Execução Paralela Otimista

Uma das inovações mais marcantes da blockchain Monad é o seu modelo otimista de execução paralela. Esta abordagem repensa como as transações são processadas ao nível do protocolo, abordando uma limitação chave das blockchains tradicionais: a execução sequencial. Em plataformas como o Ethereum, as transações são executadas uma a uma, o que garante a consistência do estado, mas restringe severamente a capacidade e o desempenho geral.

A máquina virtual da Monad introduz o paralelismo assumindo que a maioria das transações dentro de um bloco são independentes e não interagem com as mesmas partes do estado da blockchain. Com base nessa suposição, as transações são agrupadas e agendadas para serem executadas simultaneamente em várias threads de processamento. Isso aumenta significativamente a taxa de execução, especialmente sob carga de rede elevada, aproveitando processadores modernos de vários núcleos de forma mais eficaz do que modelos sequenciais.

No entanto, a concorrência introduz riscos potenciais de conflitos de dados, como duas transações que tentam modificar a mesma conta ou contrato. O Monad aborda isso incorporando um sistema de detecção e resolução de conflitos. Após as transações serem executadas em paralelo, o sistema verifica inconsistências. Se conflitos forem detectados, apenas as transações afetadas são reexecutadas ou reordenadas com segurança. Isso garante que a blockchain mantenha a correção e transições de estado determinísticas, ao mesmo tempo que se beneficia da eficiência do processamento concorrente.

Este modelo assemelha-se ao controlo de concorrência otimista nos sistemas de base de dados modernos, onde a maioria das operações é assumida como não conflituosa e tratada simultaneamente. Apenas em casos limite é que o sistema intervém. O resultado é uma camada de execução escalável e adaptável adequada para aplicações com elevado volume de transações e cargas de trabalho variadas.

A execução paralela otimista é particularmente vantajosa para casos de uso como DeFi, jogos e mercados NFT, onde muitos usuários interagem simultaneamente, mas raramente com os mesmos dados. O Monad pode lidar com essas operações em paralelo, reduzindo a congestão e aprimorando a capacidade de resposta de aplicativos descentralizados sem a necessidade de camadas de dimensionamento fora da cadeia.

Outra grande vantagem é a simplicidade para os desenvolvedores. O ambiente compatível com EVM da Monad permite que os contratos inteligentes escritos em Solidity sejam executados normalmente, sem exigir que os desenvolvedores gerenciem manualmente a concorrência. O protocolo lida com a lógica de execução nos bastidores, preservando a experiência do desenvolvedor e melhorando o desempenho da rede.

Execução Assíncrona

Complementando seu modelo de execução paralela, o Monad implementa a execução assíncrona, uma característica arquitetônica que separa a execução de transações do processo de consenso. Nas blockchains tradicionais, consenso e execução estão intimamente ligados - os validadores devem executar todas as transações antes de concordar e finalizar um bloco. Esse acoplamento introduz latência e limita a rapidez com que novos blocos podem ser produzidos.

Monad desacopla essas funções finalizando primeiro a ordem das transações, através do consenso, e depois executando-as. Este design permite que a camada de consenso opere de forma independente e contínua, enquanto a execução é executada em paralelo em segundo plano. Isso aumenta a eficiência dos validadores e reduz o tempo de bloco, uma vez que os validadores não estão mais limitados pelo tempo que leva para calcular os resultados de cada transação.

O sistema mantém o determinismo e a segurança garantindo que todos os nós executem exatamente as mesmas transações, na mesma ordem acordada, mesmo que a execução em si aconteça em momentos diferentes. Isso garante consistência em toda a rede e evita divergências no estado da blockchain.

A execução assíncrona também complementa o paralelismo otimista do Monad. Enquanto o consenso avança e novos blocos são finalizados rapidamente, a execução ocorre simultaneamente em várias threads, resolvendo conflitos apenas quando necessário. Essa combinação paralela-assíncrona maximiza a concorrência do sistema e a utilização de recursos sem comprometer a correção.

Do ponto de vista do utilizador e do programador, esta arquitetura resulta numa inclusão mais rápida das transações, aplicações mais responsivas e escalabilidade melhorada. Os validadores também beneficiam de redução de gargalos, o que leva a uma rede mais eficiente e descentralizada.

