Huobi Wachstumsakademie| Web3 Parallel Computing – Ausführlicher Forschungsbericht: Der ultimative Weg zur nativen Skalierung

1. Einleitung: Skalierung ist eine ewige Angelegenheit, und Parallelität ist das ultimative Schlachtfeld

Seit der Geburt von Bitcoin stand das Blockchain-System immer vor einem unvermeidlichen Kernproblem: der Skalierung. Bitcoin verarbeitet weniger als 10 Transaktionen pro Sekunde, und Ethereum hat Mühe, den Leistungsengpass von Dutzenden von TPS (Transaktionen pro Sekunde) zu durchbrechen, was in der traditionellen Web2-Welt, die oft Zehntausende von TPS beträgt, besonders umständlich ist. Noch wichtiger ist, dass es sich nicht um ein einfaches Problem handelt, das durch das "Hinzufügen von Servern" gelöst werden kann, sondern um eine systemische Einschränkung, die tief in den zugrunde liegenden Konsens und das strukturelle Design der Blockchain eingebettet ist - das heißt, das unmögliche Dreieck der Blockchain, in dem "Dezentralisierung, Sicherheit und Skalierbarkeit" nicht kombiniert werden können.

In den letzten zehn Jahren haben wir unzählige Expansionsversuche auf und ab erlebt. Vom Bitcoin-Skalierungskrieg bis zur Ethereum-Sharding-Vision, von staatlichen Kanälen und Plasma bis hin zu Rollups und modularen Blockchains, von der Off-Chain-Ausführung in Layer 2 bis zum strukturellen Refactoring der Datenverfügbarkeit hat sich die gesamte Branche auf einen Weg der Skalierung voller technischer Vorstellungskraft begeben. Als das am weitesten verbreitete Skalierungsparadigma hat Rollup das Ziel erreicht, TPS deutlich zu erhöhen und gleichzeitig den Ausführungsaufwand der Hauptkette zu reduzieren und die Sicherheit von Ethereum zu wahren. Aber es berührt nicht die wirklichen Grenzen der zugrunde liegenden "Single-Chain-Performance" der Blockchain, insbesondere auf der Ausführungsebene, d. h. dem Durchsatz des Blocks selbst – der immer noch durch das alte Verarbeitungsparadigma der seriellen On-Chain-Berechnung begrenzt ist.

Aus diesem Grund ist das parallele In-Chain-Computing nach und nach in das Blickfeld der Branche gerückt. Anders als bei der Off-Chain-Skalierung und der Cross-Chain-Verteilung versucht die Intra-Chain-Parallelität, die Ausführungs-Engine vollständig zu rekonstruieren, während die Single-Chain-Atomität und die integrierte Struktur erhalten bleiben, und wertet die Blockchain von einem Single-Thread-Modus der "seriellen Ausführung einer Transaktion nach der anderen" zu einem High-Concurrency-Computing-System mit "Multi-Threading + Pipeline + Abhängigkeitsplanung" unter Anleitung des modernen Betriebssystem- und CPU-Designs auf. Ein solcher Weg kann nicht nur eine hundertfache Steigerung des Durchsatzes erreichen, sondern auch zu einer wichtigen Voraussetzung für die Explosion von Smart-Contract-Anwendungen werden.

Tatsächlich ist Single-Threaded Computing im Web2-Computing-Paradigma längst durch moderne Hardwarearchitekturen eliminiert und durch einen endlosen Strom von Optimierungsmodellen wie parallele Programmierung, asynchrone Planung, Thread-Pools und Microservices ersetzt worden. Blockchain, als primitiveres und konservativeres Rechensystem mit extrem hohen Anforderungen an Sicherheit und Überprüfbarkeit, war nie in der Lage, diese Ideen des parallelen Rechnens voll auszuschöpfen. Dies ist sowohl eine Einschränkung als auch eine Chance. Neue Ketten wie Solana, Sui und Aptos sind die ersten, die diese Erkundung beginnen, indem sie Parallelität auf architektonischer Ebene einführen. Aufstrebende Projekte wie Monad und MegaETH haben die On-Chain-Parallelität weiter zu Durchbrüchen bei tiefgreifenden Mechanismen wie Pipeline-Ausführung, optimistischer Parallelität und asynchroner nachrichtengesteuerter Technologie geführt und zeigen Merkmale, die sich immer mehr modernen Betriebssystemen annähern.

