Панорама паралельних обчислень Web3: Найкраще рішення для рідного масштабування?
"Неможливий трикутник" блокчейну (Blockchain Trilemma) "безпека", "децентралізація", "масштабованість" вказує на суттєві компроміси в дизайні блокчейн-систем, а саме на те, що блокчейн-проєкти важко досягти одночасно "максимальної безпеки, доступності для всіх, високої швидкості обробки". Щодо "масштабованості" цієї вічної теми, на сьогоднішній день основні рішення для розширення блокчейну на ринку розділені за парадигмами, включаючи:
Виконання розширеної масштабованості: підвищення виконавчих можливостей на місці, наприклад, паралелізм, GPU, багатоядерність
Ізоляція стану для розширення: горизонтальне розділення стану / Shard, наприклад, шардінг, UTXO, багато підмереж
Оффчейн аутсорсингова масштабованість: виконання відбувається поза ланцюгом, наприклад, Rollup, Coprocessor, DA
Розширення з декомпозованою структурою: модульна архітектура, спільна робота, наприклад, модульний ланцюг, загальний сортувальник, Rollup Mesh
Асинхронне масштабування з паралельною обробкою: модель актора, ізоляція процесів, керування повідомленнями, наприклад, агенти, багатопотокове асинхронне з'єднання
Рішення для розширення блокчейну включають: паралельні обчислення в межах ланцюга, Rollup, шардінг, DA модулі, модульну структуру, систему Actor, стиснення zk-доказів, безстанну архітектуру тощо, які охоплюють кілька рівнів виконання, стану, даних, структури, являючи собою "багаторівневу координацію та модульне поєднання" повну систему розширення. У цій статті основна увага приділяється розширенню, яке базується на паралельних обчисленнях.
Внутрішня паралельна обробка (intra-chain parallelism), фокусуючи увагу на паралельному виконанні транзакцій / інструкцій всередині блокчейну. За механізмом паралелізму його способи масштабування можна поділити на п'ять основних категорій, кожна з яких представляє різні цілі продуктивності, моделі розробки та архітектурну філософію, паралельна гранулярність поступово зменшується, паралельна інтенсивність зростає, складність планування також зростає, а складність програмування та труднощі реалізації також зростають.
Паралельність на рівні рахунку (Account-level): представляє проект Solana
Об'єктний рівень паралелізму (Object-level): представляє проєкт Sui
Паралель на рівні транзакцій (Transaction-level): представляє проект Monad, Aptos
Виклик рівня / Мікро VM паралельно (Call-level / MicroVM): представляє проект MegaETH
Інструкційний рівень паралелізму (Instruction-level): представляє проект GatlingX
Зовнішня асинхронна паралельна модель, представлена системою агентів (Agent / Actor Model), яка належить до іншої парадигми паралельних обчислень, як міжланцюгова / асинхронна система обміну повідомленнями (не блокчейн-синхронна модель), кожен агент є незалежним "процесом інтелектуального агента", паралельний спосіб асинхронних повідомлень, подій, що керуються, без необхідності синхронізації графіків. Представлені проекти: AO, ICP, Cartesi тощо.
А ті рішення для масштабування, такі як Rollup або шардінг, які ми добре знаємо, відносяться до механізмів системної паралельності і не є паралельними обчисленнями на рівні блокчейну. Вони досягають масштабування шляхом "паралельного виконання кількох ланцюгів / доменів виконання", а не підвищення паралельності всередині одного блоку / віртуальної машини. Ці рішення для масштабування не є основною темою цієї статті, але ми все ж використовуватимемо їх для порівняння архітектурних концепцій.
Два, EVM-сумісна паралельна посилена ланцюг: прорив меж продуктивності в сумісності
Архітектура послідовної обробки Ethereum розвивалася до сьогодні, пройшовши багато етапів розширення, таких як шардінг, Rollup, модульна архітектура, але вузьке місце пропускної спроможності виконавчого рівня все ще не було подолано. Проте, EVM і Solidity залишаються найбільш перспективними платформами для смарт-контрактів з точки зору бази розробників та екосистеми. Тому паралельні посилення EVM-ланцюгів, які враховують екосистемну сумісність та підвищення продуктивності виконання, стають важливим напрямком для нового етапу розширення. Monad і MegaETH є найбільш представницькими проєктами в цьому напрямку, які, починаючи з затримки виконання та розділення стану, створюють архітектуру паралельної обробки EVM, орієнтуючись на сценарії з високою конкуренцією та високою пропускною спроможністю.
