Паралельні обчислення Web3: Найкраще рішення для рідного масштабування?

"Неможливий трикутник" блокчейну (Blockchain Trilemma) – це "безпека", "децентралізація" та "масштабованість", які вказують на суттєві компроміси в дизайні блокчейн-систем, а саме, що блокчейн-проекти важко досягти одночасно "максимальної безпеки, участі всіх та швидкої обробки". Щодо "масштабованості" – цієї вічної теми, на сьогоднішній день основні рішення для масштабування блокчейнів на ринку поділяються за парадигмами, включаючи:

• Виконання розширеного масштабування: підвищення виконавчої здатності на місці, наприклад, паралельно, за допомогою GPU, багатоядерного процесора.
• Ізоляція стану розширення: горизонтальне розділення стану / Шард, наприклад, шардінг, UTXO, багато підмереж
• Оффчейн тип розширення: виконання відбувається поза ланцюгом, наприклад, Rollup, Копрограміст, DA
• Розширення з декомпозицією структури: модульна архітектура, спільна робота, наприклад, модульні ланцюги, спільні сортувальники, Rollup Mesh
• Асинхронне масштабування за допомогою паралельних процесів: модель актора, ізоляція процесів, керування повідомленнями, наприклад, агенти, багатопотокове асинхронне з'єднання

Рішення для масштабування блокчейну включають: паралельні обчислення в ланцюгу, Rollup, шардінг, модулі DA, модульну структуру, систему Actor, стиснення zk-доказів, Stateless архітектуру тощо, охоплюючи виконання, стан, дані, структури на кількох рівнях, що є повною системою масштабування "мульти-рівневої координації, модульного комбінування". У цій статті основна увага приділяється способам масштабування, де паралельні обчислення є домінуючими.

Внутрішня паралельність ланцюга (intra-chain parallelism), зосереджена на паралельному виконанні транзакцій / команд у межах блоку. Згідно з механізмами паралелізму, способи масштабування можна поділити на п'ять основних категорій, кожна з яких представляє різні цілі продуктивності, моделі розробки та архітектурну філософію; поступово зменшується гранулярність паралелізму, збільшується інтенсивність паралелізму, а також зростає складність планування, складність програмування та складність реалізації.

• Паралельність на рівні облікового запису (Account-level): представляє проект Solana
• Об'єктний рівень паралелізму (Object-level): представляє проект Sui
• Рівень 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

Модель асинхронної паралельності поза ланцюгом, представлена системою розумних агентів (модель агентів / акторів), належить до іншої парадигми паралельних обчислень. Як міжланцюгова / асинхронна система повідомлень (модель, що не синхронізує блоки), кожен агент є незалежно працюючим "процесом розумного агента", асинхронно обробляючи повідомлення в паралельному режимі, керуючи подіями без необхідності синхронізації. Представлені проекти включають AO, ICP, Cartesi та ін.

А відомі нам Rollup або рішення з масштабування за допомогою шардінгу є механізмом системної рівноваги, а не внутрішньоланковим паралельним обчисленням. Вони реалізують масштабування через "паралельний запуск кількох ланцюгів / виконавчих середовищ", а не шляхом підвищення паралельності всередині одного блоку / віртуальної машини. Такі рішення для масштабування не є ключовою темою цієї статті, але ми все ж використаємо їх для порівняння архітектурних концепцій.

Два, EVM система паралельного підвищення ланцюга: прорив меж продуктивності в сумісності

Розвиток серійної архітектури Ethereum до сьогоднішнього дня пройшов через кілька етапів розширення, включаючи шардінг, Rollup, модульну архітектуру тощо, але вузьке місце в пропускній здатності виконавчого шару все ще не було фундаментально вирішено. Тим часом EVM та Solidity залишаються найбільшою платформою для смарт-контрактів з найбільшою базою розробників та екосистемною потенцією. Таким чином, EVM-системи паралельного посилення ланцюгів, що поєднують екосумісність та підвищення продуктивності виконання, стають важливим напрямком нової хвилі еволюції розширення. Monad та MegaETH є найбільш репрезентативними проектами в цьому напрямку, які, виходячи з затримки виконання та розподілу стану, створюють архітектуру паралельної обробки EVM, орієнтовану на високу конкурентоспроможність та високу пропускну здатність.