Man kann sagen, dass paralleles Rechnen nicht nur eine "Methode zur Leistungsoptimierung" ist, sondern auch ein Wendepunkt im Paradigma des Blockchain-Ausführungsmodells. Es stellt die grundlegenden Muster der Smart-Contract-Ausführung in Frage und definiert die grundlegende Logik der Transaktionsverpackung, des Zustandszugriffs, der Aufrufbeziehungen und des Speicherlayouts neu. Wenn Rollup "Transaktionen auf Off-Chain-Ausführung umstellen" bedeutet, dann ist On-Chain-Parallelität "Aufbau von Supercomputing-Kernen in der Kette", und sein Ziel ist nicht nur die Verbesserung des Durchsatzes, sondern die Bereitstellung einer wirklich nachhaltigen Infrastrukturunterstützung für zukünftige Web3-native Anwendungen (Hochfrequenzhandel, Game-Engines, KI-Modellausführung, On-Chain-Social usw.).

Nachdem die Rollup-Spur allmählich tendenziell homogen ist, wird die Intra-Chain-Parallelität still und leise zur entscheidenden Variablen des neuen Zyklus des Layer-1-Wettbewerbs. Performance ist nicht mehr nur "schneller", sondern die Möglichkeit, eine ganze heterogene Anwendungswelt unterstützen zu können. Dies ist nicht nur ein technisches Rennen, sondern auch ein Paradigmenkampf. Die nächste Generation von souveränen Ausführungsplattformen in der Web3-Welt wird wahrscheinlich aus diesem parallelen Ringen innerhalb der Kette hervorgehen.

2. Panorama des Expansionsparadigmas:

Als eines der wichtigsten, nachhaltigsten und schwierigsten Themen in der Entwicklung der Public-Chain-Technologie haben fünf Arten von Routen, jeder mit seinem eigenen Schwerpunkt auf Expansion, in den letzten zehn Jahren die Entstehung und Evolution fast aller Mainstream-Technologiepfade hervorgebracht. Ausgehend von der Schlacht um die Blockgröße von Bitcoin unterteilte sich dieser technische Wettbewerb zum Thema "Wie man die Kette schneller laufen lässt" schließlich in fünf grundlegende Routen, von denen jede aus einem anderen Blickwinkel in den Engpass schneidet, mit ihrer eigenen technischen Philosophie, Landeschwierigkeit, ihrem eigenen Risikomodell und anwendbaren Szenarien.

der erste Weg die einfachste On-Chain-Skalierung, die Möglichkeiten darstellt, die Blockgröße zu erhöhen, die Blockzeit zu verkürzen oder die Verarbeitungsleistung durch Optimierung der Datenstruktur und des Konsensmechanismus zu verbessern. Dieser Ansatz stand im Mittelpunkt der Bitcoin-Skalierungsdebatte, was zu "Big Block"-Forks wie BCH und BSV führte und auch die Designideen früher Hochleistungs-Public-Chains wie EOS und NEO beeinflusste. Der Vorteil dieser Art von Route besteht darin, dass sie die Einfachheit der Single-Chain-Konsistenz beibehält, die leicht zu verstehen und zu implementieren ist, aber es ist auch sehr einfach, die systemische Obergrenze wie das Zentralisierungsrisiko, steigende Knotenbetriebskosten und erhöhte Synchronisationsschwierigkeiten zu berühren, so dass es nicht mehr die Mainstream-Kernlösung im heutigen Design ist, sondern eher zu einer zusätzlichen Kollokation anderer Mechanismen geworden ist.

Die zweite Art von Route ist die Off-Chain-Skalierung, die durch Statuskanäle und Sidechains dargestellt wird. Die Grundidee dieser Art von Pfad besteht darin, den größten Teil der Transaktionsaktivität außerhalb der Kette zu verlagern und nur das Endergebnis in die Hauptkette zu schreiben, die als Endabwicklungsschicht fungiert. In Bezug auf die technische Philosophie ist es nahe an der asynchronen Architektur von Web2 - versuchen Sie, eine schwere Transaktionsverarbeitung an der Peripherie zu belassen, und die Hauptkette führt nur eine minimale vertrauenswürdige Überprüfung durch. Obwohl diese Idee theoretisch unendlich skalierbar sein kann, schränken das Vertrauensmodell, die Fondssicherheit und die Interaktionskomplexität von Off-Chain-Transaktionen ihre Anwendung ein. Obwohl beispielsweise das Lightning Network eine klare Positionierung der Finanzszenarien hat, ist die Größe des Ökosystems nie explodiert. Mehrere Sidechain-basierte Designs, wie z. B. Polygon POS, haben jedoch nicht nur einen hohen Durchsatz, sondern zeigen auch die Nachteile einer schwierigen Vererbung der Sicherheit der Hauptkette auf.

