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

I. Paralel Hesaplama: Blok Zinciri Ölçeklendirme için Yeni Bir Paradigm

Blockchain'ın "imkansız üçgeni" ( "güvenlik", "merkeziyetsizlik", "ölçeklenebilirlik" ), blockchain sistem tasarımındaki temel ticareti ortaya koymaktadır; yani blockchain projelerinin "üst düzey güvenlik, herkesin katılımı, yüksek hızlı işlem" gibi üç özelliği aynı anda gerçekleştirmesi zordur. "Ölçeklenebilirlik" konusundaki bu sonsuz tartışmaya yönelik, şu anda piyasada bulunan ana akım blockchain ölçeklendirme çözümleri şemalara göre sınıflandırılmaktadır, bunlar şunları içerir:

• Gelişmiş genişleme uygulaması: Yerinde yürütme kapasitesini artırmak, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli
• Durum İzolasyonu Tabanlı Ölçekleme: Yatay Bölme Durumu/Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynak kullanımı genişletme: yürütmeyi zincir dışına koymak, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı Ayrıştırıcı Ölçekleme: Mimari modüler, işbirliği içinde çalışıyor, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron Eşzamanlı Genişleme: Aktör Modeli, Süreç İzolasyonu, Mesaj Tabanlı, örneğin ajanlar, çok iş parçacıklı asenkron zincir

Blockchain ölçeklenebilirlik çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Actor sistemi, zk kanıt sıkıştırma, Stateless mimari vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birden fazla katmanı kapsamaktadır ve "çok katmanlı iş birliği, modül kombinasyonu" olan tam bir ölçeklenebilirlik sistemi sunmaktadır. Bu makalede, paralel hesaplamanın yaygın bir ölçeklenebilirlik yöntemi olarak ele alınması vurgulanmaktadır.

Zincir içi paralel hesaplama (intra-chain parallelism), blok içindeki işlemlerin/komutların paralel yürütülmesine odaklanmaktadır. Paralel mekanizmalara göre, ölçeklenme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her bir kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel granülasyon giderek daha ince, paralel yoğunluk giderek daha yüksek, zamanlama karmaşıklığı da giderek artmaktadır; programlama karmaşıklığı ve uygulama zorluğu da giderek artmaktadır.

• Hesap düzeyinde (Hesap düzeyinde ): Proje Solana'yı temsil ediyor.
• Nesne seviyesi (Object-level): Sui projesini temsil eder
• İşlem seviyesi ( Transaction-level ): Proje Monad, Aptos
• Çağrı seviyesinde / Mikro VM paralel ( Çağrı seviyesi / MikroVM ): MegaETH projesini temsil eder.
• Talimat düzeyi ( Instruction-level ): GatlingX projesini temsil eder.

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, ( Agent / Actor Model) ile temsil edilen Aktör akıllı varlık sistemidir, bunlar başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir, çapraz zincir/asenkron mesaj sistemi( blok zinciri senkronizasyon modelidir), her Agent bağımsız çalışan "akıllı varlık süreci" olarak, eşzamanlı asenkron mesaj, olay odaklı, senkronizasyon planlamasına gerek olmadan çalışır, temsilci projeler arasında AO, ICP, Cartesi vb. bulunmaktadır.

Ve bildiğimiz Rollup veya parçalama ölçeklendirme çözümleri, sistem düzeyinde eşzamanlılık mekanizmalarıdır ve zincir içi paralel hesaplama ile ilgili değildir. Bu çözümler, "birden fazla zinciri/işlem alanını paralel çalıştırarak" ölçeklendirme gerçekleştirir, tek bir blok/virtual makine içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür ölçeklendirme çözümleri, bu makalenin odak noktası değildir ancak yine de mimari konseptlerin karşılaştırılmasında kullanılacaktır.