Аналіз механізму паралельних обчислень Monad
Monad є високопродуктивним блокчейном Layer1, переосмисленим для віртуальної машини Ethereum (EVM), заснованим на основній паралельній концепції конвеєрної обробки (Pipelining), що забезпечує асинхронне виконання на рівні консенсусу (Asynchronous Execution) та оптимістичну паралельну обробку (Optimistic Parallel Execution) на рівні виконання. Крім того, на рівнях консенсусу та зберігання Monad відповідно впроваджує високопродуктивний BFT протокол (MonadBFT) та спеціалізовану систему бази даних (MonadDB), що реалізує оптимізацію з кінця в кінець.
Пайплайнинг: механізм паралельного виконання з багатоступеневим конвеєром
Pipelining є основною концепцією паралельного виконання Monad, її основна ідея полягає в розділенні процесу виконання блокчейну на кілька незалежних етапів та паралельній обробці цих етапів, що формує тривимірну архітектуру конвеєра. Кожен етап працює в незалежних потоках або ядрах, що забезпечує паралельну обробку через блоки, зрештою досягаючи підвищення пропускної здатності та зменшення затримок. Ці етапи включають: пропозицію транзакції (Propose), досягнення консенсусу (Consensus), виконання транзакції (Execution) та подання блоку (Commit).
Асинхронне виконання: консенсус - асинхронне декомпонування виконання
У традиційних блокчейнах консенсус і виконання транзакцій зазвичай є синхронними процесами, що серйозно обмежує можливості масштабування. Monad реалізував асинхронний консенсус, асинхронне виконання та асинхронне зберігання завдяки "асинхронному виконанню". Це суттєво зменшує час блоку (block time) і затримку підтвердження, роблячи систему більш стійкою, процеси більш деталізованими та використання ресурсів ефективнішим.
Основний дизайн:
Процес консенсусу (шар консенсусу) відповідає лише за впорядкування транзакцій, не виконуючи логіку контрактів.
Процес виконання (виконавчий рівень) асинхронно ініціюється після завершення консенсусу.
Після завершення консенсусу негайно переходьте до процесу консенсусу наступного блоку, не чекаючи завершення виконання.
Оптимістичне паралельне виконання：乐观并行执行
Традиційний Ethereum використовує строгий послідовний модель для виконання транзакцій, щоб уникнути конфліктів стану. У той час як Monad застосовує стратегію "оптимістичного паралельного виконання", що значно підвищує швидкість обробки транзакцій.
Механізм виконання:
Monad оптимістично виконуватиме всі транзакції в паралельному режимі, припускаючи, що більшість транзакцій не мають конфліктів стану.
Одночасно працює "Детектор конфліктів (Conflict Detector))" для моніторингу того, чи торгівлі отримують доступ до одного й того ж стану (як-от конфлікти читання/запису).
Якщо виявлено конфлікт, транзакції конфлікту будуть серіалізовані та повторно виконані, щоб забезпечити коректність стану.
Monad обрав сумісний шлях: намагатися якомога менше змінювати правила EVM, реалізувати паралельність шляхом відкладання запису стану та динамічного виявлення конфліктів під час виконання, більше нагадує версію Ethereum з підвищеною продуктивністю, зрілість якої дозволяє легко реалізувати міграцію екосистеми EVM, є паралельним прискорювачем світу EVM.
Аналіз механізму паралельних обчислень MegaETH
На відміну від позиціювання Monad, MegaETH позиціюється як модульний високопродуктивний паралельний виконавчий рівень, сумісний з EVM, який може бути як незалежним публічним ланцюгом L1, так і підсилювальним виконавчим рівнем (Execution Layer) на Ethereum або модульним компонентом. Його основна проектна мета полягає в тому, щоб ізолювати та деконструювати логіку облікових записів, середовище виконання та стан у мінімальні одиниці, які можна незалежно планувати, щоб досягти високої пропускної здатності виконання та низької затримки відповідей у межах ланцюга. Ключова інновація MegaETH полягає в: архітектурі Micro-VM + DAG залежностей стану (орієнтований ациклічний граф залежності стану) та модульному механізмі синхронізації, які разом формують паралельну виконавчу систему, орієнтовану на "потокове виконання в ланцюгу".
