صورة شاملة لمجال الحوسبة المتوازية في Web3: هل هي أفضل حل للتوسع الأصلي؟

1. نظرة عامة على الحوسبة المتوازية

"مثلث المستحيل" في blockchain (Blockchain Trilemma) "الأمان"، "اللامركزية"، "قابلية التوسع" يكشف عن التوازن الجوهري في تصميم أنظمة blockchain، مما يعني أنه من الصعب على مشاريع blockchain تحقيق "أقصى أمان، مشاركة الجميع، معالجة سريعة" في نفس الوقت. بالنسبة لموضوع "قابلية التوسع" هذا، تتضمن الحلول الحالية الرئيسية لتوسيع blockchain في السوق تصنيفات حسب النموذج، بما في ذلك:

• تنفيذ تحسين السعة: تعزيز القدرة التنفيذية في المكان، مثل المعالجة المتوازية، GPU، والأنوية المتعددة
• نوع التوسع المعزول بالحالة: تقسيم أفقي للحالة / شارد، مثل التجزئة، UTXO، شبكات فرعية متعددة
• توسيع نمط التعاقد الخارجي: وضع التنفيذ خارج السلسلة، مثل Rollup، Coprocessor، DA
• توسعة غير مترابطة هيكليًا: نمذجة معمارية، تشغيل متزامن، مثل سلسلة الوحدات، مرتّب مشترك، Rollup Mesh
• التوسع المتزامن غير المتزامن: نموذج الممثل، عزل العمليات، مدفوع بالرسائل، مثل الوكلاء، سلسلة غير متزامنة متعددة الخيوط

تشمل حلول توسيع نطاق البلوكشين: الحساب المتوازي داخل السلسلة، Rollup، تقسيم، وحدة DA، الهيكلية المودولارية، نظام Actor، ضغط إثبات zk، الهيكلية عديمة الحالة، وما إلى ذلك، تغطي مستويات متعددة تشمل التنفيذ، الحالة، البيانات، والبنية، وهي نظام توسيع كامل "تعاون متعدد المستويات، تجميع وحدات". تركز هذه المقالة بشكل أساسي على طريقة التوسع التي تعتمد على الحساب المتوازي.

الحوسبة المتوازية داخل السلسلة ( intra-chain parallelism )، مع التركيز على التنفيذ المتوازي للمعاملات/التعليمات داخل الكتلة. وفقًا لآلية التوازي، يمكن تقسيم طرق التوسع إلى خمس فئات، تمثل كل فئة سعيًا مختلفًا للأداء، ونموذج تطوير، وفلسفة معمارية، حيث يصبح حجم التوازي أكثر دقة، وزيادة شدة التوازي، وزيادة تعقيد الجدولة، وكذلك تزداد تعقيد البرمجة وصعوبة التنفيذ.

• مستوى الحساب المتوازي (Account-level): يمثل مشروع سولانا
• التوازي على مستوى الكائن (Object-level): يمثل مشروع Sui
• مستوى المعاملات (Transaction-level): يمثل المشروع Monad، Aptos
• مستوى الاستدعاء / MicroVM المتوازي (Call-level / MicroVM): يمثل مشروع MegaETH
• التوازي على مستوى التعليمات (Instruction-level): يمثل مشروع GatlingX

نموذج التزامن غير المتزامن خارج السلسلة، مع نظام وكيل الذكاء (نموذج الوكيل / الممثل) كتمثيل له، وهو ينتمي إلى نمط حسابي متوازي آخر، كنظام رسائل عبر السلاسل / غير المتزامن (نموذج غير متزامن للكتل)، حيث يعمل كل وكيل ك"عملية ذكاء مستقلة"، ومن خلال الأسلوب المتوازي، يتم تبادل الرسائل بشكل غير متزامن، ومحركات الأحداث، دون الحاجة إلى جدولة متزامنة، ومن المشاريع الممثلة AO، ICP، Cartesi وغيرها.

إن خطط التوسع المعروفة لنا مثل Rollup أو تقسيم الشظايا، تنتمي إلى آليات التزامن على مستوى النظام، وليست جزءًا من الحساب المتوازي داخل السلسلة. إنها تحقق التوسع من خلال "تشغيل عدة سلاسل/مجالات تنفيذ بشكل متوازي"، وليس من خلال زيادة مستوى التوازي داخل كتلة واحدة/آلة افتراضية. هذه الخطط التوسعية ليست محور النقاش في هذه المقالة، لكننا سنستخدمها لمقارنة الفروق في المفاهيم المعمارية.

