Web3 Paralel Hesaplama Yarış Alanı Panorama Haritası: Yerel Ölçeklenmenin En İyi Çözümü?

I. Giriş: Blok Zinciri Paralel Hesaplama Teknolojisinin Evrimi

Blockchain'ın "imkansız üçgeni" (Blockchain Trilemma) "güvenlik", "merkeziyetsizlik" ve "ölçeklenebilirlik" blockchain sistem tasarımındaki temel dengeyi ortaya koymaktadır; yani blockchain projelerinin "üst düzey güvenlik, herkesin katılımı ve hızlı işlem" sağlamakta zorlanmasıdır. "Ölçeklenebilirlik" konusuna yönelik olarak, şu anda piyasadaki ana akım blockchain ölçeklendirme çözümleri paradigmalarına göre ayrılmaktadır, bunlar arasında:

• Gelişmiş ölçeklendirmeyi uygulamak: Yürütme yeteneklerini yerinde artırmak, örneğin paralel, GPU, çok çekirdekli
• Durum İzolasyonu Tabanlı Ölçeklenebilirlik: Yatay Bölme Durumu / Shard, örneğin parçalama, UTXO, çoklu alt ağ
• Zincir dışı dış kaynak kullanımı genişletmesi: İşlemleri zincir dışında gerçekleştirmek, örneğin Rollup, Coprocessor, DA
• Yapı ayrık genişleme: Mimari modülerlik, işbirliği içinde çalışma, örneğin modül zinciri, paylaşılan sıralayıcı, Rollup Mesh
• Asenkron Eşzamanlı Ölçekleme: Aktör modeli, süreç izolasyonu, mesaj odaklı, örneğin ajanlar, çok iş parçacıklı asenkron zincir

Blok zinciri ölçeklendirme çözümleri şunları içerir: zincir içi paralel hesaplama, Rollup, parçalama, DA modülü, modüler yapı, Aktör sistemi, zk kanıtı sıkıştırma, Durumsuz mimari vb. Bu çözümler, yürütme, durum, veri ve yapı gibi birçok katmanı kapsamaktadır ve "çok katmanlı işbirliği, modül kombinasyonu" tam bir ölçeklendirme sistemi sunmaktadır. Bu makalede paralel hesaplamanın ana akım ölçeklendirme yöntemi olarak tanıtılmasına odaklanılmaktadır.

Zincir içi paralel hesaplama ( intra-chain parallelism ), blok içindeki işlemlerin/komutların paralel yürütülmesine odaklanmaktadır. Paralel mekanizmalara göre, genişleme yöntemleri beş ana kategoriye ayrılabilir; her bir kategori farklı performans hedeflerini, geliştirme modellerini ve mimari felsefeleri temsil eder. Paralel parçacık boyutu giderek daha ince, paralel yoğunluk giderek daha yüksek, planlama karmaşıklığı giderek daha fazla, programlama karmaşıklığı ve uygulama zorluğu da giderek daha fazla artmaktadır.

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

Zincir dışı asenkron eşzamanlı model, Aktör akıllı ajan sistemi (Agent/Actor Model) ile temsil edilir. Bunlar, başka bir paralel hesaplama paradigmasına aittir ve zincirler arası/asenkron mesaj sistemleri (blok senkronizasyon modeli değil) olarak çalışır. Her bir Ajan, bağımsız olarak çalışan "akıllı ajan süreçleri" olarak görev yapar; asenkron mesajlar, olay tetikleme ve senkronizasyon planlaması gerektirmeyen paralel bir yöntemle çalışırlar. Temsil edilen projeler arasında AO, ICP, Cartesi gibi projeler bulunmaktadır.

Ve bizim iyi bildiğimiz Rollup veya parçalama ölçeklendirme çözümleri, sistem düzeyinde bir eş zamanlılık mekanizmasına aittir ve zincir içi paralel hesaplamaya dahil değildir. Bunlar ölçeklendirme sağlamak için "birden fazla zincir/uygulama alanını paralel çalıştırarak" bunu gerçekleştirirler, tek bir blok/ sanal makine içindeki paralellik derecesini artırmak yerine. Bu tür ölçeklendirme çözümleri bu makalenin odak noktası değildir, ancak yine de mimari kavramların farklılıklarını karşılaştırmak için kullanımını sürdüreceğiz.

