Web3 Paralel Hesaplama Yarışması Panorama Haritası: Yerel Ölçeklenmenin En İyi Çözümü mü?

I. Giriş: Blockchain Ölçeklenebilirliğinin Sonsuz Konusu

Blockchain'in "imkansız üçgeni" (Blockchain Trilemma) "güvenlik", "merkeziyetsizlik" ve "ölçeklenebilirlik" blockchain sistem tasarımındaki temel dengeleri ortaya koyar; bu, blockchain projelerinin "üst düzey güvenlik, herkesin katılımı, hızlı işlem" gibi hedefleri aynı anda gerçekleştirmesinin zor olduğunu gösterir. "Ölçeklenebilirlik" konusuna yönelik olarak, şu anda piyasada bulunan ana akım blockchain ölçeklendirme çözümleri paradigmalarına göre sınıflandırılmaktadır, bunlar arasında:

• Gelişmiş ölçeklendirme gerçekleştirme: Yerinde yürütme yeteneğini artırma, örneğin eşzamanlılık, GPU, çok çekirdekli.
• Durum İzolasyonlu Ölçekleme: Durumsal yatay bölme/Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynak kullanımı genişlemesi: Uygulamayı zincir dışına almak, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı Ayrıştırma Tabanlı Ölçeklenebilirlik: Mimari modüler, işbirliği içinde çalışır; örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh.
• Asenkron eşzamanlı genişleme: Aktör modeli, işlem izolasyonu, mesaj yönlendirme, örneğin ajanlar, çoklu iş parçacığı asenkron zinciri

Blockchain ölçeklendirme çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Aktör sistemi, zk kanıtı sıkıştırma, Stateless mimari vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birçok katmanı kapsar ve "çok katmanlı işbirliği, modül kombinasyonu" tam bir ölçeklendirme sistemi oluşturur. Bu makalede, paralel hesaplamanın ana akım ölçeklendirme yöntemi olarak vurgulandığı konulara odaklanılacaktır.

Zincir içi paralel hesaplama ( intra-chain parallelism ), blok içindeki işlemlerin / komutların paralel yürütülmesine odaklanır. Paralel mekanizmalarına göre, ölçeklendirme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel iş parçacığı boyutu giderek daha ince, paralel yoğunluk giderek daha yüksek, planlama karmaşıklığı da giderek artmakta, programlama karmaşıklığı ve gerçekleştirme zorluğu da artmaktadır.

• Hesap seviyesinde paralel (Account-level): Solana projesini temsil eder
• Nesne düzeyinde paralellik (Object-level): Sui projesini temsil eder
• İşlem düzeyinde paralellik (Transaction-level): Monad, Aptos projelerini temsil eder
• Çağrı seviyesi / MikroVM paralelliği (Call-level / MicroVM): MegaETH projesini temsil eder.
• Talimat düzeyinde paralellik (Instruction-level): GatlingX projesini temsil eder

Zincir dışı asenkron eş zamanlı model, Aktör akıllı ajan sistemi (Agent / Actor Model) ile temsil edilmektedir. Bunlar, başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir ve zincirler arası/asenkron mesaj sistemleri (blok zinciri senkronizasyon modeli değil) olarak işlev görür. Her bir Ajan, bağımsız olarak çalışan "akıllı ajan süreçleri" olarak, eş zamanlı bir şekilde asenkron mesaj ve olay odaklı çalışır, senkronizasyon planlamasına ihtiyaç duymaz. Temsil edilen projeler arasında AO, ICP, Cartesi gibi projeler bulunmaktadır.

Ve aşina olduğumuz Rollup veya parçalama ölçeklendirme çözümleri, sistem düzeyinde bir eşzamanlılık mekanizmasıdır ve zincir içi paralel hesaplama kapsamına girmez. Bunlar, "birden fazla zincir/uygulama alanını paralel çalıştırarak" ölçeklendirme sağlar, tek bir blok/ sanal makine içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür ölçeklendirme çözümleri bu makalenin odak noktası değildir, ancak yine de mimari konseptlerin karşılaştırılması için kullanılacaktır.

