O futuro do dimensionamento: um panorama das trilhas de computação paralela da Web3

Escrito por: 0xjacobzhao e ChatGPT O

"Trilema Blockchain" do 4o blockchain "segurança", "descentralização" e "escalabilidade" revelam o trade-off essencial no design de sistemas blockchain, ou seja, é difícil para os projetos blockchain alcançar "segurança extrema, todos podem participar e processamento de alta velocidade" ao mesmo tempo. Em resposta ao eterno tópico de "escalabilidade", as principais soluções de escalonamento de blockchain no mercado são divididas de acordo com paradigmas, incluindo:

• Dimensionamento aprimorado de execução: Melhorando os recursos de execução in situ, como paralelismo, GPU e dimensionamento isolado de estado multi-core

• : Estado/fragmento dividido horizontalmente, como sharding, UTXO e multi-subnet

• Dimensionamento terceirizado off-chain: Colocando a execução fora da cadeia, Por exemplo, Rollup, Coprocessador,

• dimensionamento de desacoplamento de estrutura DA: arquitetura modular, operação colaborativa, como cadeia de módulos, sequenciador compartilhado,

• dimensionamento simultâneo assíncrono de malha de rollup: modelo de ator, isolamento de processo, orientado por mensagens, como agente, cadeia assíncrona multi-threaded

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  solução de escalonamento de blockchain inclui: computação paralela on-chain, rollup, sharding, módulo DA, estrutura modular, sistema de ator, compactação de prova zk, arquitetura sem estado, etc., cobrindo vários níveis de execução, estado, dados e estrutura, e é um sistema de escalonamento completo de "colaboração multicamada e combinação de módulos". Este artigo se concentra nos métodos de dimensionamento que integram a computação paralela.

  Paralelismo intra-cadeia, que se concentra na execução paralela de transações/instruções intra-bloco. De acordo com o mecanismo paralelo, seus métodos de dimensionamento podem ser divididos em cinco categorias, cada uma das quais representa uma busca de desempenho diferente, modelo de desenvolvimento e filosofia de arquitetura, e a granularidade paralela está ficando cada vez mais fina, a intensidade do paralelismo está ficando cada vez maior, a complexidade de agendamento está ficando cada vez mais alta e a complexidade de programação e a dificuldade de implementação também estão ficando cada vez mais altas.

  • Nível da conta: representa o projeto Solana

  • Nível do objeto: representa o projeto Sui

  • Nível da transação: representa o projeto Monad, Aptos

  • Nível de chamada / MicroVM: Representa o projeto MegaETH

  • Paralelismo de nível de instrução: Representa o projeto GatlingX

  O modelo de simultaneidade assíncrona off-chain, representado pelo Modelo de Ator / Ator, pertence a outro paradigma de computação paralela, como um sistema de mensagens cross-chain/assíncrono (modelo de sincronização sem bloco), cada agente é executado de forma independente como um "processo de agente", mensagens assíncronas em modo paralelo, orientadas a eventos, sem agendamento síncrono, projetos representativos como AO, ICP, Cartesi, etc.

  O conhecido esquema de rollup ou escalonamento de fragmentos pertence ao mecanismo de simultaneidade no nível do sistema, não à computação paralela intra-cadeia. Eles alcançam o dimensionamento "executando várias cadeias/domínios de execução em paralelo", em vez de aumentar o paralelismo em um único bloco/máquina virtual. Esse tipo de solução de dimensionamento não é o foco deste artigo, mas ainda o usaremos para comparar as semelhanças e diferenças nos conceitos de arquitetura.

  Solana é uma escola de programação de engenharia, mais como um "kernel do sistema operacional", adequado para limites de estado claros, negociação de alta frequência controlável, é um estilo de engenheiro de hardware, para executar a cadeia como hardware (execução paralela de nível de hardware); O Aptos é um tolerante a falhas do sistema, mais como um "mecanismo de simultaneidade de banco de dados", adequado para sistemas de contrato com forte acoplamento de estado e cadeias de chamadas complexas. Aptos e Sui são como engenheiros de linguagem de programação, e a segurança de recursos de nível de software representa o caminho de implementação técnica da computação paralela Web3 sob diferentes filosofias.

  3.3 Cosmos SDK Parallel Scaling O Sei

  V2 é uma cadeia pública transacional de alto desempenho construída com base no Cosmos SDK, e sua capacidade de paralelismo se reflete principalmente em dois aspectos: o mecanismo de correspondência multithread (Parallel Matching Engine) e a otimização da execução paralela da camada de máquina virtual, com o objetivo de atender a cenários de transações on-chain de alta frequência e baixa latência, como DEXs de livro de pedidos, infraestrutura de exchange on-chain, etc.