Micro-VM (мікровіртуальна машина) архітектура: рахунок — це потік
MegaETH впроваджує модель виконання "мікровіртуальної машини (Micro-VM) для кожного облікового запису", яка "потоковує" виконуване середовище, забезпечуючи мінімальну одиницю ізоляції для паралельного планування. Ці VM спілкуються між собою через асинхронне повідомлення (Asynchronous Messaging), а не синхронні виклики, що дозволяє великій кількості VM незалежно виконуватися та зберігатися, що природно призводить до паралелізму.
Залежність DAG: механізм планування на основі графа залежностей
MegaETH побудував систему планування на основі DAG, засновану на відносинах доступу до стану облікових записів. Система в режимі реального часу підтримує глобальний граф залежностей (Dependency Graph), де кожна транзакція модифікує певні облікові записи та зчитує з інших облікових записів, все моделюється як залежності. Транзакції без конфліктів можуть виконуватися паралельно, тоді як транзакції з залежностями будуть послідовно або з затримкою плануватися відповідно до топологічного порядку. Граф залежностей забезпечує консистентність стану та уникнення повторних записів під час процесу паралельного виконання.
Асинхронне виконання та механізм зворотного виклику
MegaETH побудований на основі парадигми асинхронного програмування, аналогічно асинхронному обміну повідомленнями моделі актора, яка вирішує проблему традиційних послідовних викликів EVM. Виклики контрактів є асинхронними (нерекурсивним виконанням), і при виклику контракту A -> B -> C кожен виклик є асинхронним без блокування очікування; Стек викликів розгортається в асинхронний графік дзвінків; Обробка транзакцій = обхід асинхронного графіка + дозвіл залежностей + паралельне планування.
Отже, MegaETH руйнує традиційну модель однониткового станового машини EVM, реалізуючи мікровіртуальну машину в упаковці на основі облікових записів, здійснюючи розподіл транзакцій через граф залежностей стану та замінюючи синхронний стек викликів асинхронним механізмом повідомлень. Це паралельна обчислювальна платформа, яка була перепроектована в усіх вимірах з "структури облікових записів → архітектури розподілу → процесу виконання", що пропонує новий парадигмальний підхід до побудови системи наступного покоління з високою продуктивністю на основі блокчейн.
MegaETH обрала шлях реконструкції: повністю абстрагувати рахунки та контракти в незалежну VM, через асинхронне виконання розподілу, щоб звільнити максимальний паралельний потенціал. В теорії, паралельний ліміт MegaETH вищий, але також складніше контролювати складність, більше схоже на супер дистрибутивну операційну систему в рамках концепції Ethereum.
Monad та MegaETH мають значні відмінності в концепції дизайну порівняно з шардінгом: шардінг розбиває блокчейн на кілька незалежних підланок (шарди), кожна з яких відповідає за частину транзакцій та стану, порушуючи обмеження одноланковості для розширення на мережевому рівні; в той час як Monad та MegaETH зберігають цілісність одноланковості, лише горизонтально розширюючись на рівні виконання, оптимізуючи паралельне виконання всередині одноланки для подолання обмежень продуктивності. Обидва представляють два напрямки в розширенні блокчейну: вертикальне посилення та горизонтальне розширення.
Проекти паралельних обчислень, такі як Monad і MegaETH, в основному зосереджені на оптимізації пропускної здатності, з метою підвищення TPS в ланцюгу як основної мети, реалізуючи паралельну обробку на рівні транзакцій або облікових записів через відкладене виконання (Deferred Execution) та архітектуру мікровіртуальних машин (Micro-VM). Pharos Network, як модульна, повноцінна паралельна L1 блокчейн-мережа, має основний механізм паралельних обчислень, відомий як "Rollup Mesh". Ця архітектура підтримує співпрацю між основною мережею та спеціалізованими обробними мережами (SPNs), підтримуючи середовище з декількома віртуальними машинами (EVM та Wasm) і інтегруючи такі передові технології, як нульові знання (ZK) та середовище довіреного виконання (TEE).
