Raport z dogłębnych badań nad obliczeniami równoległymi Web3: ostateczna droga do natywnego skalowania

1. Wprowadzenie: Skalowanie jest wieczną propozycją, a równoległość jest ostatecznym polem bitwy

Od narodzin Bitcoina system blockchain zawsze borykał się z nieuniknionym podstawowym problemem: skalowaniem. Bitcoin przetwarza mniej niż 10 transakcji na sekundę, a Ethereum ma trudności z przebiciem się przez wąskie gardło wydajności dziesiątek TPS (transakcji na sekundę), co jest szczególnie uciążliwe w tradycyjnym świecie Web2, gdzie często używane są dziesiątki tysięcy TPS. Co ważniejsze, nie jest to prosty problem, który można rozwiązać poprzez "dodawanie serwerów", ale ograniczenie systemowe głęboko osadzone w podstawowym konsensusie i projekcie strukturalnym blockchaina - czyli niemożliwym trójkącie łańcucha bloków, w którym nie można połączyć "decentralizacji, bezpieczeństwa i skalowalności".

W ciągu ostatniej dekady byliśmy świadkami niezliczonych prób ekspansji, które wznosiły się i upadały. Od wojny o skalowanie Bitcoina po wizję shardingu Ethereum, od kanałów stanowych i plazmy po rollupy i modułowe blockchainy, od realizacji poza łańcuchem w warstwie 2 po strukturalną refaktoryzację dostępności danych, cała branża wkroczyła na ścieżkę skalowania pełną inżynieryjnej wyobraźni. Jako najszerzej akceptowany paradygmat skalowania, rollup osiągnął cel, jakim jest znaczne zwiększenie TPS przy jednoczesnym zmniejszeniu obciążenia wykonawczego głównego łańcucha i zachowaniu bezpieczeństwa Ethereum. Nie dotyka to jednak prawdziwych granic leżącej u podstaw blockchaina "wydajności pojedynczego łańcucha", zwłaszcza na poziomie wykonania, który jest przepustowością samego bloku – jest nadal ograniczony przez starożytny paradygmat przetwarzania obliczeń szeregowych w łańcuchu.

Z tego powodu przetwarzanie równoległe w łańcuchu stopniowo wkroczyło w pole widzenia branży. W odróżnieniu od skalowania poza łańcuchem i dystrybucji międzyłańcuchowej, równoległość wewnątrz łańcucha próbuje całkowicie zrekonstruować silnik wykonawczy przy zachowaniu atomowości pojedynczego łańcucha i zintegrowanej struktury, a także aktualizuje blockchain z jednowątkowego trybu "szeregowego wykonywania jednej transakcji po jednej" do systemu obliczeniowego o wysokiej współbieżności "wielowątkowość + potok + planowanie zależności" pod kierunkiem nowoczesnego systemu operacyjnego i projektu procesora. Taka ścieżka może nie tylko osiągnąć stukrotny wzrost przepustowości, ale także może stać się kluczowym warunkiem wstępnym dla eksplozji aplikacji inteligentnych kontraktów.

W rzeczywistości w paradygmacie obliczeń Web2 przetwarzanie jednowątkowe już dawno zostało wyeliminowane przez nowoczesne architektury sprzętowe i zastąpione przez niekończący się strumień modeli optymalizacji, takich jak programowanie równoległe, planowanie asynchroniczne, pule wątków i mikrousługi. Blockchain, jako bardziej prymitywny i konserwatywny system obliczeniowy o niezwykle wysokich wymaganiach dotyczących pewności i weryfikowalności, nigdy nie był w stanie w pełni wykorzystać tych pomysłów na obliczenia równoległe. Jest to zarówno ograniczenie, jak i szansa. Nowe łańcuchy, takie jak Solana, Sui i Aptos, są pierwszymi, które rozpoczynają tę eksplorację, wprowadzając równoległość na poziomie architektury. Pojawiające się projekty, takie jak Monad i MegaETH, jeszcze bardziej podniosły równoległość on-chain do przełomów w głębokich mechanizmach, takich jak wykonywanie potoków, optymistyczna współbieżność i asynchroniczne sterowanie komunikatami, wykazując cechy, które coraz bardziej zbliżają się do nowoczesnych systemów operacyjnych.