İki, EVM uyumlu paralel artırılmış zincir: Uyum içinde performans sınırlarını aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi, parçalama, Rollup, modüler mimari gibi birçok genişleme denemesi geçirmiştir, ancak yürütme katmanındaki verimlilik darboğazı hala köklü bir kırılma yaşamamıştır. Ancak bu arada, EVM ve Solidity, hala mevcut en büyük geliştirici tabanına ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, EVM tabanlı paralel güçlendirilmiş zincir, ekosistem uyumluluğunu ve yürütme performansını artırma konusunda anahtar bir yol olarak, yeni bir genişleme evriminin önemli bir yönü haline gelmektedir. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsilci projeler olup, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırması ile yüksek eşzamanlılık ve yüksek verimlilik senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisi oluşturmaktadır.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad, Ethereum sanal makinesi (EVM) için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blockchain'dir ve temel paralel işleme (Pipelining) fikrine dayanmaktadır. Konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution) ve yürütme katmanında iyimser paralel yürütme (Optimistic Parallel Execution) uygulanmaktadır. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) tanıtmaktadır ve uçtan uca optimizasyon sağlamaktadır.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir ve temel düşüncesi, blok zincirinin yürütme sürecini birden fazla bağımsız aşamaya ayırmak ve bu aşamaları paralel işlemek suretiyle üç boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama bağımsız bir iş parçacığında veya çekirdekte çalışır, bloklar arası eşzamanlı işleme olanak tanır ve nihayetinde verimliliği artırmak ve gecikmeyi azaltmak için hedeflenir. Bu aşamalar şunlardır: işlem önerisi (Propose), konsensüs sağlama (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok gönderimi (Commit).

Asenkron Çalışma: Konsensüs - İcra Asenkron Ayrıştırma

Geleneksel zincirde, işlem mutabakatı ve yürütme genellikle senkronize bir süreçtir, bu seri model performans genişlemesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile mutabakat katmanını asenkron, yürütme katmanını asenkron ve depolamayı asenkron hale getirir. Blok süresini (block time) ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak sistemi daha esnek hale getirir, işlem süreçlerini daha ayrıntılı hale getirir ve kaynak kullanım oranını artırır.

Temel Tasarım:

• Konsensüs süreci (konsensüs katmanı) yalnızca işlemleri sıralamaktan sorumludur, sözleşme mantığını yerine getirmez.
• İcra süreci (icra katmanı) konsensüs tamamlandıktan sonra asenkron olarak tetiklenir.
• Konsensüs tamamlandıktan sonra hemen bir sonraki blok konsensüs sürecine girilir, yürütmenin tamamlanmasını beklemeye gerek yoktur.

İyimser Paralel Çalıştırma：乐观并行执行

Geleneksel Ethereum, durum çatışmalarını önlemek için işlem yürütümünde katı bir seri model benimserken, Monad "iyimser paralel yürütme" stratejisini kullanarak işlem işleme hızını önemli ölçüde artırır.

İcra mekanizması:

• Monad, çoğu işlemin durum çakışması olmadan gerçekleştirilmesi varsayımıyla, tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak yürütür.
• Aynı anda bir "Çatışma Dedektörü (Conflict Detector))" çalıştırarak işlemler arasında aynı duruma erişilip erişilmediğini (örneğin, okuma/yazma çatışmaları) izler.
• Çatışma tespit edilirse, çatışma işlemleri seri hale getirilerek yeniden yürütülecek, durum doğruluğu sağlanacaktır.

Monad, mümkün olduğunca az EVM kuralını değiştiren uyumlu bir yol seçti; yürütme sürecinde durumu yazmayı erteleyerek ve dinamik çakışmaları tespit ederek paralellik sağladı. Bu, daha çok performans odaklı bir Ethereum gibidir ve olgunluğu sayesinde EVM ekosistemine göçü kolaylaştırmaktadır, EVM dünyasının paralel hızlandırıcısıdır.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad'tan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmıştır; bağımsız bir L1 kamu zinciri olarak ya da Ethereum üzerindeki yürütme artırma katmanı (Execution Layer) veya modüler bileşen olarak kullanılabilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu, bağımsız olarak zamanlanabilen en küçük birimlere ayırarak zincir içindeki yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneğini sağlamaktır. MegaETH'in önerdiği ana yenilik, "zincir içi çoklu iş parçacığı" paralel yürütme sistemini inşa eden Micro-VM mimarisi + Durum Bağımlılığı DAG (Yönlendirilmiş Asiklik Durum Bağımlılık Grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasıdır.

Micro-VM (Mikro Sanal Makine) Mimarisi: Hesap, İşlemdir

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine (Micro-VM)" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçacıklarıyla" ayrıştırır ve paralel zamanlama için minimum yalıtım birimi sağlar. Bu VM'ler, senkron çağrılar yerine asenkron mesaj iletişimi (Asynchronous Messaging) ile birbirleriyle iletişim kurar, çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir, bağımsız olarak depolanabilir ve doğal olarak paraleldir.