  Mecanismo de paralelismo principal:

  1. mecanismo de correspondência paralela: O SEI V2 introduz um caminho de execução multithread na lógica de correspondência de pedidos, dividindo o livro de pedidos pendente e a lógica de correspondência no nível do thread, para que as tarefas de correspondência entre vários pares de negociação possam ser processadas em paralelo e evitar o gargalo de thread único.

  2. Otimização de simultaneidade no nível da máquina virtual: o Sei V2 cria um ambiente de tempo de execução CosmWasm com recursos de execução simultânea, o que permite que algumas chamadas de contrato sejam executadas em paralelo sem conflitos de estado e coopera com o mecanismo de classificação de tipo de transação para obter maior controle de taxa de transferência.

  3. Consenso paralelo e escalonamento da camada de execução: O chamado mecanismo de consenso "Twin-Turbo" é introduzido para fortalecer a taxa de transferência e o desacoplamento entre a camada de consenso e a camada de execução e melhorar a eficiência geral do processamento de blocos.

  3.4 Reformador de modelo UTXO Fuel Fuel

  é uma camada de execução de alto desempenho projetada com base na arquitetura modular do Ethereum, e seu mecanismo de paralelismo principal é derivado do modelo UTXO (Unspent Transaction Output) aprimorado. Ao contrário do modelo de conta da Ethereum, o Fuel usa uma estrutura UTXO para representar ativos e estados, que é inerentemente isolada do estado, facilitando a determinação de quais transações podem ser executadas com segurança em paralelo. Além disso, a Fuel apresenta sua linguagem de contrato inteligente autodesenvolvida Sway (semelhante ao Rust), combinada com ferramentas de análise estática, para determinar conflitos de entrada antes que as transações sejam executadas, de modo a obter um agendamento paralelo eficiente e seguro no nível da transação. É uma camada de execução alternativa EVM que equilibra desempenho e modularidade.

  4. Modelo de ator: um novo paradigma de execução simultânea

  de agentes O modelo de ator é um paradigma de execução paralela baseado em agente ou processo, que é diferente da computação síncrona tradicional de estado global na cadeia (Solana/Sui/Monad e outros cenários de "computação paralela on-chain"), que enfatiza que cada agente tem um estado e comportamento independentes e se comunica e agenda por meio de mensagens assíncronas. Sob essa arquitetura, o sistema on-chain pode ser executado simultaneamente por um grande número de processos que são desacoplados uns dos outros e tem forte escalabilidade e tolerância a falhas assíncronas. Os projetos representativos incluem AO (Arweave AO), ICP (Internet Computer) e Cartesi, que estão impulsionando a evolução do blockchain de um mecanismo de execução para um "sistema operacional on-chain", fornecendo uma infraestrutura nativa para agentes de IA, interações multitarefa e orquestração lógica complexa.

  Embora o design do Modelo de Ator seja semelhante ao fragmentação em termos de características superficiais (por exemplo, paralelismo, isolamento de estado e processamento assíncrono), os dois representam essencialmente caminhos técnicos e filosofias de sistema completamente diferentes. O Modelo de Ator enfatiza a "computação assíncrona de vários processos", em que cada agente é executado de forma independente, mantém o estado de forma independente e interage de maneira orientada por mensagens. O sharding, por outro lado, é um mecanismo de "fragmentação horizontal de estado e consenso", que divide todo o blockchain em vários subsistemas (fragmentos) que processam transações de forma independente. Os modelos de ator são mais como um "sistema operacional de agente distribuído" no mundo Web3, enquanto o sharding é uma solução de dimensionamento estrutural para recursos de processamento de transações on-chain. Ambos alcançam paralelismo, mas têm diferentes pontos de partida, metas e arquiteturas de execução.

  4.1 AO (Arweave), um computador superparalelo no topo da camada de armazenamentoAO

  é uma plataforma de computação descentralizada executada na camada de armazenamento permanente Arweave, com o objetivo principal de construir um sistema operacional on-chain que suporte a operação de agentes assíncronos em larga escala.