Mecanismo de Consenso MonadBFT

O consenso em Monad é alcançado através do MonadBFT, uma adaptação personalizada do protocolo HotStuff Byzantine Fault Tolerant (BFT). Este mecanismo de consenso é otimizado tanto para desempenho quanto para segurança, apoiando os objetivos do Monad de finalidade de baixa latência e alta taxa de transferência, ao mesmo tempo que permanece acessível para validadores descentralizados.

O HotStuff foi originalmente desenvolvido para reduzir o número de rodadas de comunicação necessárias para finalizar um bloco. O MonadBFT baseia-se nisso, permitindo a finalidade de um único slot, onde os blocos são finalizados em uma única rodada de consenso sem esperar por múltiplas confirmações. Isso proporciona finalidade imediata da transação, melhorando a previsibilidade para aplicações e reduzindo o risco de reorganização da cadeia.

O MonadBFT usa um modelo baseado em líder. Em cada rodada, um validador propõe um bloco enquanto os outros validam e votam nele. Se dois terços do total das participações do validador confirmarem o bloco, ele é finalizado. Esse processo simplificado minimiza o overhead e acelera a produção de blocos, especialmente em condições de operação normais.

Para garantir a vivacidade, o MonadBFT inclui rotação de líder e estratégias de tempo limite. Se um líder falhar em propor um bloco, o próximo validador na linha assume automaticamente. Essa resiliência garante que a cadeia continue progredindo mesmo se alguns validadores estiverem offline ou não responsivos.

Do ponto de vista da segurança, o MonadBFT adere ao limiar típico BFT, tolerando até um terço dos validadores que se comportam maliciosamente sem comprometer a segurança. Uma vez que um bloco é finalizado, ele é criptograficamente selado e não pode ser revertido sem uma colusão de atores desonestos que controlam a maioria do poder do validador.

O protocolo está intimamente integrado com o modelo de execução assíncrona do Monad. Como os blocos são finalizados antes da execução, o sistema pode continuar progredindo sem atrasos, enquanto a camada de execução processa transações de forma independente. Esta arquitetura reduz a carga de trabalho do validador e permite que o sistema mantenha um alto desempenho sem depender de serviços de sequenciamento centralizados ou intermediários confiáveis.

MonadDB

A execução eficiente e o consenso dependem de um sistema de gestão de estado de alto desempenho. No Monad, este papel é desempenhado pelo MonadDB, a camada de armazenamento de estado personalizada do blockchain. O MonadDB é responsável por armazenar todos os dados on-chain, incluindo saldos de contas, armazenamento de contratos e outras variáveis de estado persistentes. Foi projetado para ser rápido, concorrente e totalmente compatível com o motor de execução paralela do Monad.

MonadDB utiliza uma loja de chave-valor persistente e versionada, permitindo-lhe manter múltiplos instantâneos do estado ao mesmo tempo. Isto é essencial para suportar a execução especulativa, onde múltiplas transações são processadas em paralelo e podem ser revertidas ou ajustadas dependendo de conflitos. Ao armazenar diferentes versões do estado, MonadDB permite que o mecanismo de execução isole e resolva conflitos de dados de forma eficiente.

No seu núcleo, o MonadDB utiliza uma estrutura de dados de árvore de Merkle Patricia Trie - uma árvore criptograficamente segura que permite a verificação rápida do estado da blockchain. Esta estrutura de trie garante que qualquer alteração no estado resulte em um novo hash raiz, que pode ser validado por todos os nós. Suporta sincronização sem confiança, clientes leves e verificação de estado baseada em prova, que são fundamentais para o design seguro e escalável da blockchain.

Para lidar com o volume de transações esperado, o MonadDB é projetado para leituras e gravações de baixa latência. Ele incorpora cache, controles de acesso seguros para concorrência e armazenamento de disco de alta velocidade para garantir a recuperação e modificação rápidas das entradas de estado. Essas otimizações permitem que a camada de execução opere com alta vazão sem ser retardada por atrasos no acesso aos dados.

Do ponto de vista do programador, o MonadDB está totalmente abstraído. Os desenvolvedores de contratos inteligentes interagem com o blockchain através de construções familiares em Solidity, sem a necessidade de gerir a mecânica do estado subjacente. O MonadDB garante que o estado seja atualizado e armazenado com precisão, mesmo sob carga elevada ou durante a execução de contratos complexos.