İki, EVM tabanlı paralel artırma zinciri: Uyum içinde performans sınırlarını aşmak

Ethereum'un seri işleme mimarisi, shardlama, Rollup, modüler mimari gibi birçok genişleme denemesi geçirmiştir, ancak yürütme katmanındaki verimlilik darboğazı hâlâ köklü bir aşamadan geçmemiştir. Ancak bu arada, EVM ve Solidity hâlâ mevcut en güçlü geliştirici tabanına ve ekosistem potansiyeline sahip akıllı sözleşme platformlarıdır. Bu nedenle, ekosistem uyumluluğu ve yürütme performansını artırmayı dengeleyen EVM tabanlı paralel güçlendirme zinciri, yeni bir genişleme evriminin önemli bir yönü haline gelmektedir. Monad ve MegaETH, bu yönde en temsili projeler olup, sırasıyla gecikmeli yürütme ve durum ayrıştırmasıyla yüksek eşzamanlılık ve yüksek verimlilik senaryolarına yönelik EVM paralel işleme mimarisini inşa etmektedir.

Monad'ın paralel hesaplama mekanizması analizi

Monad, Ethereum Sanal Makinesi (EVM) için yeniden tasarlanmış yüksek performanslı bir Layer1 blok zinciridir ve temel paralel işleme (Pipelining) ilkesine dayanmaktadır; konsensüs katmanında asenkron yürütme (Asynchronous Execution) ve yürütme katmanında iyimser eşzamanlılık (Optimistic Parallel Execution) sağlamaktadır. Ayrıca, konsensüs ve depolama katmanlarında, Monad sırasıyla yüksek performanslı BFT protokolü (MonadBFT) ve özel veritabanı sistemi (MonadDB) tanıtmaktadır, uçtan uca optimizasyonu gerçekleştirmektedir.

Pipelining: Çok aşamalı boru hattı paralel yürütme mekanizması

Pipelining, Monad'ın paralel yürütme temel ilkesidir. Temel düşüncesi, blok zincirinin yürütme sürecini birkaç bağımsız aşamaya ayırmak ve bu aşamaları paralel olarak işlemek, çok boyutlu bir boru hattı mimarisi oluşturmaktır. Her aşama bağımsız iş parçacıklarında veya çekirdeklerde çalışır ve bloklar arası eşzamanlı işlemeyi gerçekleştirir. Sonuç olarak, throughput'u artırmayı ve gecikmeyi azaltmayı hedefler. Bu aşamalar şunları içerir: işlem önerisi (Propose), konsensüs sağlama (Consensus), işlem yürütme (Execution) ve blok teslimi (Commit).

Asenkron İcra: Konsensüs - İcra Asenkron Ayrıştırma

Geleneksel blok zincirinde, işlem konsensüsü ve yürütmesi genellikle senkron bir süreçtir, bu seri model performans ölçeklenmesini ciddi şekilde kısıtlar. Monad, "asenkron yürütme" ile konsensüs katmanını asenkron, yürütme katmanını asenkron ve depolamayı asenkron hale getirdi. Blok zamanını (block time) ve onay gecikmesini önemli ölçüde azaltarak sistemi daha dayanıklı, işlem süreçlerini daha ayrıntılı ve kaynak verimliliğini artırır.

Kilit Tasarım:

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

İyimser Paralel İcra：乐观并行执行

Geleneksel Ethereum, durum çakışmalarını önlemek için işlem yürütmesinde katı bir seri model kullanır. Monad ise "iyimser paralel yürütme" stratejisini benimsiyor ve işlem işleme hızını önemli ölçüde artırıyor.