Аналіз механізму паралельних обчислень Monad

Monad є високопродуктивною Layer1 блокчейн-системою, переосмисленою для віртуальної машини Ethereum (EVM), що базується на основній паралельній концепції конвеєрної обробки (Pipelining), з асинхронним виконанням на рівні консенсусу (Asynchronous Execution) та оптимістичною паралельною обробкою (Optimistic Parallel Execution) на рівні виконання. Крім того, на рівнях консенсусу та зберігання, Monad вводить високопродуктивний BFT протокол (MonadBFT) та спеціалізовану систему бази даних (MonadDB), що забезпечує оптимізацію від кінця до кінця.

Пайплайнинг: багатоступенева механіка паралельного виконання конвеєра

Pipelining є основним принципом паралельного виконання Monads, його центральна ідея полягає в розподілі процесу виконання блокчейна на кілька незалежних етапів та паралельній обробці цих етапів, що формує об'ємну структуру конвеєра. Кожен етап виконується в незалежних потоках або ядрах, що забезпечує міжблокове паралельне оброблення, зрештою досягаючи підвищення пропускної здатності та зменшення затримки. Ці етапи включають: пропозицію транзакції (Propose), досягнення консенсусу (Consensus), виконання транзакції (Execution) та подання блоку (Commit).

Асинхронне виконання: консенсус - виконання асинхронного декуплінгу

У традиційних блокчейнах консенсус та виконання транзакцій зазвичай є синхронними процесами, і ця послідовна модель серйозно обмежує масштабування продуктивності. Monad реалізує асинхронний консенсус, асинхронне виконання та асинхронне зберігання через "асинхронне виконання". Це значно знижує час блоку (block time) і затримку підтвердження, роблячи систему більш стійкою, процеси обробки більш детальними, а використання ресурсів більш ефективним.

Основний дизайн:

• Процес консенсусу (шар консенсусу) відповідає лише за впорядкування транзакцій, не виконуючи логіку контракту.
• Виконавчий процес (виконавчий рівень) асинхронно активується після завершення консенсусу.
• Після завершення консенсусу негайно переходьте до процесу консенсусу наступного блоку, не чекаючи на 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 же час Monad використовує стратегію "оптимістичного паралельного виконання", що значно підвищує швидкість обробки транзакцій.

Механізм виконання:

• Monad оптимістично виконує всі транзакції паралельно, припускаючи, що більшість транзакцій не мають станних конфліктів.
• Одночасно запустіть "Детектор конфліктів (Conflict Detector))" для моніторингу того, чи торгівлі отримали доступ до одного й того ж стану (наприклад, конфлікти читання / запису).
• Якщо виявлено конфлікт, конфліктні транзакції будуть серіалізовані та повторно виконані, щоб забезпечити правильність стану.

Monad обрала сумісний шлях: мінімально змінюючи правила EVM, під час виконання досягаючи паралельності шляхом відстрочки запису стану та динамічного виявлення конфліктів, більше нагадує продуктивну версію Ethereum, з хорошою зрілістю та легкістю реалізації міграції екосистеми EVM, є паралельним прискорювачем у світі EVM.

Аналіз механізму паралельних обчислень MegaETH

На відміну від L1, орієнтованого на Monad, MegaETH позиціонується як модульний високопродуктивний паралельний виконавчий шар, сумісний з EVM, який може використовуватися як незалежний L1 публічний блокчейн або як шар підвищення виконання (Execution Layer) на Ethereum або модульний компонент. Його основною метою є ізоляція та декомпозиція логіки облікових записів, середовища виконання та стану на незалежно плановані мінімальні одиниці, щоб забезпечити високу паралельність виконання та низьку затримку відповіді в межах ланцюга. Ключовими інноваціями, запропонованими MegaETH, є: архітектура Micro-VM + Directed Acyclic Graph (DAG) залежностей стану та модульний механізм синхронізації, які спільно створюють паралельну виконавчу систему, орієнтовану на "потоковість у межах ланцюга".

Мікро-ВМ (мікровіртуальна машина) архітектура: обліковий запис як потік

MegaETH впроваджує модель виконання "мікровіртуальної машини (Micro-VM) для кожного облікового запису", яка "потоковує" середовище виконання, забезпечуючи мінімальну одиницю ізоляції для паралельного планування. Ці ВМ спілкуються один з одним через асинхронне повідомлення (Asynchronous Messaging), а не через синхронні виклики, що дозволяє великій кількості ВМ виконуватися незалежно та зберігатися окремо, природно паралельно.