2. سلسلة تعزيز التوازي من نوع EVM: اختراق حدود الأداء في التوافق

تطور هيكل المعالجة المتسلسلة للإيثيريوم حتى الآن، حيث شهد محاولات توسيع متعددة مثل التقسيم، والـ Rollup، والهياكل المودولارية، لكن لا يزال هناك عنق زجاجة في قدرة تنفيذ الطبقة. ومع ذلك، تظل EVM وSolidity هي المنصات الأكثر قوة من حيث قاعدة المطورين وإمكانات النظام البيئي لعقود الذكية الحالية. لذا، فإن سلاسل تعزيز EVM المتوازية كمسار رئيسي يجمع بين التوافق البيئي وزيادة الأداء التنفيذي، أصبحت تتجه نحو أن تكون اتجاهًا مهمًا في جولة التوسع الجديدة. يعتبر Monad وMegaETH من بين المشاريع الأكثر تمثيلًا في هذا الاتجاه، حيث يبنيان هيكل المعالجة المتوازية لـ EVM الموجه نحو السيناريوهات ذات التوازي العالي والقدرة العالية على المعالجة.

تحليل آلية الحساب المتوازي لـ Monad

Monad هو سلسلة كتل من الطبقة الأولى عالية الأداء تم إعادة تصميمها لآلة الإثيريوم الافتراضية (EVM)، تستند إلى فكرة المعالجة المتوازية الأساسية (Pipelining) ، حيث يتم تنفيذ الإجماع بشكل غير متزامن (Asynchronous Execution) في طبقة الإجماع، والتنفيذ المتفائل المتوازي (Optimistic Parallel Execution) في طبقة التنفيذ. بالإضافة إلى ذلك، في طبقتي الإجماع والتخزين، قدمت Monad بروتوكول BFT عالي الأداء (MonadBFT) ونظام قاعدة بيانات مخصص (MonadDB)، مما يحقق تحسيناً من النهاية إلى النهاية.

تسلسل الأنابيب: آلية التنفيذ المتوازي متعددة المراحل

إن تقنية Pipelining هي الفكرة الأساسية لتنفيذ Monad بشكل متوازي، وتتمثل الفكرة الرئيسية في تقسيم عملية تنفيذ سلسلة الكتل إلى مراحل مستقلة متعددة، ومعالجة هذه المراحل بشكل متوازي، مما يشكل هيكلًا ثلاثي الأبعاد لخط الأنابيب. تعمل كل مرحلة في خيوط أو نوى مستقلة، مما يحقق معالجة متزامنة عبر الكتل، وفي النهاية يؤدي إلى زيادة معدل الإنتاج وتقليل زمن التأخير. تشمل هذه المراحل: اقتراح المعاملات (Propose) التوصل إلى توافق (Consensus) تنفيذ المعاملات (Execution) وتقديم الكتل (Commit).

تنفيذ غير متزامن: فك الارتباط بين الإجماع والتنفيذ

في السلسلة التقليدية، يكون التوافق وتنفيذ المعاملات عادةً عمليات متزامنة، وهذا النموذج التسلسلي يحد بشدة من توسع الأداء. حققت Monad "التنفيذ غير المتزامن" لتوفير توافق غير متزامن في طبقة التوافق، وتنفيذ غير متزامن في طبقة التنفيذ، وتخزين غير متزامن. مما يقلل بشكل كبير من زمن الكتلة (block time) وتأخير التأكيد، مما يجعل النظام أكثر مرونة، وعملية المعالجة أكثر تفصيلاً، وكفاءة استخدام الموارد أعلى.

التصميم الأساسي:

• عملية الإجماع (طبقة الإجماع) مسؤولة فقط عن ترتيب المعاملات، ولا تنفذ منطق العقد.
• عملية التنفيذ (طبقة التنفيذ) تُ triggered بشكل غير متزامن بعد اكتمال الإجماع.
• بعد اكتمال الإجماع، يتم الدخول مباشرة في عملية الإجماع للكتلة التالية دون الحاجة إلى الانتظار لإكمال التنفيذ.

تنفيذ متوازي متفائل: التنفيذ المتوازي المتفائل

يتبنى الإيثيريوم التقليدي نموذج تنفيذ صارم متسلسل لتجنب تعارض الحالة. بينما تعتمد Monad استراتيجية "التنفيذ المتوازي المتفائل"، مما يزيد بشكل كبير من سرعة معالجة المعاملات.

آلية التنفيذ:

• Monad ستقوم بتنفيذ جميع المعاملات بشكل متوازي بتفاؤل، بالافتراض أن معظم المعاملات لا تحتوي على تعارضات حالة.
• تشغيل "كاشف التعارض (Conflict Detector))" لمراقبة ما إذا كانت المعاملات قد وصلت إلى نفس الحالة (مثل تعارضات القراءة/الكتابة).
• إذا تم الكشف عن تضارب، فسيتم تنفيذ المعاملات المتعارضة بشكل متسلسل لضمان صحة الحالة.