  Principais recursos da arquitetura:

  • Arquitetura de processo: Cada agente é chamado de processo, com estado independente, agendador independente e lógica de execução;

  • Sem estrutura de blockchain: AO não é uma cadeia, mas uma camada de armazenamento descentralizada + mecanismo de execução orientado a mensagens multiagente baseado em Arweave;

  • Sistema de agendamento de mensagens assíncronas: os processos se comunicam entre si por meio de mensagens, adotam um modelo de operação assíncrona sem bloqueio e oferecem suporte natural à expansão simultânea.

  • Armazenamento de estado permanente: Todos os estados do agente, registros de mensagens e instruções são registrados permanentemente no Arweave, garantindo total auditabilidade e transparência descentralizada.

  • Nativo do agente: é adequado para implantar tarefas complexas de várias etapas (como agentes de IA, controladores de protocolo DePIN, orquestradores automáticos de tarefas, etc.) e pode construir um "coprocessador de IA on-chain".

  O AO segue o caminho final de "agente nativo + driver de armazenamento + arquitetura sem cadeia", enfatizando a flexibilidade e o desacoplamento de módulos, e é uma "estrutura de microkernel na cadeia construída sobre a camada de armazenamento", com o limite do sistema diminuindo deliberadamente, enfatizando a computação leve + estrutura de controle combinável.

  4.2 ICP (Internet Computer), uma plataforma de hospedagem Web3 full-stackICP

  é uma plataforma de aplicativos on-chain full-stack nativa da Web3 lançada pela DFINITY, com o objetivo de estender o poder de computação on-chain para experiências semelhantes à Web2 e oferecer suporte a hospedagem de serviço completo, vinculação de nomes de domínio e arquitetura sem servidor.

  Principais recursos de arquitetura:

  • Arquitetura de caixa (contêineres como agentes): cada caixa é um agente em execução em uma VM Wasm com recursos independentes de estado, código e agendamento assíncrono;

  • Sistema de Consenso Distribuído de Sub-rede (Sub-rede): Toda a rede consiste em várias sub-redes, cada uma das quais mantém um conjunto de caixas e chega a um consenso por meio do mecanismo de assinatura BLS.

  • Modelo de invocação assíncrona: o Canister se comunica com o Canister por meio de mensagens assíncronas, dá suporte à execução sem bloqueio e tem paralelismo natural.

  • Hospedagem na web on-chain: Ele suporta contratos inteligentes para hospedar diretamente páginas front-end, mapeamento DNS nativo e é a primeira plataforma blockchain que suporta navegadores para acessar diretamente dApps;

  • O sistema tem funções completas: Possui APIs do sistema, como atualização a quente on-chain, autenticação de identidade, aleatoriedade distribuída e temporizador, que é adequado para implantação complexa de serviços on-chain.

  O ICP escolhe um paradigma de sistema operacional de plataforma pesada, empacotamento integrado e forte controle de plataforma, e tem um "sistema operacional blockchain" que integra consenso, execução, armazenamento e acesso, enfatizando recursos completos de hospedagem de serviços e expandindo o limite do sistema para uma plataforma de hospedagem Web3 full-stack.

  Além disso, os projetos de computação paralela de outros paradigmas de modelo de ator podem ser consultados na seguinte tabela:

  

  5. Resumo e perspectivaCom base

  nas diferenças entre a arquitetura de máquina virtual e o sistema de linguagem, as soluções de computação paralela blockchain podem ser divididas em duas categorias: cadeia aprimorada paralela EVM e cadeia de arquitetura paralela nativa (não EVM).

  Com base na manutenção da compatibilidade do ecossistema EVM/Solidity, o primeiro alcança maior taxa de transferência e recursos de processamento paralelo por meio da otimização profunda da camada de execução, o que é adequado para cenários que desejam herdar ativos Ethereum e ferramentas de desenvolvimento e obter avanços de desempenho ao mesmo tempo. Os projetos representativos incluem:

  • Monad: Implementa um modelo de execução paralela otimista compatível com EVM por meio de gravação adiada e detecção de conflitos em tempo de execução, cria gráficos de dependência e agenda a execução após a conclusão do consenso.

  • MegaETH: abstrai cada conta/contrato em uma microVM independente e implementa o agendamento paralelo no nível da conta altamente desacoplado com base em mensagens assíncronas e gráficos dependentes de estado.

  • Pharos: crie uma arquitetura de malha de rollup para obter processamento paralelo no nível do sistema entre processos por meio de pipelines assíncronos e módulos SPN.

  • Reddio: Usa a arquitetura zkRollup + GPU para acelerar o processo de verificação off-chain do zkEVM por meio da geração de SNARK em lote e melhorar a taxa de transferência de verificação.