Залежність стану DAG: механізм планування на основі графа залежностей

MegaETH побудував систему планування DAG, основану на доступі до стану рахунків, яка в реальному часі підтримує глобальну залежність (Dependency Graph). Кожна транзакція модифікує певні рахунки, зчитує інші рахунки, що все моделюється у вигляді залежностей. Безконфліктні транзакції можуть виконуватися паралельно, а транзакції з залежностями будуть послідовно або відкладено заплановані за топологічним порядком. Залежність графа забезпечує узгодженість стану та недопущення повторного запису 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.

У підсумку, MegaETH руйнує традиційну модель однопоточної машини станів EVM, реалізуючи мікровіртуальні машини на основі облікових записів, здійснюючи планування транзакцій через граф залежностей станів та замінюючи синхронний стек викликів асинхронним механізмом повідомлень. Це платформа паралельних обчислень, яка була перепроектована в усіх вимірах від "структури облікового запису → архітектури планування → процесу виконання", що надає нові парадигми для створення наступного покоління високопродуктивних систем на блокчейні.

MegaETH обрала шлях реконструкції: повністю абстрагувати облікові записи та контракти в окрему VM, використовуючи асинхронне виконання для максимального вивільнення паралельного потенціалу. Теоретично, паралельний ліміт MegaETH вищий, але контроль складності також є більш складним, більше схоже на суперрозподілену операційну систему в рамках ідеї Ethereum.

Monad та MegaETH мають суттєво різні концепції дизайну в порівнянні з шардінгом (Sharding): шардінг горизонтально розділяє блокчейн на кілька незалежних дочірніх ланцюгів (шарди Shards), кожен з яких відповідає за частину транзакцій та стану, що руйнує обмеження одного ланцюга в розширенні на мережевому рівні; натомість Monad та MegaETH зберігають цілісність одного ланцюга, лише горизонтально розширюючись на рівні виконання, оптимізуючи паралельне виконання всередині одного ланцюга для покращення продуктивності. Обидва представляють два напрямки в розширенні блокчейну: вертикальне посилення та горизонтальне розширення.

Проекти паралельних обчислень, такі як Monad і MegaETH, зосереджені на оптимізації пропускної спроможності, з основною метою підвищення TPS в ланцюгу, реалізуючи паралельну обробку на рівні транзакцій або облікових записів за допомогою відкладеного виконання (Deferred Execution) та архітектури мікровіртуальної машини (Micro-VM). Pharos Network, як модульна, повноцінна паралельна L1 блокчейн-мережа, має механізм паралельних обчислень, відомий як "Rollup Mesh". Ця архітектура підтримує співпрацю між основною мережею та спеціалізованими обробними мережами (SPNs), підтримує багатовіртуальне середовище (EVM та Wasm) та інтегрує передові технології, такі як нульові знання (ZK) та середовище довіреного виконання (TEE).

Аналіз механізму паралельних обчислень Rollup Mesh:

1. Повний життєвий цикл асинхронної конвеєрної обробки (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos розділяє різні етапи транзакції (такі як консенсус, виконання, зберігання) та використовує асинхронний підхід, що дозволяє кожному етапу працювати незалежно та паралельно, тим самим підвищуючи загальну ефективність обробки.
2. Паралельне виконання двох віртуальних машин (Dual VM Parallel Execution): Pharos підтримує два середовища віртуальних машин EVM та WASM, що дозволяє розробникам вибирати відповідне середовище виконання відповідно до потреб. Ця архітектура з двома віртуальними машинами не тільки підвищує гнучкість системи, але й підвищує здатність обробки транзакцій шляхом паралельного виконання.
3. Спеціалізовані мережі (SPNs): SPNs є ключовими компонентами архітектури Pharos, подібно до модульних підмереж, які спеціально призначені для обробки певних типів завдань або застосувань. Завдяки SPNs, Pharos може реалізувати динамічний розподіл ресурсів та паралельну обробку завдань, що подальше підвищує масштабованість та продуктивність системи.
4. Модульна консенсусна модель та відновлення