Web3 Parallel Computing Djupgående forskningsrapport: Den ultimata vägen till inbyggd skalning

1. Inledning: Skalning är ett evigt förslag, och parallellitet är det ultimata slagfältet

Sedan Bitcoins födelse har blockkedjesystemet alltid stått inför ett oundvikligt kärnproblem: skalning. Bitcoin bearbetar mindre än 10 transaktioner per sekund, och Ethereum kämpar för att bryta igenom prestandaflaskhalsen på tiotals TPS (transaktioner per sekund), vilket är särskilt besvärligt i den traditionella Web2-världen, där tiotusentals TPS ofta används. Ännu viktigare är att detta inte är ett enkelt problem som kan lösas genom att "lägga till servrar", utan en systemisk begränsning som är djupt inbäddad i den underliggande konsensus och strukturella utformningen av blockkedjan - det vill säga den omöjliga triangeln i blockkedjan där "decentralisering, säkerhet och skalbarhet" inte kan kombineras.

Under det senaste decenniet har vi sett otaliga expansionsförsök stiga och falla. Från Bitcoin-skalningskriget till Ethereum sharding-visionen, från statliga kanaler och plasma till rollups och modulära blockkedjor, från off-chain-exekvering i Layer 2 till strukturell refaktorisering av datatillgänglighet, har hela branschen gett sig in på en skalningsväg full av teknisk fantasi. Som det mest accepterade skalningsparadigmet har rollup uppnått målet att avsevärt öka TPS samtidigt som exekveringsbördan för huvudkedjan minskar och Ethereums säkerhet bevaras. Men det berör inte de verkliga gränserna för blockkedjans underliggande "enkelkedjeprestanda", särskilt på exekveringsnivå, vilket är genomströmningen av själva blocket – är fortfarande begränsad av det uråldriga bearbetningsparadigmet för seriell beräkning på kedjan.

På grund av detta har parallell databehandling i kedjan gradvis kommit in i branschens synfält. Till skillnad från off-chain skalning och cross-chain distribution, försöker intra-chain parallellism att helt rekonstruera exekveringsmotorn samtidigt som den enkedjiga atomiciteten och den integrerade strukturen bibehålls, och uppgraderar blockkedjan från ett enkeltrådat läge för "seriell exekvering av en transaktion efter en" till ett hög-samtidighetsberäkningssystem med "multi-threading + pipeline + dependency scheduling" under ledning av modern operativsystem och CPU-design. En sådan väg kan inte bara uppnå en hundrafaldig ökning av genomströmningen, utan kan också bli en viktig förutsättning för explosionen av applikationer för smarta kontrakt.

Faktum är att i Web2-beräkningsparadigmet har enkeltrådad databehandling länge eliminerats av moderna hårdvaruarkitekturer och ersatts av en oändlig ström av optimeringsmodeller som parallell programmering, asynkron schemaläggning, trådpooler och mikrotjänster. Blockchain, som är ett mer primitivt och konservativt datorsystem med extremt höga krav på säkerhet och verifierbarhet, har aldrig kunnat utnyttja dessa parallella datoridéer fullt ut. Detta är både en begränsning och en möjlighet. Nya kedjor som Solana, Sui och Aptos är de första som börjar denna utforskning genom att introducera parallellitet på arkitektonisk nivå. Framväxande projekt som Monad och MegaETH har ytterligare höjt parallellitet på kedjan till genombrott i djupa mekanismer som pipeline-exekvering, optimistisk samtidighet och asynkron meddelandedriven, och visar egenskaper som kommer närmare och närmare moderna operativsystem.

Man kan säga att parallell databehandling inte bara är en "prestandaoptimeringsmetod", utan också en vändpunkt i paradigmet för blockchain-exekveringsmodell. Den utmanar de grundläggande mönstren för utförande av smarta kontrakt och omdefinierar den grundläggande logiken för transaktionspaketering, tillståndsåtkomst, samtalsrelationer och lagringslayout. Om rollup är att "flytta transaktioner till off-chain-utförande", så är on-chain parallellism att "bygga superdatorkärnor on-chain", och dess mål är inte bara att förbättra genomströmningen, utan att tillhandahålla verkligt hållbart infrastrukturstöd för framtida Web3-inhemska applikationer (högfrekvent handel, spelmotorer, AI-modellexekvering, on-chain social, etc.).

Efter att rollup-spåret gradvis tenderar att bli homogent, blir parallellitet inom kedjan i tysthet den avgörande variabeln i den nya cykeln av Layer 1-konkurrens. Prestanda är inte längre bara "snabbare", utan möjligheten att kunna stödja en hel heterogen applikationsvärld. Detta är inte bara en teknisk kapplöpning, utan också en paradigmstrid. Nästa generation av suveräna exekveringsplattformar i Web3-världen kommer sannolikt att växa fram ur denna parallella brottning inom kedjan.