اختارت Monad مسار التوافق: تقليل التغييرات على قواعد EVM قدر الإمكان، ومن خلال تأخير كتابة الحالة والكشف الديناميكي عن التعارضات أثناء التنفيذ لتحقيق التوازي، مما يشبه إيثريوم ذات الأداء العالي، مما يسهل تنفيذ انتقال النظام البيئي لـ EVM، وهو مسرع التوازي في عالم EVM.

تحليل آلية الحوسبة المتوازية لـ MegaETH

بخلاف تحديد L1 الخاص بـ Monad، يتم تحديد MegaETH كطبقة تنفيذ عالية الأداء وقابلة للتعديل ومتوافقة مع EVM، يمكن أن تعمل كشبكة عامة مستقلة من L1، أو كطبقة تعزيز تنفيذ على إيثيريوم أو كمكون قابل للتعديل. الهدف الأساسي من التصميم هو فصل منطق الحساب، وبيئة التنفيذ، والحالة إلى وحدات مستقلة يمكن جدولتها بشكل منفصل، لتحقيق تنفيذ متزامن عالي داخل السلسلة واستجابة ذات تأخير منخفض. الابتكار الرئيسي الذي تقدمه MegaETH هو: بنية Micro-VM + DAG الاعتماد على الحالة (رسم بياني متجه غير دائري يعتمد على الحالة) وآلية التزامن القابلة للتعديل، مما يبني نظام تنفيذ متوازي يركز على "التخيط داخل السلسلة".

بنية Micro-VM (الميكرو آلة الافتراضية): الحساب هو مجرد خيط

قدم MegaETH نموذج تنفيذ "كل حساب واحد ميكرو آلة افتراضية (Micro-VM)"، مما يجعل بيئة التنفيذ "مُتعددة الخيوط"، لتوفير وحدة عزل دنيا لجدولة المتوازية. تتواصل هذه الآلات الافتراضية (VM) عبر رسائل غير متزامنة (Asynchronous Messaging)، بدلاً من الاستدعاءات المتزامنة، مما يسمح للعديد من الآلات الافتراضية بالتنفيذ المستقل والتخزين المستقل، مما يجعلها متوازية بشكل طبيعي.

اعتماد الحالة DAG: آلية جدولة مدفوعة بالرسم البياني للاعتماد

أنشأت MegaETH نظام جدولة DAG قائمًا على علاقة الوصول إلى حالة الحسابات، حيث يقوم النظام بصيانة رسم بياني عالمي للاعتماد (Dependency Graph) في الوقت الفعلي. كل معاملة تعدل أي حسابات، وتقرأ أي حسابات، يتم نمذجة ذلك بالكامل كعلاقة اعتماد. يمكن تنفيذ المعاملات التي لا تتعارض مباشرة بشكل متوازي، بينما سيتم جدولة المعاملات التي لها علاقات اعتماد وفقًا لترتيب الطوبولوجيا أو تأجيلها. يضمن رسم الاعتماد اتساق الحالة وعدم الكتابة المكررة خلال عملية التنفيذ المتوازي.

التنفيذ غير المتزامن وآلية الاستدعاء

تم بناء MegaETH على رأس نموذج البرمجة غير المتزامن ، على غرار الرسائل غير المتزامنة لنموذج الممثل ، والذي يحل مشكلة المكالمات التسلسلية التقليدية EVM. استدعاءات العقد غير متزامنة (تنفيذ غير متكرر) ، وعندما يتم استدعاء العقد A -> B -> C ، تكون كل مكالمة غير متزامنة دون منع الانتظار ؛ يتم توسيع مكدس المكالمات إلى رسم بياني للاستدعاء غير المتزامن. معالجة المعاملات = اجتياز الرسم البياني غير المتزامن + دقة التبعية + الجدولة المتوازية.

بشكل عام، يكسر MegaETH نموذج آلة الحالة أحادية الخيط التقليدية EVM، حيث يحقق تغليف الميكرو VM على أساس الحسابات، ويقوم بجدولة المعاملات من خلال رسم اعتماد الحالة، ويستبدل آلية الاستدعاء المتزامن بآلية الرسائل غير المتزامنة. إنها منصة حوسبة متوازية تم إعادة تصميمها بالكامل من "هيكل الحسابات → هيكل الجدولة → سير التنفيذ"، مما يوفر فكرة جديدة على مستوى النموذج لبناء أنظمة سلسلة عالية الأداء من الجيل التالي.