Der dritte Routentyp ist die beliebteste und am weitesten verbreitete Layer-2-Rolluproute. Diese Methode ändert nicht direkt die Hauptkette selbst, sondern skaliert durch den Mechanismus der Off-Chain-Ausführung und der On-Chain-Verifizierung. Optimistic Rollup und ZK Rollup haben ihre eigenen Vorteile: Ersteres ist schnell zu implementieren und hochgradig kompatibel, hat aber die Probleme der Verzögerung der Anfechtungsfrist und des Betrugsschutzmechanismus; Letzteres verfügt über hohe Sicherheits- und gute Datenkomprimierungsfunktionen, ist jedoch komplex in der Entwicklung und es fehlt an EVM-Kompatibilität. Unabhängig von der Art des Rollups besteht das Wesentliche darin, die Ausführungsleistung auszulagern, während Daten und Verifizierung auf der Hauptkette verbleiben, um ein relatives Gleichgewicht zwischen Dezentralisierung und hoher Leistung zu erreichen. Das rasante Wachstum von Projekten wie Arbitrum, Optimism, zkSync und StarkNet beweist die Machbarkeit dieses Weges, legt aber auch mittelfristige Engpässe wie übermäßige Abhängigkeit von Datenverfügbarkeit (DA), hohe Kosten und fragmentierte Entwicklungserfahrung offen.

Die vierte Art von Weg ist die modulare Blockchain-Architektur, die in den letzten Jahren entstanden ist, wie z. B. Celestia, Avail, EigenLayer usw. Das modulare Paradigma befürwortet die vollständige Entkopplung der Kernfunktionen der Blockchain - Ausführung, Konsens, Datenverfügbarkeit und Abwicklung - durch mehrere spezialisierte Ketten, um verschiedene Funktionen auszuführen und sie dann zu einem skalierbaren Netzwerk mit einem Cross-Chain-Protokoll zu kombinieren. Diese Richtung wird stark von der modularen Architektur des Betriebssystems und dem Konzept der Cloud-Computing-Composability beeinflusst, die den Vorteil hat, Systemkomponenten flexibel austauschen zu können und die Effizienz in bestimmten Bereichen wie der DA stark zu verbessern. Die Herausforderungen liegen jedoch auch auf der Hand: Die Kosten für die Synchronisation, Verifizierung und das gegenseitige Vertrauen zwischen den Systemen nach der Modulentkopplung sind extrem hoch, das Entwickler-Ökosystem ist extrem fragmentiert und die Anforderungen an mittel- und langfristige Protokollstandards und Cross-Chain-Sicherheit sind viel höher als bei traditionellem Chain-Design. Im Wesentlichen baut dieses Modell keine "Kette" mehr auf, sondern ein "Kettennetzwerk", das eine beispiellose Schwelle für das Verständnis der Gesamtarchitektur sowie den Betrieb und die Wartung darstellt.