Durum Bağımlılığı DAG: Bağımlılık Grafiği Tabanlı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkilerine dayalı bir DAG zamanlama sistemi inşa etti. Sistem, her işlemde hangi hesapların değiştirildiğini, hangi hesapların okunduğunu gerçek zamanlı olarak koruyan bir küresel bağımlılık grafiği (Dependency Graph) tutar. Çatışmasız işlemler doğrudan paralel olarak gerçekleştirilebilir, bağımlılık ilişkisi olan işlemler ise topolojik sıraya göre seri veya ertelenmiş olarak zamanlama sırası yapılır. Bağımlılık grafi, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrarsız yazmayı garanti eder.

Asenkron İcra ve Geri Çağırma Mekanizması

B

Sonuç olarak, MegaETH, geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, mikro sanal makine paketlemesini hesap birimi olarak gerçekleştirir, işlem zamanlaması için durum bağımlılık grafiğini kullanır ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizmasıyla değiştirir. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme süreci" boyutunda yeniden tasarlanan bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemler inşa etmek için paradigma düzeyinde yeni bir fikir sunmaktadır.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM olarak tamamen soyutlama yolunu seçti: aşırı paralel potansiyeli serbest bırakmak için asenkron yürütme planlaması ile. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel üst sınırı daha yüksektir, ancak karmaşıklığı kontrol etmek de daha zordur; bu, Ethereum felsefesi altında süper dağıtılmış bir işletim sistemine daha çok benziyor.

Monad ve MegaETH'nin tasarım felsefeleri, parçalama (Sharding) ile oldukça farklıdır: Parçalama, blok zincirini yatay olarak birkaç bağımsız alt zincire (parçalar Shards) böler, her bir alt zincir belirli işlemler ve durumlar için sorumludur, tek zincir kısıtlamalarını ağ katmanında genişletir; oysa Monad ve MegaETH, tek zincir bütünlüğünü koruyarak yalnızca yürütme katmanında yatay genişleme sağlar ve tek zincir içinde aşırı paralel yürütme optimizasyonları ile performansını artırır. İkisi, blok zinciri genişletme yollarındaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içindeki TPS'yi artırmak için ana hedef olarak geçiş optimizasyon yollarına odaklanmaktadır. Bu, işlem düzeyinde veya hesap düzeyinde paralel işleme ulaşmak için Gecikmeli İcra (Deferred Execution) ve Mikro Sanal Makine (Micro-VM) mimarisi aracılığıyla gerçekleştirilmektedir. Pharos Network ise modüler, tam yığın bir L1 blok zinciri ağıdır ve ana paralel hesaplama mekanizması "Rollup Mesh" olarak adlandırılmaktadır. Bu mimari, ana ağ ile Özel İşlem Ağları (SPN'ler) arasındaki işbirliği ile çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) destekler ve sıfır bilgi kanıtları (ZK), güvenilir yürütme ortamları (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre eder.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizması analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Boru Hattı İşlemi (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos, işlemlerin çeşitli aşamalarını (örneğin, uzlaşma, yürütme, depolama) birbirinden ayırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel olarak gerçekleşmesini sağlar, böylece genel işlem verimliliğini artırır.
2. İkili Sanal Makine Paralel Çalıştırma (Dual VM Parallel Execution): Pharos, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun yürütme ortamını seçmelerine olanak tanıyan EVM ve WASM olmak üzere iki sanal makine ortamını destekler. Bu ikili VM mimarisi, sistemin esnekliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda paralel çalıştırma ile işlem işleme kapasitesini de yükseltir.
3. Özel İşlem Ağı (SPN'ler): SPN'ler, Pharos mimarisinin temel bileşenleridir ve belirli türdeki görevleri veya uygulamaları işlemek üzere özel olarak tasarlanmış modüler alt ağlar gibidir. SPN'ler aracılığıyla, Pharos kaynakların dinamik olarak dağıtılmasını ve görevlerin paralel olarak işlenmesini sağlayarak sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Stake Mekanizması (Modular Consensus & Restaking): Pharos, birden fazla konsensüs modelini (örneğin PBFT, PoS, PoA) destekleyen esnek bir konsensüs mekanizması tanıtmaktadır ve yeniden stake protokolü (Restaking) aracılığıyla ana ağ ile SPN'ler arasında güvenli paylaşım ve kaynak entegrasyonu sağlar.

Ayrıca, Pharos çoklu versiyon Merkle ağaçları, fark kodlama (Delta Encoding), versiyon