Można powiedzieć, że obliczenia równoległe to nie tylko "metoda optymalizacji wydajności", ale także punkt zwrotny w paradygmacie modelu wykonawczego blockchain. Rzuca wyzwanie podstawowym wzorcom realizacji inteligentnych kontraktów i na nowo definiuje podstawową logikę pakowania transakcji, dostępu do stanu, relacji połączeń i układu pamięci masowej. Jeśli rollup polega na "przenoszeniu transakcji do wykonania poza łańcuchem", to równoległość on-chain to "budowanie rdzeni superkomputerowych w łańcuchu", a jego celem nie jest po prostu poprawa przepustowości, ale zapewnienie prawdziwie zrównoważonego wsparcia infrastrukturalnego dla przyszłych natywnych aplikacji Web3 (handel o wysokiej częstotliwości, silniki gier, wykonywanie modeli AI, społecznościowe on-chain itp.).

Po tym, jak ścieżka rollupu stopniowo dąży do jednorodności, równoległość wewnątrz łańcucha po cichu staje się decydującą zmienną nowego cyklu konkurencji warstwy 1. Wydajność to już nie tylko "szybsza maszyna", ale możliwość obsługi całego heterogenicznego świata aplikacji. To nie tylko wyścig techniczny, ale także walka o paradygmat. Następna generacja suwerennych platform wykonawczych w świecie Web3 prawdopodobnie wyłoni się z tych równoległych zapasów wewnątrz łańcucha.

2. Panorama paradygmatu ekspansji:

Jako jeden z najważniejszych, najbardziej zrównoważonych i trudnych tematów w ewolucji technologii łańcucha publicznego, pięć rodzajów tras, z których każda koncentruje się na ekspansji, dało początek pojawieniu się i ewolucji prawie wszystkich głównych ścieżek technologicznych w ciągu ostatniej dekady. Zaczynając od bitwy o rozmiar bloku Bitcoina, ten techniczny konkurs na temat "jak przyspieszyć działanie łańcucha" ostatecznie podzielił się na pięć podstawowych tras, z których każda wcina się w wąskie gardło pod innym kątem, z własną filozofią techniczną, trudnością lądowania, modelem ryzyka i możliwymi do zastosowania scenariuszami.

pierwsza trasa to najprostsze skalowanie on-chain, które reprezentuje sposoby na zwiększenie rozmiaru bloku, skrócenie czasu bloku lub poprawę mocy obliczeniowej poprzez optymalizację struktury danych i mechanizmu konsensusu. Podejście to było przedmiotem debaty na temat skalowania Bitcoina, dając początek forkom frakcji "big block", takim jak BCH i BSV, a także wpływając na pomysły projektowe wczesnych, wysokowydajnych łańcuchów publicznych, takich jak EOS i NEO. Zaletą tego rodzaju trasy jest to, że zachowuje prostotę spójności pojedynczego łańcucha, która jest łatwa do zrozumienia i wdrożenia, ale bardzo łatwo jest również dotknąć systemowej górnej granicy, takiej jak ryzyko centralizacji, rosnące koszty operacyjne węzłów i zwiększona trudność synchronizacji, więc nie jest to już główne rozwiązanie rdzeniowe w dzisiejszym projekcie, ale stało się bardziej pomocniczą kolokacją innych mechanizmów.

Drugim typem trasy jest skalowanie poza łańcuchem, które jest reprezentowane przez kanały stanów i łańcuchy boczne. Podstawową ideą tego typu ścieżki jest przeniesienie większości aktywności transakcyjnej poza łańcuch i zapisanie tylko końcowego wyniku do głównego łańcucha, który działa jako końcowa warstwa rozliczeniowa. Pod względem filozofii technicznej jest to bliskie asynchronicznej architekturze Web2 - staraj się pozostawić ciężkie przetwarzanie transakcji na peryferiach, a główny łańcuch przeprowadza minimalną zaufaną weryfikację. Chociaż idea ta może być teoretycznie nieskończenie skalowalna, model zaufania, bezpieczeństwo funduszy i złożoność interakcji transakcji poza łańcuchem ograniczają jej zastosowanie. Na przykład, chociaż Lightning Network ma jasne pozycjonowanie scenariuszy finansowych, skala ekosystemu nigdy nie eksplodowała. Jednak wiele projektów opartych na sidechainach, takich jak Polygon POS, nie tylko ma wysoką przepustowość, ale także ujawnia wady trudnego dziedziczenia bezpieczeństwa głównego łańcucha.