2. Panorama över expansionsparadigmet:

Som ett av de viktigaste, hållbara och svåraste ämnena i utvecklingen av offentlig kedjeteknik har fem typer av vägar, var och en med sitt eget fokus på expansion, gett upphov till framväxten och utvecklingen av nästan alla vanliga teknikvägar under det senaste decenniet. Med utgångspunkt från striden om blockstorleken på Bitcoin, delades denna tekniska tävling om "hur man får kedjan att gå snabbare" slutligen upp i fem grundläggande rutter, som var och en skär in i flaskhalsen från en annan vinkel, med sin egen tekniska filosofi, landningssvårighet, riskmodell och tillämpliga scenarier.

den första vägen är den mest okomplicerade skalningen i kedjan, som representerar sätt att öka blockstorleken, förkorta blocktiden eller förbättra processorkraften genom att optimera datastrukturen och konsensusmekanismen. Detta tillvägagångssätt har varit i fokus för debatten om Bitcoin-skalning, vilket har gett upphov till "big block"-fraktionsgafflar som BCH och BSV, och även påverkat designidéerna för tidiga högpresterande offentliga kedjor som EOS och NEO. Fördelen med den här typen av rutt är att den behåller enkelheten med enkedjekonsistens, som är lätt att förstå och distribuera, men det är också mycket lätt att röra vid den systemiska övre gränsen såsom centraliseringsrisk, stigande noddriftskostnader och ökad synkroniseringssvårighet, så det är inte längre den vanliga kärnlösningen i dagens design, utan har blivit mer av en extra samlokalisering av andra mekanismer.

Den andra typen av väg är skalning utanför kedjan, som representeras av tillståndskanaler och sidokedjor. Den grundläggande idén med denna typ av väg är att flytta det mesta av transaktionsaktiviteten utanför kedjan och endast skriva det slutliga resultatet till huvudkedjan, som fungerar som det slutliga avvecklingsskiktet. När det gäller teknisk filosofi ligger det nära den asynkrona arkitekturen i Web2 - försök att lämna tung transaktionsbehandling i periferin, och huvudkedjan gör minimal betrodd verifiering. Även om denna idé teoretiskt sett kan vara oändligt skalbar, begränsar förtroendemodellen, fondsäkerheten och interaktionskomplexiteten för transaktioner utanför kedjan dess tillämpning. Till exempel, även om Lightning Network har en tydlig positionering av finansiella scenarier, har ekosystemets skala aldrig exploderat. Men flera sidokedjebaserade konstruktioner, som Polygon POS, har inte bara hög genomströmning, utan exponerar också nackdelarna med svårt arv av säkerheten i huvudkedjan.

Den tredje typen av väg är den mest populära och mest distribuerade Layer 2-sammanslagningsvägen. Denna metod ändrar inte direkt själva huvudkedjan, utan skalas genom mekanismen för exekvering utanför kedjan och verifiering på kedjan. Optimistic Rollup och ZK Rollup har sina egna fördelar: den förstnämnda är snabb att implementera och mycket kompatibel, men den har problem med försening av utmaningsperiod och bedrägerisäker mekanism; Den senare har stark säkerhet och bra datakomprimeringsförmåga, men den är komplex att utveckla och saknar EVM-kompatibilitet. Oavsett vilken typ av sammanslagning det är, är dess väsen att outsourca exekveringskraften, samtidigt som data och verifiering behålls i huvudkedjan, vilket uppnår en relativ balans mellan decentralisering och hög prestanda. Den snabba tillväxten av projekt som Arbitrum, Optimism, zkSync och StarkNet bevisar genomförbarheten av denna väg, men den avslöjar också flaskhalsar på medellång sikt som överdrivet beroende av datatillgänglighet (DA), höga kostnader och fragmenterad utvecklingserfarenhet.

Den fjärde typen av väg är den modulära blockchain-arkitekturen som har dykt upp de senaste åren, såsom Celestia, Avail, EigenLayer, etc. Det modulära paradigmet förespråkar en fullständig frikoppling av blockkedjans kärnfunktioner - utförande, konsensus, datatillgänglighet och avveckling - av flera specialiserade kedjor för att slutföra olika funktioner och sedan kombinera dem till ett skalbart nätverk med ett tvärkedjeprotokoll. Denna riktning påverkas starkt av operativsystemets modulära arkitektur och komponerbarheten hos cloud computing, som har fördelen att flexibelt kunna ersätta systemkomponenter och avsevärt förbättra effektiviteten inom specifika områden som DA. Utmaningarna är dock också mycket uppenbara: kostnaden för synkronisering, verifiering och ömsesidigt förtroende mellan system efter modulfrikoppling är extremt hög, utvecklarekosystemet är extremt fragmenterat och kraven på protokollstandarder på medellång och lång sikt och säkerhet över kedjan är mycket högre än för traditionell kedjedesign. I grund och botten bygger denna modell inte längre en "kedja", utan bygger ett "kedjenätverk", vilket sätter en aldrig tidigare skådad tröskel för den övergripande arkitekturförståelsen samt drift och underhåll.