İki, EVM Tabanlı Paralel Geliştirilmiş Zincir: Uyumda Performans Sınırlarını Aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi birçok ölçeklendirme denemesi geçirmiştir, ancak yürütme katmanındaki işlem hacmi darboğazı hala köklü bir kırılma yaşamamıştır. Bununla birlikte, EVM ve Solidity, şu anda en fazla geliştirici tabanına ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformları olmaya devam etmektedir. Bu nedenle, EVM tabanlı paralel artırma zinciri, ekosistem uyumluluğunu ve yürütme performansını artırmanın ana yolu olarak, yeni bir ölçeklendirme evriminin önemli bir yönü haline gelmektedir. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsili projeler olup, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırma üzerine odaklanarak, yüksek eşzamanlılık ve yüksek işlem hacmi senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisi inşa etmektedir.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad, Ethereum sanal makinesi (EVM) için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir. Temel paralel işleme ilkesi olan (Pipelining) temelinde, konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution) ve yürütme katmanında optimistik eşzamanlılık (Optimistic Parallel Execution) gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) tanıtmaktadır, uçtan uca optimizasyonu sağlamaktadır.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir ve temel düşüncesi, blok zincirinin yürütme sürecini bağımsız aşamalara ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işleyerek üç boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama bağımsız iş parçacıkları veya çekirdekler üzerinde çalışır, bloklar arası eşzamanlı işleme ulaşarak nihayetinde verimliliği artırmak ve gecikmeyi azaltmak için tasarlanmıştır. Bu aşamalar şunları içerir: işlem önerisi (Propose), konsensüs sağlama (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok gönderme (Commit).

Asenkron İcra: Konsensüs - İcra Asenkron Ayrıştırma

Geleneksel blok zincirinde, işlem konsensüsü ve yürütme genellikle senkronize bir süreçtir, bu seri model performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile konsensüs katmanını asenkron, yürütme katmanını asenkron ve depolama asenkron hale getirmiştir. Blok süresini ( blok süresi ) ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak, sistemi daha esnek hale getirir, işlem süreçlerini daha ayrıntılı hale getirir ve kaynak verimliliğini artırır.

Kilit Tasarım:

• Konsensüs süreci ( konsensüs katmanı ) sadece işlemleri sıralamakla sorumludur, sözleşme mantığını yürütmez.
• İcra süreci ( icra katmanı ) konsensüs tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan sonra hemen bir sonraki blok konsensüs sürecine geçilir, yürütmenin tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel İcra:乐观并行执行

Geleneksel Ethereum, durum çakışmalarını önlemek için işlemleri katı bir seri modelde yürütmektedir. Ancak Monad, işlem işleme hızını önemli ölçüde artıran "iyimser paralel yürütme" stratejisini benimsemektedir.

Uygulama Mekanizması:

• Monad, çoğu işlem arasında durum çatışması olmadığını varsayarak tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak gerçekleştirecektir.
• Aynı anda bir "çakışma dedektörü (Conflict Detector)" çalıştırarak işlemler arasında aynı duruma erişilip erişilmediğini ( kontrol edin, örneğin okuma/yazma çakışmaları ).
• Bir çakışma tespit edilirse, çakışan işlemler seri hale getirilerek yeniden işlenir, durumun doğruluğu sağlanır.

Monad uyumlu bir yol seçti: EVM kurallarını mümkün olduğunca az değiştirmek, yürütme sürecinde durumu geciktirerek yazmak ve çakışmaları dinamik olarak tespit etmek suretiyle paralellik sağlamak, daha çok performans odaklı bir Ethereum gibi, olgunluğu sayesinde EVM ekosistemine geçişi kolaylaştırıyor, 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 halka zinciri olarak hem de Ethereum üzerinde yürütme güçlendirme katmanı(Execution Layer) veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu bağımsız olarak zamanlanabilen en küçük birimlere ayırarak zincir içi yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneğini sağlamaktır. MegaETH'nin sunduğu ana yenilik, "Micro-VM mimarisi + Durum Bağımlılığı DAG(yönlendirilmiş döngüsel olmayan durum bağımlılığı grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır; birlikte "zincir içi çoklu iş parçacığı" paralel yürütme sistemini inşa etmektedir.

