Mapa panorâmico da pista de computação paralela Web3: a melhor solução de escalabilidade nativa?

I. Computação Paralela: O Caminho Crítico para a Escalabilidade da Blockchain

O "triângulo impossível" da blockchain, "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" ( revela a essencial compensação no design de sistemas de blockchain, ou seja, é difícil para os projetos de blockchain alcançar simultaneamente "segurança extrema, participação universal e processamento rápido". Em relação ao tema eterno da "escalabilidade", as principais soluções de escalabilidade da blockchain no mercado são divididas por paradigmas, incluindo:

• Execução de escalabilidade aprimorada: melhoria da capacidade de execução no local, como paralelismo, GPU e múltiplos núcleos.
• Escalabilidade de isolamento de estado: divisão horizontal de estado/Shard, como sharding, UTXO, múltiplas sub-redes
• Escalonamento de tipo off-chain: mover a execução para fora da cadeia, como Rollup, Coprocessor, DA
• Expansão de desconexão estrutural: modularidade da arquitetura, operação colaborativa, como cadeias de módulos, ordenadores compartilhados, Rollup Mesh
• Escala de concorrência assíncrona: modelo Actor, isolamento de processos, acionado por mensagens, por exemplo, agentes, cadeia assíncrona multithread.

As soluções de escalabilidade da blockchain incluem: computação paralela dentro da cadeia, Rollup, sharding, módulo DA, estrutura modular, sistema Actor, compressão de provas zk, arquitetura Stateless, entre outros, abrangendo múltiplos níveis de execução, estado, dados e estrutura, formando um sistema completo de escalabilidade "multinível e combinação modular". Este artigo foca principalmente nas abordagens de escalabilidade com base em computação paralela.

Paralelismo intra-chain ), focando na execução paralela de transações/instruções dentro do bloco. De acordo com o mecanismo de paralelismo, suas maneiras de escalabilidade podem ser divididas em cinco grandes categorias, cada uma representando diferentes busca de desempenho, modelos de desenvolvimento e filosofia de arquitetura, com a granularidade de paralelismo cada vez mais fina, intensidade de paralelismo cada vez maior, complexidade de agendamento também cada vez maior, complexidade de programação e dificuldade de implementação também cada vez maior.

• Nível de conta paralelo(Account-level): representa o projeto Solana
• Paralelismo a nível de objeto ( Nível de objeto ): representa o projeto Sui
• Nível de transação (: representa o projeto Monad, Aptos
• Chamada de nível / MicroVM paralela ) Call-level / MicroVM (: representa o projeto MegaETH
• Paralelismo a nível de instrução ): representa o projeto GatlingX

Modelo de concorrência assíncrona fora da cadeia, representado pelo sistema de agentes Actor (Agent / Actor Model), que pertence a outro paradigma de computação paralela, como o sistema de mensagens assíncronas / entre cadeias (modelo de sincronização não blockchain), cada Agente funciona como um "processo inteligente" operando de forma independente, mensagens assíncronas em paralelo, impulsionado por eventos, sem necessidade de agendamento sincronizado, projetos representativos incluem AO, ICP, Cartesi, entre outros.

Os conhecidos Rollup ou soluções de escalabilidade por sharding pertencem a mecanismos de concorrência em nível de sistema, não a cálculos paralelos dentro da cadeia. Eles alcançam escalabilidade através da "execução paralela de várias cadeias/domínios de execução", em vez de aumentar a paralelização dentro de um único bloco/máquina virtual. Essas soluções de escalabilidade não são o foco principal deste artigo, mas ainda assim as utilizaremos para comparar as semelhanças e diferenças nas abordagens de arquitetura.

2. Cadeia de Aumento Paralelo EVM: Superando Limites de Desempenho na Compatibilidade

A arquitetura de processamento em série do Ethereum evoluiu até hoje, passando por várias tentativas de escalabilidade, como sharding, Rollup e arquitetura modular, mas o gargalo de throughput na camada de execução ainda não foi superado de forma fundamental. Entretanto, EVM e Solidity continuam a ser as plataformas de contratos inteligentes com a maior base de desenvolvedores e potencial ecológico. Assim, as cadeias paralelas do tipo EVM, que equilibram a compatibilidade ecológica e a melhoria do desempenho de execução, estão se tornando uma direção importante na nova rodada de evolução da escalabilidade. Monad e MegaETH são os projetos mais representativos nesta direção, construindo uma arquitetura de processamento paralelo EVM voltada para cenários de alta concorrência e alto throughput, a partir da execução de atraso e da decomposição de estado.

( Análise do mecanismo de computação paralela do Monad

Monad é uma blockchain Layer1 de alto desempenho, redesenhada para a máquina virtual Ethereum )EVM(, baseada na ideia fundamental de paralelismo de processamento em pipeline )Pipelining###, executando assincronamente na camada de consenso (Asynchronous Execution) e com concorrência otimista (Optimistic Parallel Execution) na camada de execução. Além disso, na camada de consenso e armazenamento, o Monad introduz, respectivamente, um protocolo BFT de alto desempenho (MonadBFT) e um sistema de banco de dados dedicado (MonadDB), realizando otimização de ponta a ponta.

Pipelining: Mecanismo de execução paralela em múltiplos estágios

Pipelining é a ideia fundamental da execução paralela de Monads, cuja essência é dividir o fluxo de execução da blockchain em várias etapas independentes e processar essas etapas em paralelo, formando uma arquitetura de pipeline tridimensional, onde cada etapa opera em threads ou núcleos independentes, realizando o processamento concorrente entre blocos, com o objetivo final de aumentar a taxa de transferência e reduzir a latência. Essas etapas incluem: Proposta de transação ( Propose ) Acordo de consenso ( Consensus ) Execução de transação ( Execution ) e Compromisso de bloco ( Commit ).

Execução Assíncrona: desacoplamento assíncrono de consenso e execução

Em cadeias tradicionais, o consenso e a execução das transações geralmente são processos síncronos, e esse modelo serial limita severamente a escalabilidade de desempenho. O Monad implementou o "execução assíncrona" para ter consenso assíncrono na camada de consenso, execução assíncrona na camada de execução e armazenamento assíncrono. Isso reduz significativamente o tempo de bloco (block time) e a latência de confirmação, tornando o sistema mais resiliente, com fluxos de processamento mais segmentados e uma maior eficiência na utilização de recursos.

Design central:

• O processo de consenso ( a camada de consenso ) é responsável apenas por ordenar transações, não executa a lógica dos contratos.
• O processo de execução ( camada de execução ) é acionado de forma assíncrona após a conclusão do consenso.
• Após a conclusão do consenso, entre imediatamente no processo de consenso do próximo bloco, sem necessidade de esperar pela execução.

Execução Paralela Otimista: Execução Paralela Otimista

O Ethereum tradicional utiliza um modelo de execução estritamente serial para evitar conflitos de estado. Por outro lado, o Monad adota uma estratégia de "execução paralela otimista", aumentando significativamente a taxa de processamento de transações.

Mecanismo de execução:

• Monad irá executar otimisticamente todas as transações em paralelo, assumindo que a maioria das transações não tem conflitos de estado.
• Executar simultaneamente um "Detetor de Conflitos (Conflict Detector)" para monitorar se as transações acessaram o mesmo estado (, como conflitos de leitura/escrita ).
• Se um conflito for detectado, as transações em conflito serão serializadas e reexecutadas para garantir a correção do estado.

O Monad escolheu um caminho compatível: movendo o mínimo possível as regras do EVM, implementando paralelismo através do adiamento da gravação de estados e da deteção dinâmica de conflitos durante a execução, mais parecido com uma versão de desempenho do Ethereum, com boa maturidade e fácil migração do ecossistema EVM, sendo um acelerador de paralelismo no mundo EVM.

( Análise do mecanismo de computação paralela do MegaETH

Diferente da L1 posicionada pelo Monad, o MegaETH é posicionado como uma camada de execução paralela de alto desempenho, modular e compatível com EVM, podendo atuar tanto como uma blockchain pública L1 independente quanto como uma camada de aumento de execução no Ethereum )Execution Layer( ou como um componente modular. O objetivo central do design é isolar e desconstruir a lógica de conta, o ambiente de execução e o estado em unidades mínimas que podem ser agendadas de forma independente, a fim de alcançar uma execução de alta concorrência dentro da cadeia e uma capacidade de resposta de baixa latência. A inovação chave proposta pelo MegaETH reside na: Arquitetura Micro-VM + DAG de Dependência de Estado ) gráfico de dependência de estado acíclico direcionado ### e mecanismo de sincronização modular, que juntos constroem um sistema de execução paralela voltado para "threading dentro da cadeia".

Micro-VM( micro máquina virtual) arquitetura: conta é um thread

MegaETH introduziu o modelo de execução "uma micro máquina virtual por conta (Micro-VM)", tornando o ambiente de execução "multithreaded", proporcionando a menor unidade de isolamento para agendamento paralelo. Estas VMs comunicam-se entre si através de mensagens assíncronas (Asynchronous Messaging), em vez de chamadas síncronas, permitindo que muitas VMs executem de forma independente e armazenem de forma independente, em um verdadeiro paralelo.

Dependência de Estado DAG: Mecanismo de Agendamento Baseado em Gráfico de Dependência

A MegaETH construiu um sistema de agendamento DAG baseado em relações de acesso ao estado da conta, que mantém em tempo real um gráfico de dependência global (Dependency Graph), modelando todas as contas que são modificadas e lidas em cada transação como relações de dependência. Transações sem conflitos podem ser executadas em paralelo, enquanto transações com relações de dependência serão agendadas em sequência ou adiadas de acordo com a ordem topológica. O gráfico de dependência garante consistência de estado e não gravações duplicadas durante o processo de execução paralela.

Execução assíncrona e mecanismo de callback

B

Em suma, o MegaETH quebra o modelo tradicional de máquina de estado de thread única EVM, implementando encapsulamento de micro máquinas virtuais por unidade de conta, realizando agendamento de transações através de um gráfico de dependência de estado, e substituindo a pilha de chamadas síncronas por um mecanismo de mensagens assíncronas. É uma plataforma de computação paralela redesenhada em toda a dimensão a partir da "estrutura de conta → arquitetura de agendamento → fluxo de execução", proporcionando uma nova abordagem em nível de paradigma para a construção de sistemas de alta performance em blockchain de próxima geração.

MegaETH escolheu um caminho de reestruturação: abstrair completamente contas e contratos em uma VM independente, liberando o potencial extremo de paralelismo através da programação de execução assíncrona. Em teoria, o limite de paralelismo do MegaETH é mais alto, mas também é mais difícil controlar a complexidade, assemelhando-se mais a um sistema operacional super distribuído sob a filosofia do Ethereum.

Monad e MegaETH têm filosofias de design bastante diferentes em relação ao Sharding: o Sharding divide a blockchain horizontalmente em várias sub-chains independentes, cada uma responsável por parte das transações e estado, quebrando as limitações de uma única chain na expansão em nível de rede; enquanto Monad e MegaETH mantêm a integridade da single chain, expandindo horizontalmente apenas na camada de execução, otimizando a execução paralela extrema dentro da single chain para superar o desempenho. Ambos representam duas direções diferentes no caminho de escalabilidade da blockchain: reforço vertical e expansão horizontal.

Os projetos de computação paralela, como Monad e MegaETH, concentram-se principalmente em otimizar o throughput, com o objetivo central de aumentar o TPS na cadeia, realizando processamento paralelo em nível de transação ou conta através da execução atrasada (Deferred Execution) e da arquitetura de micro-vm (Micro-VM). O Pharos Network, como uma rede de blockchain L1 modular e de pilha completa, tem seu mecanismo central de computação paralela chamado "Rollup Mesh". Esta arquitetura suporta um ambiente de múltiplas máquinas virtuais (EVM e Wasm) através do trabalho conjunto da rede principal e da rede de processamento especial (SPNs), integrando tecnologias avançadas como prova de zero conhecimento (ZK) e ambiente de execução confiável (TEE).

Análise do mecanismo de computação paralela Rollup Mesh:

1. Processamento Assíncrono em Pipeline de Todo o Ciclo de Vida (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): A Pharos desacopla as várias etapas da transação (, como consenso, execução e armazenamento ), e adota um método de processamento assíncrono, permitindo que cada etapa ocorra de forma independente e paralela, melhorando assim a eficiência geral do processamento.
2. Execução Paralela de Dual VM (: Pharos suporta dois ambientes de máquina virtual, EVM e WASM, permitindo que os desenvolvedores escolham o ambiente de execução adequado de acordo com suas necessidades. Essa arquitetura de dual VM não apenas aumenta a flexibilidade do sistema, mas também melhora a capacidade de processamento de transações através da execução paralela.
3. Tratamento especial da rede )SPNs(: SPNs são componentes chave na arquitetura Pharos, semelhantes a sub-redes modularizadas, projetadas para lidar com tipos específicos de tarefas ou aplicações. Através dos SPNs, o Pharos pode alcançar a alocação dinâmica de recursos e o processamento paralelo de tarefas, aumentando ainda mais a escalabilidade e o desempenho do sistema.
4. Consenso Modular & Reestabelecimento): Pharos introduziu um mecanismo de consenso flexível, suportando vários modelos de consenso( como PBFT, PoS, PoA), e através do protocolo de reestabelecimento(, realiza o compartilhamento seguro e a integração de recursos entre a mainnet e os SPNs.

Além disso, o Pharos, através de várias versões da árvore Merkle, codificação diferencial )Delta Encoding(, endereçamento por versões )Versioned Addressing( e empurrão de ADS )ADS Pushdown(, reestruturou o modelo de execução a partir do mecanismo de armazenamento, lançando o mecanismo de armazenamento de alta performance nativo de blockchain, Pharos Store, para alcançar alta taxa de transferência, baixa latência e forte capacidade de processamento on-chain verificável.

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