Panorama de la pista de cálculo paralelo en Web3: desde la compatibilidad con EVM hasta las innovaciones en el rendimiento de la ejecución asíncrona

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

I. Introducción: El tema eterno de la escalabilidad de la blockchain

El "trilema de blockchain" revela la esencia de los compromisos en el diseño de sistemas blockchain, donde es difícil para los proyectos de blockchain lograr simultáneamente "máxima seguridad, participación universal y procesamiento rápido". En cuanto a la "escalabilidad", un tema eterno, las soluciones de escalado de blockchain en el mercado actual se clasifican según paradigmas, incluyendo:

  • Ejecución de expansión mejorada: aumentar la capacidad de ejecución en el lugar, como la paralelización, GPU, múltiples núcleos.
  • Escalado por aislamiento de estado: división horizontal del estado/Shard, como fragmentos, UTXO, múltiples subredes
  • Escalado tipo outsourcing fuera de la cadena: llevar la ejecución fuera de la cadena, por ejemplo Rollup, Coprocesador, DA
  • Escalado desacoplado por estructura: modularidad en la arquitectura, funcionamiento colaborativo, por ejemplo, cadenas modulares, ordenadores compartidos, Rollup Mesh
  • Escalado de tipo concurrente asíncrono: modelo Actor, aislamiento de procesos, impulsado por mensajes, como agentes, cadena asíncrona multihilo

Las soluciones de escalabilidad 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, siendo un sistema completo de escalabilidad "multicapa y modular". Este artículo se centra en las soluciones de escalabilidad que tienen la computación paralela como enfoque principal.

Paralelismo intra-cadena (, que se centra en la ejecución paralela de transacciones/instrucciones dentro del bloque. Según el mecanismo de paralelismo, su forma de escalado se puede 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 también en aumento.

  • Paralelismo a nivel de cuenta (Account-level): representa el proyecto Solana
  • Paralelismo a nivel de objeto (Object-level): representa el proyecto Sui
  • Paralelismo a nivel de transacción (Transaction-level): representa el proyecto Monad, Aptos
  • Llamada de nivel / MicroVM 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 computación paralela. Como un sistema de mensajes asíncronos entre cadenas (modelo de no sincronización de bloques), cada agente actúa como un "proceso inteligente independiente", manejando mensajes de forma asíncrona en paralelo, impulsado por eventos y sin necesidad de programación de sincronización. Proyectos representativos incluyen AO, ICP, Cartesi, entre otros.

Los conocidos Rollup o esquemas de escalado por fragmentación son mecanismos de concurrencia a nivel de sistema, y no pertenecen al cálculo paralelo dentro de la cadena. Implementan 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 son el enfoque principal de este artículo, pero aún así las utilizaremos para comparar las similitudes y diferencias en las concepciones arquitectónicas.

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Dos, Cadena de mejora paralela 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 de rendimiento en 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 ecológico más fuertes en la actualidad. Por lo tanto, las cadenas paralelas de la serie EVM, que equilibran la compatibilidad ecológica y la mejora del rendimiento de ejecución, se están convirtiendo en una dirección clave para la evolución de la próxima ronda de escalado. Monad y MegaETH son los proyectos más representativos en esta dirección, que construyen arquitecturas de procesamiento paralelo de EVM orientadas a escenarios de alta concurrencia y alto rendimiento, partiendo de la ejecución con retraso y la descomposición de 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 dedicado (MonadDB) para lograr una optimización de extremo a extremo.

Pipelining: Mecanismo de ejecución paralela de múltiples etapas

El Pipelining es el concepto básico de la ejecución paralela de Monads, y su idea central es descomponer el proceso de ejecución de la blockchain en múltiples etapas independientes y procesarlas en paralelo, formando una arquitectura de tubería tridimensional. Cada etapa se ejecuta en hilos o núcleos independientes, logrando un procesamiento concurrente entre bloques, y finalmente alcanzando un aumento en el rendimiento y una disminución de la latencia. Estas etapas incluyen: propuesta de transacción (Propose), consenso alcanzado (Consensus), ejecución de transacciones (Execution) y compromiso de bloques (Commit).

Ejecución Asincrónica: Desacoplamiento Asincrónico de Consenso y Ejecución

En las cadenas tradicionales, el consenso y la ejecución de las transacciones suelen ser procesos síncronos, y este modelo en serie limita seriamente 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 asíncrona". 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 tasa de utilización de recursos.

Diseño central:

  • El proceso de consenso (capa de consenso) solo se encarga de ordenar las transacciones y no ejecuta la lógica de los contratos.
  • El proceso de ejecución (capa de ejecución) se activa de forma asíncrona después de que se complete el consenso.
  • Después de completar el consenso, 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 estrictamente secuencial para evitar conflictos de estado. En cambio, Monad adopta una estrategia de "ejecución paralela optimista", lo que mejora drásticamente 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 en serie para garantizar la corrección del estado.