İcrası mekanizması:

• Monad, çoğu işlem arasında durum çakışması olmadığı varsayımıyla tüm işlemleri iyimser bir şekilde paralel olarak yürütür.
• Aynı anda bir "Çatışma Dedektörü (Conflict Detector))" çalıştırarak işlemler arasında aynı duruma (örneğin, okuma/yazma çatışmaları) erişilip erişilmediğini izler.
• Çatışma tespit edilirse, çatışan işlemler sıralı olarak yeniden yürütülecek, durumun doğruluğu sağlanacaktır.

Monad, uyumlu bir yol seçti: EVM kurallarını mümkün olduğunca az değiştirmek, yürütme sırasında durumu yazmayı erteleyerek ve çatışmaları dinamik olarak tespit ederek paralellik sağlamak, daha çok performans odaklı bir Ethereum gibi, olgunluğu sayesinde EVM ekosistemine geçişi kolaylaştırıyor, EVM dünyasının paralel hızlandırıcısıdır.

MegaETH'nin paralel hesaplama mekanizmasının analizi

Monad'tan farklı olarak, MegaETH, EVM uyumlu modüler yüksek performanslı paralel yürütme katmanı olarak konumlandırılmaktadır. Hem bağımsız bir L1 halka zinciri olarak, hem de Ethereum üzerindeki yürütme artırma katmanı (Execution Layer) veya modüler bileşen olarak işlev görebilir. Temel tasarım hedefi, hesap mantığını, yürütme ortamını ve durumu, bağımsız olarak planlanabilen en küçük birimlere ayırarak zincir içi yüksek eşzamanlı yürütme ve düşük gecikme yanıt yeteneği sağlamaktır. MegaETH'nin sunduğu ana yenilik, "zincir içi iş parçacıklı" paralel yürütme sistemini oluşturmak için Micro-VM mimarisi + Durum Bağımlılığı DAG (yönlendirilmiş döngüsel durum bağımlılık grafiği) ve modüler senkronizasyon mekanizmasının birleşimidir.

Micro-VM (mikro sanal makine) mimarisi: hesap bir iş parçacığıdır

MegaETH, "her hesap için bir mikro sanal makine (Micro-VM)" yürütme modelini tanıtarak yürütme ortamını "iş parçacığına dayalı" hale getirir ve paralel zamanlama için en küçük ayrıştırma birimini sağlar. Bu VM'ler, senkron çağrılar yerine asenkron mesaj iletişimi (Asynchronous Messaging) aracılığıyla iletişim kurar; çok sayıda VM bağımsız olarak çalışabilir ve bağımsız olarak depolanabilir, bu da doğal olarak paralel bir yapı oluşturur.

State Dependency DAG: Bağımlılık Grafiği Tabanlı Zamanlama Mekanizması

MegaETH, hesap durumu erişim ilişkilerine dayanan bir DAG zamanlama sistemi inşa etti. Sistem, her işlemde hangi hesapların değiştiğini, hangi hesapların okunduğunu modelleyerek, gerçek zamanlı olarak küresel bir bağımlılık grafiği (Dependency Graph) sürdürmektedir. Çatışma olmayan işlemler doğrudan paralel olarak yürütülebilirken, bağımlılık ilişkisi olan işlemler topolojik sıraya göre seri veya ertelenmiş olarak zamanlama sırasına konulacaktır. Bağımlılık grafiği, paralel yürütme sürecindeki durum tutarlılığını ve tekrarlamayan yazma işlemlerini güvence altına alır.

Asenkron yürütme ve geri çağırma mekanizması

B

Sonuç olarak, MegaETH, geleneksel EVM tek iş parçacıklı durum makinesi modelini kırarak, hesap bazında mikro sanal makine kapsüllemesi gerçekleştirir, işlem zamanlaması için durum bağımlılık grafiği kullanır ve senkron çağrı yığını yerine asenkron mesaj mekanizması ile değiştirir. Bu, "hesap yapısı → zamanlama mimarisi → yürütme süreci" tam boyutlu olarak yeniden tasarlanmış bir paralel hesaplama platformudur ve bir sonraki nesil yüksek performanslı zincir üstü sistemlerin inşası için paradigmalar düzeyinde yeni bir düşünce sunar.

