Panorama del ecosistema de computación paralela en Web3: de la compatibilidad con EVM a la evolución de arquitecturas modularizadas

Mapa panorámico de la pista de cálculo paralelo de Web3: ¿la mejor solución de escalado nativo?

I. Introducción: Aplicaciones de la computación paralela en blockchain

El "trilema de blockchain" (Blockchain Trilemma) de la blockchain, que abarca "seguridad", "descentralización" y "escalabilidad", revela el compromiso esencial en el diseño de sistemas de blockchain, es decir, que es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En cuanto a la "escalabilidad", este tema eterno, las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según paradigmas, incluyendo:

  • Ejecución de escalado mejorado: mejorar la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU, múltiples núcleos
  • Escalado de aislamiento de estado: división horizontal del estado / Shard, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado fuera de la cadena tipo outsourcing: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo, Rollup, Coprocesador, DA
  • Expansión de desacoplamiento de estructura: modularidad de la arquitectura, operación colaborativa, como cadenas de módulos, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado asíncrono y concurrente: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, por ejemplo, agentes, cadena asíncrona multihilo.

Las soluciones de escalado de blockchain incluyen: cálculo paralelo 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 "colaborativo en múltiples capas y combinación de módulos". Este artículo se centra en las formas de escalado con cálculo paralelo como enfoque principal.

Cálculo paralelo intra-cadena (intra-chain parallelism), enfocado en la ejecución paralela de transacciones / instrucciones dentro de un bloque. Según el mecanismo de paralelismo, sus métodos de escalabilidad se pueden dividir en cinco grandes categorías, cada una representando diferentes objetivos de rendimiento, modelos de desarrollo y filosofías de arquitectura, donde el grado de paralelismo se vuelve cada vez más fino, la intensidad de paralelismo aumenta, la complejidad de programación también aumenta, y la complejidad de implementación se vuelve cada vez mayor.

  • 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 los proyectos Monad, Aptos
  • Nivel de llamada / Micro VM en paralelo (Call-level / MicroVM): representa el proyecto MegaETH
  • Paralelismo a nivel de instrucción (Instruction-level): representa el proyecto GatlingX

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

Los conocidos Rollup o esquemas de escalado por fragmentación pertenecen a mecanismos de concurrencia a nivel de sistema y no a la computación paralela dentro de la cadena. Logran la escalabilidad "ejecutando múltiples cadenas / dominios de ejecución en paralelo" en lugar de aumentar la paralelización dentro de un solo bloque / máquina virtual. Este tipo de esquemas de escalado no es el enfoque principal de este artículo, pero aún así lo utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en las ideas arquitectónicas.

Web3 panorama del campo de cómputo paralelo: ¿la mejor solución de escalado nativo?

Dos, Cadenas paralelas mejoradas de 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 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, EVM y Solidity siguen siendo las plataformas de contratos inteligentes con la base de desarrolladores y el potencial ecológico más sólidos en la actualidad. Por lo tanto, la cadena de mejora paralela de la serie EVM, que equilibra la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, se está convirtiendo en una dirección importante en esta nueva ronda de evolución del escalado. 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, a partir de la ejecución retrasada y la descomposición del estado, 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 concurrencia 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 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 Monad, cuya idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesarlas en paralelo, formando una arquitectura de tuberías tridimensional. Cada etapa se ejecuta en un hilo o núcleo independiente, logrando un procesamiento concurrente entre bloques y, en última instancia, aumentando el rendimiento y reduciendo la latencia. Estas etapas incluyen: Propuesta de transacción (Propose), Alcance de consenso (Consensus), Ejecución de transacciones (Execution) y Compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Consenso - Desacoplamiento Asincrónico de la 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 asincronía en la capa de consenso, la capa de ejecución y el almacenamiento a través de la "ejecución asincrónica". Esto reduce significativamente el tiempo de bloque y la latencia de confirmación, haciendo que el sistema sea más resiliente, con procesos más segmentados y una mayor eficiencia en el uso de recursos.