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

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine ( Micro-VM )" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçacığına ayırır" ve paralel zamanlama için en küçük izolasyon birimini sağlar. Bu VM'ler arasında asenkron mesaj iletişimi ( Asynchronous Messaging ) ile, senkron çağrılar yerine, çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir, bağımsız depolama yapabilir ve doğal olarak paralel çalışır.

Durum Bağımlılığı DAG: Bağımlılık grafiğine dayalı planlama mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkilerine dayalı bir DAG zamanlayıcı sistemi inşa etti. Sistem, ( Bağımlılık Grafiği ) ile birlikte, gerçek zamanlı olarak küresel bir bağımlılık grafiğini sürdürür; her işlem hangi hesapları değiştirdiğini, hangi hesapları okuduğunu tamamen bağımlılık ilişkileri olarak modellemektedir. Çatışmasız işlemler doğrudan paralel olarak yürütülebilirken, bağımlılık ilişkisi olan işlemler topolojik sıraya göre seri veya ertelenmiş olarak zamanlama sırasına alınacaktır. Bağımlılık grafiği, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrarsız yazmayı garanti eder.

Asenkron yürütme ve geri çağırma mekanizması

B

Özetle, MegaETH geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesap bazında mikro sanal makine paketlemesi gerçekleştirmekte, durum bağımlılık grafiği aracılığıyla işlem zamanlaması yapmakta ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizması kullanmaktadır. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme süreci" tam boyutlu yeniden tasarımıyla paralel hesaplama platformu sunarak, bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemlerin inşası için paradigmaya dayanan yeni bir fikir sağlamaktadır.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM olarak tamamen soyutlamak için yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşırı paralel potansiyeli serbest bırakmak için asenkron yürütme zamanlaması kullanıyor. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel sınırı daha yüksek, ancak karmaşıklığı kontrol etmek de daha zor, daha çok Ethereum felsefesi altında süper dağıtık bir işletim sistemi gibi.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, parçalama ( Sharding ) ile büyük ölçüde farklılık göstermektedir: parçalama, blok zincirini yatay olarak birden fazla bağımsız alt zincire ( parçalar Shards ) ayırır, her bir alt zincir bazı işlemler ve durumlar ile sorumlu olup, tek zincir sınırlamalarını ağ katmanında genişletir; oysa Monad ve MegaETH, tek zincir bütünlüğünü koruyarak sadece yürütme katmanında yatay genişleme sağlar ve tek zincir içinde maksimum paralel yürütme optimizasyonu ile performans engellerini aşar. İkisi de blok zinciri genişletme yollarındaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içi TPS'yi artırma amacıyla, geçiş optimizasyon yollarına odaklanmaktadır. (Geçikmiş İcra) ve (Mikro-VM) mimarisi aracılığıyla işlem düzeyi veya hesap düzeyinde paralel işleme gerçekleştirir. Pharos Network, modüler ve tam yığın bir L1 blok zincir ağıdır ve temel paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağın özel işleme ağları (SPNs) ile iş birliği yaparak, çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) destekler ve sıfır bilgi kanıtları (ZK), güvenilir yürütme ortamları (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre eder.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Boru Hattı İşleme (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining ): Pharos, işlemin çeşitli aşamalarını ( консensüs, yürütme, depolama ) ayrıştırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel bir şekilde gerçekleşmesini sağlar, böylece genel işleme verimliliğini artırır.
2. İkili Sanal Makine Paralel Çalıştırma (Dual VM Parallel Execution): Pharos, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun yürütme ortamını seçmelerine olanak tanıyan EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler. Bu ikili VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda paralel yürütme ile işlem işleme kapasitesini de yükseltir.
3. Özel İşlem Ağı (SPNs): SPNs, Pharos mimarisinin ana bileşenleridir, belirli türdeki görevler veya uygulamalar için tasarlanmış modüler alt ağlar gibidir. SPNs aracılığıyla, Pharos kaynakların dinamik olarak dağıtılmasını ve görevlerin paralel olarak işlenmesini sağlayabilir, bu da sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Stake Etme Mekanizması (Modular Consensus & Restaking ): Pharos, esnek bir şekilde tanıttı.