Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo de Web3: ¿la mejor solución para la escalabilidad nativa?

I. Cálculo paralelo: la ruta clave para la escalabilidad de blockchain

El "triángulo imposible" de la blockchain "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad" ( revela el compromiso esencial 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:

• Ejecución de escalabilidad mejorada: aumentar la capacidad de ejecución in situ, por ejemplo, paralelismo, GPU, múltiples núcleos
• Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, como particiones, 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, funcionamiento colaborativo, como cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
• Escalado de tipo concurrente asíncrono: modelo Actor, aislamiento de procesos, basado en mensajes, por ejemplo, agentes, cadenas asíncronas multihilo

Las soluciones de escalabilidad de blockchain incluyen: cálculo paralelo en la cadena, Rollup, fragmentación, módulos 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 "coordinación multinivel y combinación modular". Este artículo se centra en presentar el método de escalabilidad basado en el cálculo paralelo como el principal.

Paralelismo intra-cadena ), enfocado en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, su forma de escalado se puede dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, con grados de paralelismo cada vez más finos, intensidades paralelas cada vez más altas, complejidades de programación y de implementación también en aumento.

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

Modelo de concurrencia asíncrono fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes inteligentes (Agente / Modelo de Actor), que pertenece a otro paradigma de computación paralela, como sistema de mensajes cruzados / asíncronos (modelo de sincronización no basado en blockchain), donde cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que se ejecuta de forma independiente, utilizando un enfoque paralelo de mensajes asíncronos, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Los proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Las soluciones de escalado que conocemos bien, como Rollup o fragmentación, pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a cálculos paralelos dentro de la cadena. Ellas 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 escalado no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en los conceptos arquitectónicos.

II. Cadena mejorada en paralelo 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 escalabilidad como sharding, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha tenido un avance fundamental. Sin embargo, al mismo tiempo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes más atractivas para los desarrolladores y con un fuerte potencial en el ecosistema. Por lo tanto, las cadenas paralelas mejoradas de EVM, que equilibran la compatibilidad del ecosistema y la mejora del rendimiento de ejecución, están convirtiéndose en una dirección clave para la nueva ronda de evolución de la escalabilidad. 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 de estados.

( Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de Monad

Monad es una blockchain de alto rendimiento Layer1 rediseñada para la máquina virtual de Ethereum )EVM(, basada en el concepto de paralelismo básico de procesamiento en tubería )Pipelining###, que ejecuta asincrónicamente en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y en la capa de ejecución utiliza la ejecución paralela optimista (Optimistic Parallel Execution). Además, en las capas de consenso y almacenamiento, Monad introduce respectivamente un protocolo BFT de alto rendimiento (MonadBFT) y un sistema de base de datos especializado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la cadena de bloques en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de pipeline tridimensional, donde cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, aumentando el rendimiento y reduciendo la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso alcanzado (Consensus), ejecución de transacción (Execution) y compromiso de bloque (Commit).

Ejecución Asincrónica: Desacoplamiento Asíncrono de Consenso y Ejecución

En las cadenas tradicionales, 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 asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque (block time) 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:

• Proceso de consenso ( capa de consenso ) solo se encarga de ordenar las transacciones, no ejecuta la lógica del contrato.
• Proceso de ejecución ( capa de ejecución ) se activa de forma asíncrona después de completar el consenso.
• Después de completar el consenso, entrar inmediatamente en el 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 evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que aumenta significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

• Monad ejecutará todas las transacciones de manera optimista en paralelo, asumiendo que la mayoría de las transacciones no tienen conflictos de estado entre sí.
• Ejecutar al mismo tiempo un "Detector de Conflictos (Conflict Detector)" para monitorear si las transacciones accedieron al mismo estado (, como conflictos de lectura/escritura ).
• Si se detecta un conflicto, las transacciones en conflicto se volverán a ejecutar en serie para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: modifica lo menos posible las reglas de EVM, y durante el proceso de ejecución logra la paralelización mediante la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos, pareciendo más una versión de alto rendimiento de Ethereum. Su buena madurez facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelización en el mundo de EVM.

( Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

A diferencia de la ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución paralela de alto rendimiento y modular compatible con EVM, que puede funcionar tanto como una cadena pública L1 independiente, como una capa de mejora de ejecución en Ethereum )Execution Layer( o como un componente modular. Su objetivo de diseño central es descomponer la lógica de cuentas, el entorno de ejecución y el estado en unidades mínimas que se puedan programar de manera independiente, para lograr una ejecución de alta concurrencia dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La clave de la innovación propuesta por MegaETH radica en: Micro-VM arquitectura + State Dependency DAG)gráfico de dependencia de estado acíclico dirigido### y mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

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

MegaETH introduce el modelo de ejecución "una micro máquina virtual por cuenta (Micro-VM)", que "hilo" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad de aislamiento mínima para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí a través de la mensajería asíncrona (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que múltiples VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de forma independiente, siendo inherentemente paralelas.

Dependencia del Estado DAG: Mecanismo de programación impulsado por gráficos de dependencia

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de cuentas, el sistema mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph), cada transacción modela qué cuentas se modifican, qué cuentas se leen, todo esto como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos se pueden ejecutar 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

B

En resumen, MegaETH rompe el modelo tradicional de máquina de estado de un solo hilo EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, realizando la programación de transacciones a través de un gráfico de dependencia de estado, y reemplazando la pila de llamadas síncronas con un mecanismo de mensajes asíncronos. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas sus dimensiones desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", ofreciendo un nuevo enfoque paradigmático para construir sistemas de cadena en línea de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH ha elegido un camino de reestructuración: abstraer completamente las cuentas y contratos en una VM independiente, liberando así un potencial de paralelismo extremo 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, pareciendo más un sistema operativo distribuido superlativo bajo la filosofía de Ethereum.

Las filosofías de diseño de Monad y MegaETH son bastante diferentes de (Sharding): el sharding divide la cadena de bloques en múltiples subcadenas independientes (Shards), donde cada subcadena se encarga de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una única cadena en la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, solo expandiéndose horizontalmente en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de una única cadena para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de expansión de la cadena de bloques: la intensificación vertical y la expansión horizontal.

Los proyectos de computación paralela como Monad y MegaETH se centran principalmente en la optimización del rendimiento, con el objetivo central de mejorar el TPS en la cadena, mediante la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquina virtual (Micro-VM), logrando un procesamiento paralelo a nivel de transacciones o de cuentas. Pharos Network, como una red blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo central de computación paralela denominado "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través del trabajo conjunto de la red principal y redes de procesamiento especial (SPNs), soporta múltiples entornos de máquina virtual (EVM y Wasm), e integra tecnologías avanzadas como pruebas de conocimiento cero (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de computación paralela Rollup Mesh:

1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (: Pharos desacopla las diferentes etapas de la transacción ) como consenso, ejecución y almacenamiento (, y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia general del procesamiento.
2. Ejecución Paralela de Doble VM ): Pharos admite dos entornos de máquina virtual, 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. Tratamiento especial de la red (SPNs): Los SPNs son componentes clave en la arquitectura Pharos, similares a subredes modulares, diseñados específicamente para manejar tipos particulares de tareas o aplicaciones. A través de los 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. Consenso modular y mecanismo de restaking(: Pharos introduce un mecanismo de consenso flexible que admite varios modelos de consenso) como PBFT, PoS, PoA(, y a través del protocolo de restaking) se logra un intercambio seguro y la integración de recursos entre la red principal y los SPNs.

Además, Pharos ha reconstruido el modelo de ejecución desde la capa inferior del motor de almacenamiento a través de la tecnología de árbol de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial ( Delta Encoding ), direccionamiento por versiones ( Versioned Addressing ) y empuje ADS ( ADS Pushdown ), lanzando el motor de almacenamiento de alto rendimiento nativo de blockchain, Pharos Store, que logra una capacidad de procesamiento en cadena de alto rendimiento, baja latencia y alta verificabilidad.

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