Trzeci typ trasy to najpopularniejsza i najczęściej wdrażana trasa zbiorcza warstwy 2. Ta metoda nie zmienia bezpośrednio samego głównego łańcucha, ale skaluje się poprzez mechanizm realizacji poza łańcuchem i weryfikacji on-chain. Optimistic Rollup i ZK Rollup mają swoje zalety: ten pierwszy jest szybki do wdrożenia i wysoce kompatybilny, ale ma problemy z opóźnieniem w okresie kwestionowania i mechanizmem odpornym na oszustwa; Ten ostatni ma silne zabezpieczenia i dobre możliwości kompresji danych, ale jest skomplikowany do opracowania i brakuje mu kompatybilności z EVM. Bez względu na to, jaki to jest rodzaj rollupu, jego istotą jest outsourcing mocy wykonawczej, przy jednoczesnym zachowaniu danych i weryfikacji w głównym łańcuchu, osiągając względną równowagę między decentralizacją a wysoką wydajnością. Szybki rozwój projektów takich jak Arbitrum, Optimism, zkSync i StarkNet dowodzi wykonalności tej ścieżki, ale ujawnia również średnioterminowe wąskie gardła, takie jak nadmierne poleganie na dostępności danych (DA), wysokie koszty i fragmentaryczne doświadczenie w programowaniu.

Czwartym rodzajem trasy jest modułowa architektura blockchain, która pojawiła się w ostatnich latach, taka jak Celestia, Avail, EigenLayer itp. Paradygmat modułowy opowiada się za całkowitym oddzieleniem podstawowych funkcji blockchaina - wykonywania, konsensusu, dostępności danych i rozliczeń - przez wiele wyspecjalizowanych łańcuchów w celu wykonania różnych funkcji, a następnie połączenia ich w skalowalną sieć za pomocą protokołu cross-chain. Duży wpływ na ten kierunek ma modułowa architektura systemu operacyjnego oraz komponowalność chmury obliczeniowej, która ma tę zaletę, że umożliwia elastyczną wymianę komponentów systemu i znacznie poprawia wydajność w określonych obszarach, takich jak DA. Jednak wyzwania są również bardzo oczywiste: koszt synchronizacji, weryfikacji i wzajemnego zaufania między systemami po oddzieleniu modułów jest niezwykle wysoki, ekosystem programistów jest niezwykle rozdrobniony, a wymagania dotyczące średnio- i długoterminowych standardów protokołów i bezpieczeństwa cross-chain są znacznie wyższe niż w przypadku tradycyjnego projektowania łańcuchów. W istocie, model ten nie buduje już "łańcucha", ale buduje "sieć łańcuchową", co stanowi bezprecedensowy próg dla ogólnego zrozumienia architektury, obsługi i utrzymania.

Ostatnim typem trasy, na którym skupi się późniejsza analiza w tym artykule, jest wewnątrzłańcuchowa ścieżka optymalizacji obliczeń równoległych. W przeciwieństwie do pierwszych czterech typów "podziału poziomego", które przeprowadzają głównie "podział poziomy" z poziomu strukturalnego, obliczenia równoległe kładą nacisk na "ulepszenie pionowe", to znaczy jednoczesne przetwarzanie transakcji atomowych odbywa się poprzez zmianę architektury silnika wykonawczego w ramach jednego łańcucha. Wymaga to przepisania logiki planowania maszyn wirtualnych i wprowadzenia pełnego zestawu nowoczesnych mechanizmów planowania systemów komputerowych, takich jak analiza zależności transakcji, przewidywanie konfliktów stanów, kontrola równoległości i wywołania asynchroniczne. Solana jest pierwszym projektem, który implementuje koncepcję równoległej maszyny wirtualnej do systemu na poziomie łańcucha, który realizuje równoległe wykonywanie wielu rdzeni poprzez ocenę konfliktu transakcji w oparciu o model konta. Nowa generacja projektów, takich jak Monad, Sei, Fuel, MegaETH itp., próbuje dalej wprowadzać najnowocześniejsze pomysły, takie jak wykonywanie potoków, optymistyczna współbieżność, partycjonowanie pamięci masowej i równoległe rozprzęganie w celu zbudowania wysokowydajnych rdzeni wykonawczych podobnych do nowoczesnych procesorów. Główną zaletą tego kierunku jest to, że nie musi on polegać na architekturze wielołańcuchowej, aby osiągnąć przełom w limicie przepustowości, a jednocześnie zapewnia wystarczającą elastyczność obliczeniową do wykonywania złożonych inteligentnych kontraktów, co jest ważnym technicznym warunkiem wstępnym dla przyszłych scenariuszy zastosowań, takich jak AI Agent, gry łańcuchowe na dużą skalę i pochodne wysokiej częstotliwości.