  Este último elimina completamente as limitações de compatibilidade do Ethereum e redesenha o paradigma de execução da máquina virtual, modelo de estado e mecanismo de agendamento para obter simultaneidade nativa de alto desempenho. As subclasses típicas incluem:

  • Solana (SVM): um modelo de execução paralela no nível da conta baseado em declarações de acesso à conta e agendamento de gráfico de conflito estático;

  • Sui / Aptos (sistema MoveVM): com base no modelo de objeto de recurso e no sistema de tipos, ele dá suporte à análise estática em tempo de compilação e realiza o paralelismo no nível do objeto.

  • Sei V2 (rota do Cosmos SDK): apresenta um mecanismo de correspondência multithread e otimização de simultaneidade de máquina virtual na arquitetura do Cosmos, que é adequada para aplicativos transacionais de alta frequência.

  • Fuel (arquitetura UTXO + Sway): Paralelismo em nível de transação por meio de análise estática do conjunto de entrada UTXO, combinando uma camada de execução modular com uma linguagem de contrato inteligente personalizada Sway;

  Além disso, como um sistema paralelo mais generalizado, o Modelo de Ator cria um paradigma de execução on-chain de "operação independente multiagente + colaboração orientada por mensagens" por meio de um mecanismo de agendamento de processo assíncrono baseado em Wasm ou VMs personalizadas. Os projetos representativos incluem:

  • AO (Arweave AO): Construindo um sistema de microkernel assíncrono on-chain baseado no tempo de execução do agente orientado por armazenamento persistente;

  • ICP (Internet Computer): usa o agente conteinerizado (Canister) como a menor unidade para obter execução assíncrona e altamente escalável por meio da coordenação de sub-rede.

  • Cartesi: Apresenta o sistema operacional Linux como um ambiente de computação off-chain para fornecer um caminho de verificação on-chain para resultados de computação confiáveis, adequados para cenários de aplicativos complexos ou com uso intensivo de recursos.

  Com base na lógica acima, podemos resumir o atual esquema de cadeia pública de computação paralela convencional na estrutura de classificação mostrada na figura a seguir:

  

  De uma perspectiva de dimensionamento mais ampla, o sharding e o rollup (L2) se concentram no dimensionamento horizontal por meio de fragmentação de estado ou execução fora da cadeia, enquanto cadeias de computação paralela (por exemplo, Monad, Sui, Solana) e sistemas orientados a atores (por exemplo, AO, ICP) reconstroem diretamente o modelo de execução e alcançam paralelismo nativo dentro da cadeia ou na camada do sistema. O primeiro melhora a taxa de transferência intra-cadeia por meio de máquinas virtuais multi-threaded, modelos de objetos, análise de conflitos de transações, etc.; Este último assume o processo/agente como unidade básica e adota modos de execução assíncronos e orientados por mensagens para obter operação simultânea multiagente. Em contraste, sharding e rollups são mais como "dividir a carga em várias cadeias" ou "terceirizar off-chain", enquanto a cadeia paralela e o modelo de ator estão "liberando o potencial de desempenho do próprio mecanismo de execução", refletindo uma evolução arquitetônica mais completa.

  Computação paralela vs arquitetura de fragmentação vs escalonamento de rollup vs comparação de caminho de escalonamento orientado a ator

  Deve-se ressaltar que a maioria das cadeias de arquitetura paralela nativas entrou no estágio de lançamento da rede principal, embora o ecossistema geral de desenvolvedores ainda seja difícil de comparar com o sistema Solidity do sistema EVM, mas os projetos representados por Solana e Sui, com sua arquitetura de execução de alto desempenho e a prosperidade gradual de aplicativos ecológicos, tornaram-se as principais cadeias públicas às quais o mercado presta grande atenção.

  Em contraste, embora o ecossistema Ethereum Rollup (L2) tenha entrado no estágio de "10.000 cadeias de uma só vez" ou mesmo "excesso de capacidade", a atual cadeia de aprimoramento paralelo EVM ainda está geralmente no estágio de rede de teste e ainda não foi verificada pelo ambiente real da rede principal, e sua capacidade de dimensionamento e estabilidade do sistema ainda precisam ser testadas mais detalhadamente. Resta saber se esses projetos podem melhorar significativamente o desempenho do EVM e impulsionar saltos ecológicos sem sacrificar a compatibilidade, ou se podem diferenciar ainda mais a liquidez e os recursos de desenvolvimento do Ethereum.