Diseño central:

  • El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones, no de ejecutar la lógica del contrato.
  • El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete el consenso.
  • Una vez completado el consenso, se entra 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 de transacciones 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 optimistamente 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, se volverán a ejecutar las transacciones en conflicto de forma serializada para garantizar la corrección del estado.

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

¿La mejor solución de escalado nativo? Panorama del sector de computación paralela de Web3

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

A diferencia de la ubicación L1 de Monad, MegaETH se posiciona como una capa de ejecución modular de alto rendimiento y 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 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 pueden programar de forma independiente, para lograr una ejecución concurrente de alta capacidad y una respuesta de baja latencia dentro de la cadena. La innovación clave propuesta por 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 (micro máquina virtual): la cuenta es el hilo

MegaETH introduce el modelo de ejecución "una Micro-VM por cuenta", 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 mensajes asíncronos, en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que una gran cantidad de VM se ejecute de manera independiente y almacene de forma independiente, siendo inherentemente paralelas.

Dependencia de Estado DAG: mecanismo de programación impulsado por gráfico de dependencias

MegaETH ha construido un sistema de programación DAG basado en relaciones de acceso al estado de las cuentas, 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 se pueden ejecutar en paralelo, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán y ordenarán de manera secuencial o se retrasarán según el orden topológico. El gráfico de dependencias garantiza la consistencia del estado y la no escritura duplicada durante el proceso de ejecución paralela.

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 micro máquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencia de estado, y utilizando un mecanismo de mensajería asíncrona en lugar de una pila de llamadas sincrónicas. Es una plataforma de computación paralela rediseñada desde la "estructura de cuenta → arquitectura de programación → flujo de ejecución", que proporciona nuevas ideas a nivel de paradigma para construir sistemas de alta rendimiento en la cadena de próxima generación.

MegaETH eligió 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 más difícil de controlar en términos de complejidad, pareciendo más un sistema operativo superdistribuido bajo la filosofía de Ethereum.

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

La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la blockchain horizontalmente en múltiples subcadenas independientes (fragmentos Shards), cada subcadena se encarga de parte de las transacciones y el estado, rompiendo las limitaciones de una sola cadena en la expansión a nivel de red; mientras que Monad y MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, expandiéndose horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la cadena única para superar el rendimiento. Ambos representan las dos direcciones de refuerzo vertical y expansión horizontal en el camino de escalado de la blockchain.

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, logrando el procesamiento paralelo a nivel de transacciones o cuentas a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micro máquina virtual (Micro-VM). Pharos Network, como una red de blockchain L1 modular y de pila completa, tiene un mecanismo de computación paralela central conocido como "Rollup Mesh". Esta arquitectura, a través del trabajo conjunto de la red principal y las redes de procesamiento especial (SPNs), admite un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm), e integra tecnologías avanzadas como pruebas de conocimiento cero (ZK) y entornos de ejecución confiables (TEE).

Análisis del mecanismo de cálculo paralelo Rollup Mesh:

  1. Procesamiento asíncrono de tuberías de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diferentes etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un método de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia del procesamiento general.
  2. Ejecución Paralela de Doble Máquina Virtual (Dual VM Parallel Execution): 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. Redes de Procesamiento Especial (SPNs): Las SPNs son componentes clave de la arquitectura Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñadas específicamente para manejar tipos particulares de tareas o aplicaciones. A través de las 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 introduce un mecanismo de consenso flexible que admite múltiples modelos de consenso (como PBFT
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WalletDetectivevip
· hace18h
¿Unholy Trinity? ¿Aún estás soñando con cosas buenas~
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SerumSqueezervip
· hace18h
Es demasiado teórico, mejor medir directamente el TPS.
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CrashHotlinevip
· hace18h
Dijo durante medio día, pero al final solo aprendió de ETH.
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CryptoAdventurervip
· hace18h
Escuchar lo que dices me ha hecho entender tres trampas para ser engañados.
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