Den sista typen av väg, som är i fokus för den efterföljande analysen i detta dokument, är optimeringsvägen för parallell databehandling inom kedjan. Till skillnad från de första fyra typerna av "horisontell delning", som huvudsakligen utför "horisontell delning" från strukturell nivå, betonar parallell databehandling "vertikal uppgradering", det vill säga den samtidiga bearbetningen av atomiska transaktioner realiseras genom att ändra arkitekturen för exekveringsmotorn inom en enda kedja. Detta kräver att schemaläggningslogiken för virtuella datorer skrivs om och att en fullständig uppsättning moderna schemaläggningsmekanismer för datorsystem introduceras, till exempel analys av transaktionsberoende, förutsägelse av tillståndskonflikter, parallellitetskontroll och asynkrona anrop. Solana är det första projektet som implementerar konceptet med parallell VM i ett system på kedjenivå, som realiserar flerkärnig parallell exekvering genom bedömning av transaktionskonflikter baserat på kontomodellen. Den nya generationen projekt, som Monad, Sei, Fuel, MegaETH, etc., försöker vidare introducera banbrytande idéer som pipeline-utförande, optimistisk samtidighet, lagringspartitionering och parallell frikoppling för att bygga högpresterande exekveringskärnor som liknar moderna CPU:er. Den viktigaste fördelen med denna riktning är att den inte behöver förlita sig på flerkedjearkitekturen för att uppnå ett genombrott i genomströmningsgränsen, och samtidigt ger tillräcklig beräkningsflexibilitet för utförande av komplexa smarta kontrakt, vilket är en viktig teknisk förutsättning för framtida applikationsscenarier som AI Agent, storskaliga kedjespel och högfrekventa derivat.

Om man tittar på ovanstående fem typer av skalningsvägar är uppdelningen bakom dem faktiskt den systematiska avvägningen mellan prestanda, komponerbarhet, säkerhet och utvecklingskomplexitet för blockkedjor. Rollup är stark inom konsensusoutsourcing och säkert arv, modularitet framhäver strukturell flexibilitet och återanvändning av komponenter, skalning utanför kedjan försöker bryta igenom flaskhalsen i huvudkedjan men förtroendekostnaden är hög, och parallellitet inom kedjan fokuserar på den grundläggande uppgraderingen av exekveringsskiktet och försöker närma sig prestandagränsen för moderna distribuerade system utan att förstöra kedjans konsistens. Det är omöjligt för varje väg att lösa alla problem, men det är dessa riktningar som tillsammans bildar ett panorama över uppgraderingen av Web3-beräkningsparadigmet, och som också ger utvecklare, arkitekter och investerare extremt rika strategiska alternativ.

Precis som operativsystemet har skiftat från enkelkärnigt till flerkärnigt och databaser har utvecklats från sekventiella index till samtidiga transaktioner, kommer expansionen av Web3 så småningom att gå mot en mycket parallell exekveringsera. I den här eran är prestanda inte längre bara en kedjehastighet, utan ett omfattande förkroppsligande av den underliggande designfilosofin, djup förståelse för arkitektur, samarbete mellan programvara och hårdvara och systemkontroll. Och parallellitet inom kedjan kan vara det ultimata slagfältet för detta långvariga krig.

3. Klassificeringsdiagram för parallell databehandling: fem vägar från konto till instruktionI

samband med den kontinuerliga utvecklingen av blockchain-skalningsteknik har parallell databehandling gradvis blivit kärnvägen för prestandagenombrott. Till skillnad från den horisontella frikopplingen av strukturskiktet, nätverkslagret eller datatillgänglighetsskiktet är parallell databehandling en djup gruvdrift vid exekveringsskiktet, som är relaterad till den lägsta logiken för blockkedjans driftseffektivitet, och bestämmer svarshastigheten och bearbetningskapaciteten för ett blockkedjesystem inför hög samtidighet och komplexa transaktioner av flera typer. Från och med körningsmodellen och genom att granska utvecklingen av den här tekniklinjen kan vi sortera ut en tydlig klassificeringskarta över parallell databehandling, som grovt kan delas in i fem tekniska vägar: parallellitet på kontonivå, parallellitet på objektnivå, parallellitet på transaktionsnivå, parallellitet på virtuell datornivå och parallellitet på instruktionsnivå. Dessa fem typer av vägar, från grovkorniga till finkorniga, är inte bara den kontinuerliga förfiningsprocessen av parallell logik, utan också vägen till ökande systemkomplexitet och schemaläggningssvårigheter.