Аналіз механізму паралельних обчислень Rollup Mesh:
Повний життєвий цикл асинхронної обробки конвеєра (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos розділяє різні етапи транзакції (такі як консенсус, виконання, зберігання) та використовує асинхронний спосіб обробки, що дозволяє кожному етапу незалежно та паралельно виконуватись, тим самим підвищуючи загальну ефективність обробки.
Паралельне виконання двох віртуальних машин (Dual VM Parallel Execution): Pharos підтримує два віртуальні середовища EVM та WASM, що дозволяє розробникам обирати відповідне середовище виконання відповідно до потреб. Ця архітектура з двома віртуальними машинами не лише підвищує гнучкість системи, але й покращує здатність обробки транзакцій завдяки паралельному виконанню.
Спеціалізовані мережі (SPNs): SPNs є ключовими компонентами архітектури Pharos, подібно до модульних підмереж, спеціально призначених для обробки певних типів завдань або додатків. Завдяки SPNs Pharos може реалізувати динамічний розподіл ресурсів та паралельну обробку завдань, що подальше підвищує масштабованість і продуктивність системи.
Модульний консенсус та механізм повторного стейкінгу (Modular Consensus & Restaking): Pharos впроваджує гнучкий механізм консенсусу, що підтримує різні моделі консенсусу (такі як PBFT, PoS, PoA), та реалізує основну мережу з SPN через протокол повторного стейкінгу (Restaking).
Переглянути оригінал
Ця сторінка може містити контент третіх осіб, який надається виключно в інформаційних цілях (не в якості запевнень/гарантій) і не повинен розглядатися як схвалення його поглядів компанією Gate, а також як фінансова або професійна консультація. Див. Застереження для отримання детальної інформації.
Web3 паралельні обчислення: хто стане найкращим рішенням для рідної масштабованості
Панорама паралельних обчислень Web3: Найкраще рішення для рідного масштабування?
"Неможливий трикутник" блокчейну (Blockchain Trilemma) "безпека", "децентралізація", "масштабованість" вказує на суттєві компроміси в дизайні блокчейн-систем, а саме на те, що блокчейн-проєкти важко досягти одночасно "максимальної безпеки, доступності для всіх, високої швидкості обробки". Щодо "масштабованості" цієї вічної теми, на сьогоднішній день основні рішення для розширення блокчейну на ринку розділені за парадигмами, включаючи:
Рішення для розширення блокчейну включають: паралельні обчислення в межах ланцюга, Rollup, шардінг, DA модулі, модульну структуру, систему Actor, стиснення zk-доказів, безстанну архітектуру тощо, які охоплюють кілька рівнів виконання, стану, даних, структури, являючи собою "багаторівневу координацію та модульне поєднання" повну систему розширення. У цій статті основна увага приділяється розширенню, яке базується на паралельних обчисленнях.
Внутрішня паралельна обробка (intra-chain parallelism), фокусуючи увагу на паралельному виконанні транзакцій / інструкцій всередині блокчейну. За механізмом паралелізму його способи масштабування можна поділити на п'ять основних категорій, кожна з яких представляє різні цілі продуктивності, моделі розробки та архітектурну філософію, паралельна гранулярність поступово зменшується, паралельна інтенсивність зростає, складність планування також зростає, а складність програмування та труднощі реалізації також зростають.
Зовнішня асинхронна паралельна модель, представлена системою агентів (Agent / Actor Model), яка належить до іншої парадигми паралельних обчислень, як міжланцюгова / асинхронна система обміну повідомленнями (не блокчейн-синхронна модель), кожен агент є незалежним "процесом інтелектуального агента", паралельний спосіб асинхронних повідомлень, подій, що керуються, без необхідності синхронізації графіків. Представлені проекти: AO, ICP, Cartesi тощо.
А ті рішення для масштабування, такі як Rollup або шардінг, які ми добре знаємо, відносяться до механізмів системної паралельності і не є паралельними обчисленнями на рівні блокчейну. Вони досягають масштабування шляхом "паралельного виконання кількох ланцюгів / доменів виконання", а не підвищення паралельності всередині одного блоку / віртуальної машини. Ці рішення для масштабування не є основною темою цієї статті, але ми все ж використовуватимемо їх для порівняння архітектурних концепцій.