Patrząc na powyższe pięć typów ścieżek skalowania, podział, który za nimi stoi, to w rzeczywistości systematyczny kompromis między wydajnością, komponowalnością, bezpieczeństwem i złożonością rozwoju blockchaina. Rollup jest silny w outsourcingu konsensusu i bezpiecznym dziedziczeniu, modułowość podkreśla elastyczność strukturalną i ponowne wykorzystanie komponentów, skalowanie poza łańcuchem próbuje przebić się przez wąskie gardło głównego łańcucha, ale koszt zaufania jest wysoki, a równoległość wewnątrz łańcucha koncentruje się na fundamentalnym ulepszeniu warstwy wykonawczej, próbując zbliżyć się do granicy wydajności nowoczesnych systemów rozproszonych bez niszczenia spójności łańcucha. Niemożliwe jest, aby każda ze ścieżek rozwiązała wszystkie problemy, ale to właśnie te kierunki razem tworzą panoramę aktualizacji paradygmatu obliczeniowego Web3, a także zapewniają deweloperom, architektom i inwestorom niezwykle bogate opcje strategiczne.

Tak jak system operacyjny przesunął się z jednordzeniowego na wielordzeniowy, a bazy danych ewoluowały od sekwencyjnych indeksów do jednoczesnych transakcji, ekspansja Web3 ostatecznie przesunie się w kierunku wysoce równoległej ery wykonawczej. W tej epoce wydajność nie jest już tylko wyścigiem prędkości łańcucha, ale kompleksowym ucieleśnieniem podstawowej filozofii projektowania, głębokiego zrozumienia architektury, współpracy oprogramowania i sprzętu oraz kontroli systemu. A równoległość wewnątrz łańcucha może być ostatecznym polem bitwy w tej długotrwałej wojnie.

3. Wykres klasyfikacyjny obliczeń równoległych: pięć ścieżek od konta do instrukcjiW

kontekście ciągłej ewolucji technologii skalowania blockchain, obliczenia równoległe stopniowo stawały się główną ścieżką przełomów w wydajności. W odróżnieniu od poziomego rozprzęgania warstwy struktury, warstwy sieciowej lub warstwy dostępności danych, przetwarzanie równoległe to głębokie wydobycie w warstwie wykonawczej, które jest związane z najniższą logiką wydajności operacyjnej łańcucha bloków i określa szybkość odpowiedzi i zdolność przetwarzania systemu blockchain w obliczu wysokiej współbieżności i wielotypowych złożonych transakcji. Wychodząc od modelu wykonawczego i dokonując przeglądu rozwoju tej linii technologicznej, możemy uporządkować przejrzystą mapę klasyfikacyjną obliczeń równoległych, którą można z grubsza podzielić na pięć ścieżek technicznych: równoległość na poziomie konta, równoległość na poziomie obiektu, równoległość na poziomie transakcji, równoległość na poziomie maszyny wirtualnej i równoległość na poziomie instrukcji. Te pięć typów ścieżek, od gruboziarnistych do drobnoziarnistych, to nie tylko ciągły proces udoskonalania logiki równoległej, ale także ścieżka rosnącej złożoności systemu i trudności w planowaniu.