Die letzte Art von Route, die im Mittelpunkt der anschließenden Analyse in diesem Artikel steht, ist der Intra-Chain-Parallel-Computing-Optimierungspfad. Im Gegensatz zu den ersten vier Arten der "horizontalen Aufteilung", die hauptsächlich eine "horizontale Aufteilung" von der strukturellen Ebene aus durchführen, betont das parallele Rechnen das "vertikale Aufwertung", d.h. die gleichzeitige Verarbeitung atomarer Transaktionen wird durch Ändern der Architektur der Ausführungsmaschine innerhalb einer einzigen Kette realisiert. Dies erfordert das Umschreiben der VM-Planungslogik und die Einführung eines vollständigen Satzes moderner Planungsmechanismen für Computersysteme, z. B. Transaktionsabhängigkeitsanalyse, Vorhersage von Zustandskonflikten, Parallelitätssteuerung und asynchrone Aufrufe. Solana ist das erste Projekt, das das Konzept der parallelen VM in ein System auf Kettenebene implementiert, das eine parallele Ausführung mit mehreren Kernen durch die Beurteilung von Transaktionskonflikten auf der Grundlage des Kontomodells realisiert. Die neue Generation von Projekten wie Monad, Sei, Fuel, MegaETH usw. versucht außerdem, innovative Ideen wie Pipeline-Ausführung, optimistische Parallelität, Speicherpartitionierung und parallele Entkopplung einzuführen, um Hochleistungs-Ausführungskerne ähnlich wie bei modernen CPUs zu bauen. Der Kernvorteil dieser Richtung besteht darin, dass sie nicht auf die Multi-Chain-Architektur angewiesen ist, um einen Durchbruch bei der Durchsatzgrenze zu erzielen, und gleichzeitig eine ausreichende Rechenflexibilität für die Ausführung komplexer Smart Contracts bietet, was eine wichtige technische Voraussetzung für zukünftige Anwendungsszenarien wie AI Agent, groß angelegte Kettenspiele und hochfrequente Derivate ist.

Betrachtet man die oben genannten fünf Arten von Skalierungspfaden, so ist die Unterscheidung dahinter eigentlich der systematische Kompromiss zwischen Leistung, Composability, Sicherheit und Entwicklungskomplexität der Blockchain. Rollup ist stark in Bezug auf Konsens-Outsourcing und sichere Vererbung, Modularität unterstreicht strukturelle Flexibilität und Wiederverwendung von Komponenten, Off-Chain-Skalierung versucht, den Engpass der Hauptkette zu durchbrechen, aber die Vertrauenskosten sind hoch, und Intra-Chain-Parallelität konzentriert sich auf die grundlegende Aufrüstung der Ausführungsschicht und versucht, sich der Leistungsgrenze moderner verteilter Systeme zu nähern, ohne die Konsistenz der Kette zu zerstören. Es ist unmöglich, dass jeder Weg alle Probleme löst, aber es sind diese Richtungen, die zusammen ein Panorama des Web3-Computing-Paradigmen-Upgrades bilden und Entwicklern, Architekten und Investoren äußerst reichhaltige strategische Optionen bieten.

So wie sich das Betriebssystem von Single-Core zu Multi-Core gewandelt hat und sich Datenbanken von sequentiellen Indizes zu gleichzeitigen Transaktionen entwickelt haben, wird sich die Expansion von Web3 schließlich in eine hochgradig parallele Ausführungsära bewegen. In dieser Ära ist Leistung nicht mehr nur ein Kettengeschwindigkeitsrennen, sondern eine umfassende Verkörperung der zugrunde liegenden Designphilosophie, des tiefgreifenden Architekturverständnisses, der Zusammenarbeit von Software und Hardware und der Systemsteuerung. Und Intra-Chain-Parallelität könnte das ultimative Schlachtfeld dieses langfristigen Krieges sein.

3. Klassifizierungsdiagramm für paralleles Computing: fünf Wege vom Konto zur AnweisungIm

Zusammenhang mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Blockchain-Skalierungstechnologie ist paralleles Computing allmählich zum Kernpfad für Leistungsdurchbrüche geworden. Anders als bei der horizontalen Entkopplung der Strukturschicht, der Netzwerkschicht oder der Datenverfügbarkeitsschicht handelt es sich beim parallelen Rechnen um ein tiefes Mining auf der Ausführungsschicht, das mit der niedrigsten Logik der Betriebseffizienz der Blockchain zusammenhängt und die Reaktionsgeschwindigkeit und Verarbeitungskapazität eines Blockchain-Systems angesichts hoher Parallelität und komplexer Transaktionen mit mehreren Typen bestimmt. Ausgehend vom Ausführungsmodell und einem Überblick über die Entwicklung dieser Technologielinie können wir eine klare Klassifizierungskarte des parallelen Rechnens erstellen, die grob in fünf technische Pfade unterteilt werden kann: Parallelität auf Kontoebene, Parallelität auf Objektebene, Parallelität auf Transaktionsebene, Parallelität auf virtueller Maschinenebene und Parallelität auf Anweisungsebene. Diese fünf Arten von Pfaden, von grobkörnig bis feinkörnig, sind nicht nur der kontinuierliche Verfeinerungsprozess der parallelen Logik, sondern auch der Weg der zunehmenden Systemkomplexität und Planungsschwierigkeit.