اختارت MegaETH مسار إعادة البناء: من خلال تجريد الحسابات والعقود إلى VM مستقل، مما يحرر الإمكانات المتوازية القصوى من خلال جدولة التنفيذ غير المتزامن. نظريًا، فإن الحد الأقصى للتوازي في MegaETH أعلى، لكنه أيضًا أكثر صعوبة في التحكم في التعقيد، مما يجعله أشبه بنظام تشغيل موزع فائق تحت فلسفة إيثيريوم.

تختلف فلسفة التصميم لكل من Monad و MegaETH بشكل كبير عن التقسيم (Sharding): حيث يقوم التقسيم بتقسيم سلسلة الكتل أفقيًا إلى عدة سلاسل فرعية مستقلة (Shards)، حيث تتحمل كل سلسلة فرعية جزءًا من المعاملات والحالة، مما يكسر قيود السلسلة الفردية في توسيع الشبكة؛ بينما يحتفظ كل من Monad و MegaETH بسلامة السلسلة الفردية، حيث يتم التوسع أفقيًا فقط في طبقة التنفيذ، مما يسمح بتحقيق تحسينات الأداء من خلال التنفيذ المتوازي في حدود السلسلة الفردية. يمثل كلاهما اتجاهين في مسار توسيع سلسلة الكتل، حيث يمثل الأول تعزيزًا رأسيًا والثاني توسيعًا أفقيًا.

تركز مشاريع الحوسبة المتوازية مثل Monad و MegaETH بشكل رئيسي على تحسين مسار السعة، بهدف رئيسي هو زيادة TPS داخل السلسلة، من خلال تنفيذ مؤجل (Deferred Execution) وهيكل ميكرو VM (Micro-VM) لتحقيق معالجة متوازية على مستوى المعاملات أو الحسابات. بينما تُعتبر شبكة Pharos شبكة بلوكتشين من المستوى الأول (L1) ذات حوسبة متوازية شاملة، وآليتها الأساسية في الحوسبة المتوازية تُسمى "Rollup Mesh". تدعم هذه البنية العمل التعاوني بين الشبكة الرئيسية وشبكات المعالجة الخاصة (SPNs)، وتدعم بيئات متعددة للآلة الافتراضية (EVM و Wasm)، وتدمج تقنيات متقدمة مثل إثبات المعرفة الصفرية (ZK) وبيئة التنفيذ الموثوقة (TEE).

تحليل آلية الحوسبة المتوازية لشبكة Rollup

1. معالجة خط الأنابيب غير المتزامن على مدار دورة الحياة الكاملة (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): يقوم Pharos بفصل مراحل المعاملة المختلفة (مثل الإجماع والتنفيذ والتخزين) ويستخدم أسلوب المعالجة غير المتزامن، مما يسمح لكل مرحلة بالعمل بشكل مستقل ومتوازي، وبالتالي زيادة كفاءة المعالجة الإجمالية.
2. تنفيذ مزدوج للآلات الافتراضية بالتوازي (Dual VM Parallel Execution): يدعم Pharos بيئتين من الآلات الافتراضية، EVM وWASM، مما يسمح للمطورين باختيار بيئة التنفيذ المناسبة بناءً على احتياجاتهم. لا تعزز هذه البنية المزدوجة للآلات الافتراضية مرونة النظام فحسب، بل تعزز أيضًا قدرة معالجة المعاملات من خلال التنفيذ المتوازي.
3. الشبكات المعالجة الخاصة (SPNs): تعتبر SPNs مكونًا رئيسيًا في بنية Pharos، تشبه الشبكات الفرعية المعيارية، وتستخدم خصيصًا لمعالجة أنواع معينة من المهام أو التطبيقات. من خلال SPNs، يمكن لـ Pharos تحقيق تخصيص ديناميكي للموارد ومعالجة المهام بشكل متوازي، مما يعزز بشكل أكبر من قابلية توسيع النظام وأدائه.
4. التوافق المعياري وآلية إعادة الرهن (Modular Consensus & Restaking): قدمت Pharos آلية توافق مرنة تدعم نماذج توافق متعددة (مثل PBFT و PoS و PoA)، ومن خلال بروتوكول إعادة الرهن (Restaking) تحقق المشاركة الآمنة والموارد المدمجة بين الشبكة الرئيسية و SPNs.

علاوة على ذلك، قامت Pharos بإعادة بناء نموذج التنفيذ من قاعدة تخزين البيانات من خلال تقنيات مثل الأشجار ميركل متعددة النسخ، والترميز التفاضلي (Delta Encoding)، وعنوان النسخ (Versioned Addressing) وكذلك دفع ADS (ADS Pushdown)، مما أدى إلى إطلاق محرك تخزين عالي الأداء من blockchain الأصلي يسمى Pharos Store، والذي يحقق إنتاجية عالية، وزمن استجابة منخفض، وقوة عالية.