Два, EVM-сумісна паралельна посилена ланцюг: прорив меж продуктивності в сумісності
Архітектура послідовної обробки Ethereum розвивалася до сьогодні, пройшовши багато етапів розширення, таких як шардінг, Rollup, модульна архітектура, але вузьке місце пропускної спроможності виконавчого рівня все ще не було подолано. Проте, EVM і Solidity залишаються найбільш перспективними платформами для смарт-контрактів з точки зору бази розробників та екосистеми. Тому паралельні посилення EVM-ланцюгів, які враховують екосистемну сумісність та підвищення продуктивності виконання, стають важливим напрямком для нового етапу розширення. Monad і MegaETH є найбільш представницькими проєктами в цьому напрямку, які, починаючи з затримки виконання та розділення стану, створюють архітектуру паралельної обробки EVM, орієнтуючись на сценарії з високою конкуренцією та високою пропускною спроможністю.
Аналіз механізму паралельних обчислень Monad
Monad є високопродуктивним блокчейном Layer1, переосмисленим для віртуальної машини Ethereum (EVM), заснованим на основній паралельній концепції конвеєрної обробки (Pipelining), що забезпечує асинхронне виконання на рівні консенсусу (Asynchronous Execution) та оптимістичну паралельну обробку (Optimistic Parallel Execution) на рівні виконання. Крім того, на рівнях консенсусу та зберігання Monad відповідно впроваджує високопродуктивний BFT протокол (MonadBFT) та спеціалізовану систему бази даних (MonadDB), що реалізує оптимізацію з кінця в кінець.
Пайплайнинг: механізм паралельного виконання з багатоступеневим конвеєром
Pipelining є основною концепцією паралельного виконання Monad, її основна ідея полягає в розділенні процесу виконання блокчейну на кілька незалежних етапів та паралельній обробці цих етапів, що формує тривимірну архітектуру конвеєра. Кожен етап працює в незалежних потоках або ядрах, що забезпечує паралельну обробку через блоки, зрештою досягаючи підвищення пропускної здатності та зменшення затримок. Ці етапи включають: пропозицію транзакції (Propose), досягнення консенсусу (Consensus), виконання транзакції (Execution) та подання блоку (Commit).
Асинхронне виконання: консенсус - асинхронне декомпонування виконання
У традиційних блокчейнах консенсус і виконання транзакцій зазвичай є синхронними процесами, що серйозно обмежує можливості масштабування. Monad реалізував асинхронний консенсус, асинхронне виконання та асинхронне зберігання завдяки "асинхронному виконанню". Це суттєво зменшує час блоку (block time) і затримку підтвердження, роблячи систему більш стійкою, процеси більш деталізованими та використання ресурсів ефективнішим.
Основний дизайн:
Оптимістичне паралельне виконання：乐观并行执行
Традиційний Ethereum використовує строгий послідовний модель для виконання транзакцій, щоб уникнути конфліктів стану. У той час як Monad застосовує стратегію "оптимістичного паралельного виконання", що значно підвищує швидкість обробки транзакцій.
Механізм виконання:
Monad обрав сумісний шлях: намагатися якомога менше змінювати правила EVM, реалізувати паралельність шляхом відкладання запису стану та динамічного виявлення конфліктів під час виконання, більше нагадує версію Ethereum з підвищеною продуктивністю, зрілість якої дозволяє легко реалізувати міграцію екосистеми EVM, є паралельним прискорювачем світу EVM.
Аналіз механізму паралельних обчислень MegaETH
На відміну від позиціювання Monad, MegaETH позиціюється як модульний високопродуктивний паралельний виконавчий рівень, сумісний з EVM, який може бути як незалежним публічним ланцюгом L1, так і підсилювальним виконавчим рівнем (Execution Layer) на Ethereum або модульним компонентом. Його основна проектна мета полягає в тому, щоб ізолювати та деконструювати логіку облікових записів, середовище виконання та стан у мінімальні одиниці, які можна незалежно планувати, щоб досягти високої пропускної здатності виконання та низької затримки відповідей у межах ланцюга. Ключова інновація MegaETH полягає в: архітектурі Micro-VM + DAG залежностей стану (орієнтований ациклічний граф залежності стану) та модульному механізмі синхронізації, які разом формують паралельну виконавчу систему, орієнтовану на "потокове виконання в ланцюгу".
