao gồm: đề xuất giao dịch (Propose), đạt được đồng thuận (Consensus), thực thi giao dịch (Execution) và cam kết khối (Commit).

Thực thi không đồng bộ: Đồng thuận - Thực thi tách rời không đồng bộ

Trong chuỗi truyền thống, sự đồng thuận và thực thi giao dịch thường là quy trình đồng bộ, mô hình tuần tự này đã hạn chế nghiêm trọng khả năng mở rộng hiệu suất. Monad đạt được sự đồng thuận bất đồng bộ ở lớp đồng thuận, thực thi bất đồng bộ ở lớp thực thi và lưu trữ bất đồng bộ thông qua "thực thi bất đồng bộ". Giảm đáng kể thời gian khối và độ trễ xác nhận, làm cho hệ thống trở nên linh hoạt hơn, quy trình xử lý được phân tách tốt hơn và tỷ lệ sử dụng tài nguyên cao hơn.

Thiết kế cốt lõi:

• Quá trình đồng thuận chỉ chịu trách nhiệm sắp xếp giao dịch, không thực hiện logic hợp đồng.
• Quá trình thực thi được kích hoạt bất đồng bộ sau khi hoàn thành sự đồng thuận.
• Ngay sau khi hoàn thành sự đồng thuận, vào quy trình đồng thuận khối tiếp theo mà không cần chờ hoàn tất thực thi.

Thực thi song song lạc quan: Optimistic Parallel Execution

Ethereum truyền thống sử dụng mô hình tuần tự nghiêm ngặt để thực hiện giao dịch, nhằm tránh xung đột trạng thái. Trong khi đó, Monad áp dụng chiến lược "thực thi song song lạc quan", giúp tăng tốc độ xử lý giao dịch một cách đáng kể.

Cơ chế thực hiện:

• Monad sẽ lạc quan thực thi song song tất cả các giao dịch, giả định rằng hầu hết các giao dịch không có xung đột trạng thái.
• Chạy một "trình phát hiện xung đột" để theo dõi xem các giao dịch có truy cập cùng một trạng thái hay không.
• Nếu phát hiện có xung đột, các giao dịch xung đột sẽ được tuần tự hóa và thực thi lại để đảm bảo tính chính xác của trạng thái.

Monad đã chọn con đường tương thích: thay đổi quy tắc EVM càng ít càng tốt, trong quá trình thực thi thông qua việc trì hoãn ghi trạng thái, phát hiện xung đột một cách linh hoạt để đạt được tính song song, giống như một phiên bản hiệu suất của Ethereum, độ trưởng thành cao dễ dàng thực hiện di chuyển hệ sinh thái EVM, là bộ tăng tốc song song cho thế giới EVM.

Phân tích cơ chế tính toán song song của MegaETH

Khác với định vị L1 của Monad, MegaETH được định vị là một lớp thực thi cao hiệu suất, mô-đun và tương thích với EVM, có thể hoạt động như một chuỗi công khai L1 độc lập hoặc như một lớp tăng cường thực thi trên Ethereum hoặc thành phần mô-đun. Mục tiêu thiết kế cốt lõi của nó là phân tách logic tài khoản, môi trường thực thi và trạng thái thành các đơn vị tối thiểu có thể lập lịch độc lập, nhằm đạt được khả năng thực thi song song cao trong chuỗi và khả năng phản hồi với độ trễ thấp. Đổi mới chính mà MegaETH đề xuất là: Kiến trúc Micro-VM + State Dependency DAG (đồ thị phụ thuộc trạng thái có hướng không vòng) và cơ chế đồng bộ mô-đun, cùng nhau xây dựng hệ thống thực thi song song hướng tới "chuỗi nội bộ đa luồng".

Kiến trúc Micro-VM (máy ảo vi mô): Tài khoản chính là luồng

MegaETH đã giới thiệu mô hình thực thi "mỗi tài khoản một máy ảo nhỏ" , biến môi trường thực thi thành "đa luồng", cung cấp đơn vị cách ly tối thiểu cho lập lịch song song. Các VM này giao tiếp với nhau qua tin nhắn bất đồng bộ, thay vì gọi đồng bộ, cho phép một lượng lớn VM thực thi độc lập, lưu trữ độc lập, tự nhiên song song.

State Dependency DAG: Cơ chế lập lịch dựa trên đồ thị phụ thuộc

MegaETH đã xây dựng một hệ thống lập lịch DAG dựa trên quan hệ truy cập trạng thái tài khoản, hệ thống duy trì một đồ thị phụ thuộc toàn cầu theo thời gian thực, mỗi giao dịch sẽ mô hình hóa các tài khoản bị sửa đổi và các tài khoản được đọc thành quan hệ phụ thuộc. Các giao dịch không xung đột có thể được thực thi song song trực tiếp, trong khi các giao dịch có quan hệ phụ thuộc sẽ được lập lịch theo thứ tự topo hoặc bị trì hoãn. Đồ thị phụ thuộc đảm bảo tính nhất quán trạng thái và ghi không trùng lặp trong quá trình thực thi song song.