Monad eligió un camino compatible: mueve lo menos posible las reglas de EVM, logrando paralelismo a través de la escritura diferida de estados y la detección dinámica de conflictos durante la ejecución, pareciendo más una versión de rendimiento de Ethereum, con buena madurez que facilita la migración del ecosistema EVM, siendo un acelerador de paralelismo en el mundo EVM.

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) Análisis del mecanismo de cálculo paralelo de MegaETH

A diferencia de la posición 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 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 ejecución de alta concurrencia dentro de la cadena y una capacidad de respuesta de baja latencia. La innovación clave propuesta por MegaETH radica en: la arquitectura Micro-VM + DAG de Dependencia de Estado (State Dependency DAG) y el mecanismo de sincronización modular, que juntos construyen un sistema de ejecución paralela orientado a "hilos dentro de la cadena".

Arquitectura Micro-VM (micro máquina virtual): cuenta es 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 a través de mensajes asíncronos (Asynchronous Messaging), en lugar de llamadas sincrónicas, permitiendo que un gran número de VM se ejecuten de manera independiente y almacenen de manera independiente, lo que permite la paralelización natural.

Dependencia de 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. El sistema mantiene en tiempo real un gráfico de dependencias global (Dependency Graph), modelando todas las transacciones que modifican o leen cuentas como relaciones de dependencia. Las transacciones sin conflictos se pueden ejecutar en paralelo directamente, mientras que las transacciones con relaciones de dependencia se programarán en orden topológico de forma secuencial o se retrasarán. El gráfico de dependencias asegura 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 EVM de un solo hilo, realizando un encapsulamiento de micromáquinas virtuales a nivel de cuenta, programando transacciones a través de un gráfico de dependencias de estado y reemplazando la pila de llamadas síncronas con un mecanismo de mensajes asíncronos. 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 a nivel de paradigma para construir sistemas de próxima generación de alta rendimiento en cadena.

MegaETH ha elegido un camino de reconstrucción: abstraer completamente las cuentas y los contratos en una VM independiente, liberando así un potencial de paralelismo extremo a través de la programación de ejecución asíncrona. 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.

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La filosofía de diseño de Monad y MegaETH es bastante diferente de la fragmentación (Sharding): la fragmentación divide la blockchain en múltiples cadenas laterales independientes (fragmentos Shards), cada una de las cuales es responsable de parte de las transacciones y el estado, rompiendo la limitación de una sola cadena para escalar a nivel de red; mientras que tanto Monad como MegaETH mantienen la integridad de la cadena única, ampliando horizontalmente solo en la capa de ejecución, optimizando la ejecución paralela extrema dentro de la cadena única para romper el rendimiento. Ambos representan dos direcciones en el camino de escalamiento de blockchain: el refuerzo vertical y la expansión horizontal.

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 un procesamiento paralelo a nivel de transacción o cuenta a través de la ejecución diferida (Deferred Execution) y la arquitectura de micromáquinas virtuales (Micro-VM). Por otro lado, 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 soporta un entorno de múltiples máquinas virtuales (EVM y Wasm) mediante el trabajo conjunto de la red principal y redes de procesamiento especializadas (SPNs), 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 de tuberías asíncronas de ciclo de vida completo (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos desacopla las diferentes etapas de la transacción (como consenso, ejecución, almacenamiento) y utiliza un enfoque de procesamiento asíncrono, lo que permite que cada etapa se realice de manera independiente y en paralelo, mejorando así la eficiencia general del procesamiento.
  2. Ejecución Paralela de Doble Máquina Virtual (Dual VM Parallel Execution): Pharos soporta 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 mediante la ejecución paralela.
  3. Redes de Procesamiento Especial (SPNs): Los SPNs son componentes clave de la arquitectura Pharos, similares a subredes modularizadas, diseñados 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 introduce un mecanismo de consenso flexible que admite múltiples modelos de consenso (como PBFT, PoS, PoA) y logra un intercambio seguro y una integración de recursos entre la mainnet y los SPNs a través del protocolo de restaking.

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Además, Pharos utiliza árboles de Merkle de múltiples versiones, codificación diferencial (Delta Encoding), versiones

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MevHuntervip
· hace14h
Vamos a minar con una GPU, ¿qué más hay que discutir?
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TrustMeBrovip
· hace17h
¿Otra nueva concepto para tomar a la gente por tonta?
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SelfMadeRuggeevip
· hace17h
Participar en este tipo de discusiones no tiene sentido. Si realmente tuvieran tanto contenido, ya estarían ricos.
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LiquidationWatchervip
· hace17h
omg otra solución de escalado... ¿no hemos visto esta película antes? el ptsd de 2022 todavía duele, no voy a mentir
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MidnightGenesisvip
· hace18h
El código nunca miente... Los datos on-chain son la verdad. El despliegue secreto a las 2 de la madrugada siempre es tan sospechoso. ¿Quién está manipulando el mercado?
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