MegaETH, hesapları ve sözleşmeleri bağımsız bir VM'ye tamamen soyutlayarak yeniden yapılandırma yolunu seçti ve aşamalı yürütme zamanlaması ile aşırı paralel potansiyelini serbest bıraktı. Teorik olarak, MegaETH'nin paralel üst sınırı daha yüksektir, ancak karmaşıklığı kontrol etmek de daha zor hale gelir; 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 alt zincir belirli işlemler ve durumlarla ilgilenir, tek zincir sınırlamalarını ağ katmanında aşar; oysa Monad ve MegaETH, tek zincirin bütünlüğünü korurken, yalnızca yürütme katmanında yatay genişleme sağlar ve tek zincir içinde aşırı paralel yürütme optimizasyonları ile performansı artırır. Her iki yaklaşım, blok zinciri genişleme yollarındaki dikey güçlendirme ve yatay genişleme yönlerini temsil eder.

Monad ve MegaETH gibi paralel hesaplama projeleri, zincir içi TPS'yi artırmayı ana hedef olarak belirleyerek, veri akışını optimize etme yollarına odaklanmaktadır. İşlem seviyesinde veya hesap seviyesinde paralel işlemeyi gerçekleştirmek için Gecikmeli İcra (Deferred Execution) ve Mikro Sanal Makine (Micro-VM) mimarisi kullanmaktadır. Pharos Network ise modüler, tam yığın paralel bir L1 blok zinciri ağı olarak, temel paralel hesaplama mekanizmasına "Rollup Mesh" adını vermektedir. Bu mimari, ana ağ ile Özel İşlem Ağları (SPN'ler) arasındaki iş birliği ile çalışarak, çoklu sanal makine ortamlarını (EVM ve Wasm) desteklemekte ve sıfır bilgi kanıtı (ZK), güvenilir yürütme ortamı (TEE) gibi ileri teknolojileri entegre etmektedir.

Rollup Mesh paralel hesaplama mekanizmasının analizi:

1. Tam Yaşam Döngüsü Asenkron Borulama (Full Lifecycle Asynchronous Pipelining): Pharos, işlemin çeşitli aşamalarını (örneğin, konsensüs, yürütme, depolama) birbirinden ayırır ve asenkron işleme yöntemi kullanarak her aşamanın bağımsız ve paralel bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlar, böylece genel işlem verimliliğini artırır.
2. İkili Sanal Makine Paralel İcrası (Dual VM Parallel Execution): Pharos, geliştiricilerin ihtiyaçlarına göre uygun icra 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 icra ile işlem işleme kapasitesini de yükseltir.
3. Özel İşlem Ağları (SPN'ler): SPN'ler, Pharos mimarisinin temel bileşenleridir ve belirli görevler veya uygulamalar için tasarlanmış modüler alt ağlara benzer. SPN'ler sayesinde, Pharos kaynakların dinamik olarak tahsis edilmesini ve görevlerin paralel olarak işlenmesini sağlayarak sistemin ölçeklenebilirliğini ve performansını daha da artırır.
4. Modüler Konsensüs ve Yeniden Stake Etme Mekanizması (Modular Consensus & Restaking): Pharos, çeşitli konsensüs modellerini (örneğin, PBFT, PoS, PoA) destekleyen esnek bir konsensüs mekanizması sunar ve yeniden stake protokolü (Restaking) ile ana ağ ile SPN'ler arasında güvenli paylaşım ve kaynak entegrasyonu sağlar.

Ayrıca, Pharos, çoklu versiyonlu Merkle ağaçları, delta kodlama, versiyon adresleme ve ADS itme teknikleri ile depolama motorunun alt düzeyinden yürütme modelini yeniden yapılandırarak, yüksek performanslı yerel blok zinciri depolama motoru Pharos Store'u tanıttı ve yüksek throughput sağladı.