Thực thi bất đồng bộ và cơ chế callback

B

Tóm lại, MegaETH đã phá vỡ mô hình máy trạng thái đơn luồng EVM truyền thống, thực hiện đóng gói vi máy ảo theo đơn vị tài khoản, thông qua đồ thị phụ thuộc trạng thái để lên lịch giao dịch, và thay thế ngăn xếp gọi đồng bộ bằng cơ chế thông điệp bất đồng bộ. Đây là một nền tảng tính toán song song được thiết kế lại toàn diện từ "cấu trúc tài khoản → kiến trúc lập lịch → quy trình thực thi", cung cấp một cách tiếp cận cấp độ mẫu cho việc xây dựng hệ thống chuỗi trên hiệu suất cao thế hệ tiếp theo.

MegaETH đã chọn một con đường tái cấu trúc: hoàn toàn trừu tượng hóa tài khoản và hợp đồng thành VM độc lập, thông qua việc lập lịch thực thi bất đồng bộ để giải phóng tiềm năng song song tối đa. Về lý thuyết, giới hạn song song của MegaETH cao hơn, nhưng cũng khó kiểm soát độ phức tạp hơn, giống như một hệ điều hành phân tán siêu theo triết lý của Ethereum.

Cả Monad và MegaETH đều có thiết kế ý tưởng khác biệt với phân đoạn (Sharding): Phân đoạn chia blockchain thành nhiều chuỗi con độc lập theo chiều ngang, mỗi chuỗi con chịu trách nhiệm cho một phần giao dịch và trạng thái, phá vỡ hạn chế của chuỗi đơn trong việc mở rộng ở cấp độ mạng; trong khi đó, Monad và MegaETH vẫn giữ nguyên tính toàn vẹn của chuỗi đơn, chỉ mở rộng theo chiều ngang ở tầng thực thi, tối ưu hóa sự thực hiện song song cực hạn bên trong chuỗi đơn để vượt qua hiệu suất. Cả hai đại diện cho hai hướng trong con đường mở rộng blockchain: tăng cường theo chiều dọc và mở rộng theo chiều ngang.

Các dự án tính toán song song như Monad và MegaETH chủ yếu tập trung vào tối ưu hóa thông lượng, với mục tiêu cốt lõi là nâng cao TPS trong chuỗi, thông qua việc thực hiện trì hoãn và kiến trúc vi máy ảo để đạt được xử lý song song ở cấp độ giao dịch hoặc tài khoản. Pharos Network, như một mạng blockchain L1 mô-đun và toàn diện, có cơ chế tính toán song song cốt lõi được gọi là "Rollup Mesh". Kiến trúc này hỗ trợ môi trường nhiều máy ảo (EVM và Wasm) thông qua sự hợp tác giữa mạng chính và mạng xử lý đặc biệt (SPNs), đồng thời tích hợp các công nghệ tiên tiến như chứng minh không kiến thức (ZK), môi trường thực thi đáng tin cậy (TEE).

Phân tích cơ chế tính toán song song Rollup Mesh:

1. Xử lý đường ống bất đồng bộ trong toàn bộ vòng đời: Pharos tách rời các giai đoạn của giao dịch và áp dụng phương thức xử lý bất đồng bộ, cho phép mỗi giai đoạn có thể thực hiện độc lập và song song, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý tổng thể.
2. Thực thi song song hai máy ảo: Pharos hỗ trợ hai môi trường máy ảo EVM và WASM, cho phép các nhà phát triển chọn môi trường thực thi phù hợp theo nhu cầu. Kiến trúc VM đôi này không chỉ nâng cao tính linh hoạt của hệ thống mà còn cải thiện khả năng xử lý giao dịch thông qua việc thực thi song song.
3. Mạng xử lý đặc biệt (SPNs): SPNs là thành phần chính trong kiến trúc Pharos, tương tự như các mạng con theo mô-đun, chuyên dùng để xử lý các loại nhiệm vụ hoặc ứng dụng cụ thể. Thông qua SPNs, Pharos có thể thực hiện việc phân bổ tài nguyên một cách linh hoạt và xử lý nhiệm vụ song song, từ đó tăng cường khả năng mở rộng và hiệu suất của hệ thống.
4. Cơ chế đồng thuận mô-đun và tái đặt cọc: Pharos đã giới thiệu một cơ chế đồng thuận linh hoạt, hỗ trợ nhiều mô hình đồng thuận và thông qua giao thức tái đặt cọc để thực hiện chia sẻ an toàn và tích hợp tài nguyên giữa mạng chính và SPNs.

Ngoài ra, Pharos đã tái cấu trúc mô hình thực thi từ lớp dưới của động cơ lưu trữ thông qua cây Merkle nhiều phiên bản, mã hóa chênh lệch, địa chỉ phiên bản và công nghệ hạ tầng ADS, giới thiệu động cơ lưu trữ hiệu suất cao blockchain gốc Pharos Store, đạt được thông lượng cao, độ trễ thấp và khả năng xác minh mạnh mẽ trên chuỗi.