Micro-VM (мікровіртуальна машина) архітектура: рахунок — це потік
MegaETH впроваджує модель виконання "мікровіртуальної машини (Micro-VM) для кожного облікового запису", яка "потоковує" виконуване середовище, забезпечуючи мінімальну одиницю ізоляції для паралельного планування. Ці VM спілкуються між собою через асинхронне повідомлення (Asynchronous Messaging), а не синхронні виклики, що дозволяє великій кількості VM незалежно виконуватися та зберігатися, що природно призводить до паралелізму.
Залежність DAG: механізм планування на основі графа залежностей
MegaETH побудував систему планування на основі DAG, засновану на відносинах доступу до стану облікових записів. Система в режимі реального часу підтримує глобальний граф залежностей (Dependency Graph), де кожна транзакція модифікує певні облікові записи та зчитує з інших облікових записів, все моделюється як залежності. Транзакції без конфліктів можуть виконуватися паралельно, тоді як транзакції з залежностями будуть послідовно або з затримкою плануватися відповідно до топологічного порядку. Граф залежностей забезпечує консистентність стану та уникнення повторних записів під час процесу паралельного виконання.
Асинхронне виконання та механізм зворотного виклику
MegaETH побудований на основі парадигми асинхронного програмування, аналогічно асинхронному обміну повідомленнями моделі актора, яка вирішує проблему традиційних послідовних викликів EVM. Виклики контрактів є асинхронними (нерекурсивним виконанням), і при виклику контракту A -> B -> C кожен виклик є асинхронним без блокування очікування; Стек викликів розгортається в асинхронний графік дзвінків; Обробка транзакцій = обхід асинхронного графіка + дозвіл залежностей + паралельне планування.
Отже, MegaETH руйнує традиційну модель однониткового станового машини EVM, реалізуючи мікровіртуальну машину в упаковці на основі облікових записів, здійснюючи розподіл транзакцій через граф залежностей стану та замінюючи синхронний стек викликів асинхронним механізмом повідомлень. Це паралельна обчислювальна платформа, яка була перепроектована в усіх вимірах з "структури облікових записів → архітектури розподілу → процесу виконання", що пропонує новий парадигмальний підхід до побудови системи наступного покоління з високою продуктивністю на основі блокчейн.
MegaETH обрала шлях реконструкції: повністю абстрагувати рахунки та контракти в незалежну VM, через асинхронне виконання розподілу, щоб звільнити максимальний паралельний потенціал. В теорії, паралельний ліміт MegaETH вищий, але також складніше контролювати складність, більше схоже на супер дистрибутивну операційну систему в рамках концепції Ethereum.
Monad та MegaETH мають значні відмінності в концепції дизайну порівняно з шардінгом: шардінг розбиває блокчейн на кілька незалежних підланок (шарди), кожна з яких відповідає за частину транзакцій та стану, порушуючи обмеження одноланковості для розширення на мережевому рівні; в той час як Monad та MegaETH зберігають цілісність одноланковості, лише горизонтально розширюючись на рівні виконання, оптимізуючи паралельне виконання всередині одноланки для подолання обмежень продуктивності. Обидва представляють два напрямки в розширенні блокчейну: вертикальне посилення та горизонтальне розширення.
Проекти паралельних обчислень, такі як Monad і MegaETH, в основному зосереджені на оптимізації пропускної здатності, з метою підвищення TPS в ланцюгу як основної мети, реалізуючи паралельну обробку на рівні транзакцій або облікових записів через відкладене виконання (Deferred Execution) та архітектуру мікровіртуальних машин (Micro-VM). Pharos Network, як модульна, повноцінна паралельна L1 блокчейн-мережа, має основний механізм паралельних обчислень, відомий як "Rollup Mesh". Ця архітектура підтримує співпрацю між основною мережею та спеціалізованими обробними мережами (SPNs), підтримуючи середовище з декількома віртуальними машинами (EVM та Wasm) і інтегруючи такі передові технології, як нульові знання (ZK) та середовище довіреного виконання (TEE).
Аналіз механізму паралельних обчислень Rollup Mesh: