Panorama de la pista de computación paralela Web3: desde la mejora de EVM hasta Rollup Mesh

Mapa panorámico de la pista de computación paralela de Web3: ¿la mejor solución para la expansión nativa?

I. Contexto técnico y motivaciones para el desarrollo de la computación paralela

El "triángulo imposible" de la blockchain, que incluye "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad", revela el esencial compromiso en el diseño de sistemas blockchain, es decir, que los proyectos de blockchain tienen dificultades para lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En relación con el eterno tema de la "escalabilidad", las soluciones de escalado de blockchain que actualmente están en el mercado se clasifican por paradigmas, incluyendo:

  • Ejecución de escalabilidad mejorada: aumentar la capacidad de ejecución en el lugar, por ejemplo, paralelización, GPU, multicore
  • Escalado de aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, por ejemplo, fragmentación, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado fuera de la cadena mediante externalización: realizar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
  • Escalado desacoplado por estructura: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadena asíncrona multihilo.

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: computación paralela dentro de 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, formando un sistema completo de escalado de "colaboración en múltiples capas y combinación de módulos". Este artículo se centra en presentar el método de escalado basado principalmente en la computación paralela.

Cálculo paralelo intra-cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalado se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una de las cuales representa diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías arquitectónicas, con un grado de paralelismo cada vez más fino, una intensidad de paralelismo cada vez mayor, así como una complejidad de programación y dificultad de implementación cada vez más altas.

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

Modelo de concurrencia asíncrona fuera de la cadena, representado por el sistema de agentes Actor (Modelo de Agente/Actor), que pertenece a otro paradigma de cálculo paralelo. Como sistema de mensajería asíncrona/cross-chain (modelo de no sincronización de bloques), cada Agente actúa como un "proceso inteligente" que opera de manera independiente, gestionando mensajes asíncronos de manera paralela, impulsados por eventos y sin necesidad de programación sincrónica. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Las soluciones de escalado como Rollup o sharding, que nos son familiares, pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Estas soluciones 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 de arquitectura.

Web3 panorama del campo de computación paralela: ¿la mejor solución de escalado nativo?

2. Cadena mejorada de paralelismo EVM: superando los límites de rendimiento en la compatibilidad

La arquitectura de procesamiento en serie de Ethereum ha evolucionado hasta hoy, pasando por múltiples intentos de escalado como fragmentación, Rollup y arquitecturas modularizadas, pero el cuello de botella en el rendimiento de la capa de ejecución aún no ha sido superado de manera fundamental. Sin embargo, al mismo tiempo, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecosistémico más fuerte en la actualidad. Por lo tanto, la cadena de mejora paralela de EVM se está convirtiendo en una dirección importante en la evolución del escalado, ya que equilibra la compatibilidad del ecosistema y el aumento del rendimiento de ejecución. 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 de retraso y la descomposición de estados, respectivamente.

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 fundamental de procesamiento en paralelo (Pipelining), con ejecución asíncrona en la capa de consenso (Asynchronous Execution) y ejecución paralela optimista en la capa de ejecución (Optimistic Parallel Execution). Además, en las capas de consenso y almacenamiento, Monad introduce un protocolo BFT de alto rendimiento (MonadBFT) y un sistema de base de datos dedicado (MonadDB), logrando una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela en múltiples etapas

Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monad, cuya idea central es dividir el proceso de ejecución de la cadena de bloques en múltiples etapas independientes y procesar estas etapas en paralelo, formando una arquitectura de tubería tridimensional. Cada etapa se ejecuta en un hilo o núcleo independiente, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando el efecto de aumentar el rendimiento y reducir la latencia. Estas etapas incluyen: Proposición de transacciones (Propose), consenso (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asincrónico de Ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de transacciones suelen ser procesos sincrónicos, y este modelo secuencial limita gravemente la escalabilidad del rendimiento. Monad logra la asynchronía en la capa de consenso, la capa de ejecución y el almacenamiento a través de la "ejecución asíncrona". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, los procesos más segmentados y la utilización de recursos más eficiente.

Diseño central:

  • El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar transacciones, no de ejecutar la lógica de contratos.
  • El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete el consenso.
  • Una vez completado 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 las transacciones, con el fin de evitar conflictos de estado. Por otro lado, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que incrementa significativamente la velocidad de procesamiento de transacciones.

Mecanismo de ejecución:

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

Monad eligió un camino compatible: moviendo lo menos posible las reglas de EVM, logrando paralelismo durante el proceso de ejecución mediante la escritura de estado diferido y la detección dinámica de conflictos, pareciéndose más a una versión de alto rendimiento de Ethereum, con buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo el acelerador de paralelismo del mundo EVM.

Web3 panorama del sector de computación paralela: ¿la mejor solución para la escalabilidad nativa?

Análisis del mecanismo de computación en paralelo de MegaETH

A diferencia de la localización 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 (Execution Layer) o un componente modular en Ethereum. Su objetivo de diseño central es descomponer la lógica de cuentas, el entorno de ejecución y el estado en unidades mínimas que se pueden programar de forma independiente, para lograr una alta concurrencia de ejecución en la cadena y una baja capacidad de respuesta. La innovación clave que propone MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + DAG de dependencia de estado (Directed Acyclic Graph) y un mecanismo de sincronización modular, que en conjunto construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

Arquitectura Micro-VM: cuenta como hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución de "una micro máquina virtual (Micro-VM) por cuenta", que "hila" el entorno de ejecución, proporcionando la unidad de aislamiento mínima para la programación paralela. Estas VM se comunican entre sí mediante mensajes asíncronos (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que un gran número de VM se ejecute de forma independiente y almacene de manera independiente, lo que permite la paralelización de forma natural.

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 la cuenta, que mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph). Cada transacción modela las cuentas que modifica y las que lee, todo como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos pueden ejecutarse directamente en paralelo, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico en serie o se retrasarán. El gráfico de dependencias garantiza 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 de EVM, implementando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado y utilizando un mecanismo de mensajes asíncronos en lugar de una pila de llamadas sincrónicas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada en todas las dimensiones desde "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", proporcionando un nuevo enfoque de nivel de paradigma para construir sistemas en cadena de alto rendimiento de próxima generación.

MegaETH eligió un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y los contratos en una VM independiente, liberando el potencial de paralelismo extremo a través de la programación de ejecución asincrónica. En teoría, el límite de paralelismo de MegaETH es más alto, pero también es más difícil controlar la complejidad, más parecido a un sistema operativo superdistribuido bajo la filosofía de Ethereum.

Web3 panorama del campo de cálculo paralelo: ¿la mejor solución para la expansión nativa?

Monad y MegaETH tienen conceptos de diseño bastante diferentes en comparación con el sharding: el sharding divide la blockchain horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (shards), cada subcadena es responsable de ciertas transacciones y estados, rompiendo las limitaciones de una sola cadena para la expansión en la capa de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de una sola cadena, expandiéndose horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela interna de la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de expansión de la blockchain: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

Los proyectos de cálculo paralelo como Monad y MegaETH se centran principalmente en optimizar la ruta de rendimiento, con el objetivo central de mejorar el TPS en la cadena, logrando procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas a través de la Ejecución Diferida y la arquitectura de Micro-VM. Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo de cálculo paralelo central llamado "Rollup Mesh". Esta arquitectura soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) mediante la colaboración entre la red principal y las Redes de Procesamiento Especializadas (SPNs), e integra tecnologías avanzadas como las Pruebas de Conocimiento Cero (ZK) y Entornos de Ejecución Confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

  1. Procesamiento de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diversas etapas de una transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y adopta un enfoque de procesamiento asíncrono, permitiendo que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, lo que mejora la eficiencia general del procesamiento.
  2. Ejecución paralela de doble máquina virtual (Dual VM Parallel Execution): Pharos admite dos entornos de máquina virtual, EVM y WASM, permitiendo 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. Redes de procesamiento especial (SPNs): Los SPNs son componentes clave de la arquitectura Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos específicos 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 (Modular Consensus & Restaking): Pharos ha introducido un mecanismo de consenso flexible que admite varios modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA
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NftRegretMachinevip
· hace16h
又有 alcista 马吹并行计算了
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MultiSigFailMastervip
· hace17h
Ya está, olvida la fantasía
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ZKProofEnthusiastvip
· hace17h
La trampa de expansión me está volviendo loco...
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IntrovertMetaversevip
· hace17h
Otra vez ampliación, ¿shard ha muerto?
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ApeShotFirstvip
· hace17h
Web3 alto bomba bebé directamente bomba lleno y listo.
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