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Autor: Ali Sheikh, analista cifrado;
Este artículo describirá la arquitectura de diseño paralelo de la cadena de bloques, y tomará prestado tres ejemplos relacionados: Solana, SEI y Monad.Este artículo enfatiza las diferencias entre el optimismo y el paralelismo, y comprende la diferencia sutil entre el estado y el acceso a la memoria en estas cadenas.
1Prefacio
En 1837, el científico informático y matemático Charles Babbage diseñó un «motor analítico», que sentó las bases teóricas para la informática paralela.Hoy, la paralelización es un tema clave del mundo encriptado.
La computación paralela permite que muchos cálculos o procesos funcionen simultáneamente en lugar de realizar cálculos en orden o uno tras otro.El cálculo paralelo se refiere a la descomposición de problemas más grandes en múltiples partes independientes más pequeñas.El sistema paralelo tiene muchas ventajas, como mejorar la eficiencia y la velocidad, la escalabilidad, la mejora de la confiabilidad y la tolerancia a las fallas, la optimización de la utilización de recursos y la capacidad de tratar grandes conjuntos de datos.
Sin embargo, reconocer la efectividad del paralelismo depende de la estructura de la arquitectura subyacente y los detalles de la realización.Los dos cuellos de botella principales de la cadena de bloques son funciones cifradas (funciones hash, firmas, curvas ovales, etc.) y acceso a la memoria/estado.Para la cadena de bloques, uno de los componentes clave del sistema eficiente y paralelo es la sutil diferencia entre el acceso al estado.El acceso al estado se refiere a la capacidad de leer y escribir el estado de la cadena de bloques, incluidos el almacenamiento, los contratos inteligentes y los saldos de cuenta.Para que la cadena de bloques paralela sea efectiva y de alto rendimiento, el acceso al estado debe optimizarse.
En la actualidad, hay dos géneros ideológicos para optimizar el acceso al estado de la cadena de bloques de paralelización: la certeza es paralela y optimista.Determine en paralelo requiere que el código se indique claramente de antemano a qué partes del estado blockchain se accederán y modificarán.Esto permite que el sistema determine qué transacciones se pueden procesar paralelas sin conflicto.La determinación respalda la previsibilidad y la eficiencia (especialmente en el caso de la mayoría de las transacciones independientes).Sin embargo, aporta más complejidad a los desarrolladores.
El paralelo optimista no requiere que el código pre -decorado su acceso de estado para tratar con el comercio paralelo, como si no hubiera conflicto.Si hay un conflicto, optimista y paralelo se reorganizará, tratará o operarán en serie las transacciones de conflictos.Aunque la optimista y la paralelización proporcionan una mayor flexibilidad para los desarrolladores, los conflictos deben ser ejecutados.En cuanto a qué método es mejor, no hay una respuesta correcta.Son solo dos formas diferentes de lograr la paralelización.
A continuación, primero exploramos algunos conocimientos básicos relacionados con los sistemas paralelos no cifrados, y luego observamos el espacio de diseño de la ejecución paralela de blockchain. Oportunidades para la esencia de oportunidades de diseño paralelo
2, Sistema paralelo no entrelazado
A través de las funciones de la computación paralela y el sistema paralelo que acabamos de aprender, es fácil entender por qué la informática paralela se ha vuelto popular en los últimos años.Y en las últimas décadas, la computación paralela ha mostrado una tendencia creciente y ha logrado muchos avances.
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Imagen médica: El tratamiento paralelo ha cambiado fundamentalmente las imágenes médicas, lo que provoca un aumento significativo en la velocidad y resolución de varios modos de imagen (como resonancia magnética, CT, rayos x y escaneo de fallas ópticas).Nvidia está a la vanguardia de estos progresos.
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astronomía:Algunos nuevos fenómenos astronómicos, como la comprensión de los agujeros negros, solo pueden realizarse mediante el uso de supercomputadoras paralelas.
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UnidadMotor de juego:El motor Unity utiliza la capacidad de GPU (especialmente construida para cargas de trabajo gráficas a gran escala) para ayudar a mejorar el rendimiento y la velocidad.El motor está equipado con una función de procesamiento de múltiples hilos y paralelos, que brinda una experiencia de juego perfecta y puede crear un entorno de juego complejo y realista.
Echemos un vistazo a las tres blockchains que se han desplegado en paralelo.Primero, veamos Solana, y luego dos cadenas basadas en EVM -Monad y SEI.
3, Descripción general del diseño paralelo
(1) Solana
Desde la perspectiva de los altos niveles, el concepto de diseño de Solan es que la innovación de blockchain debería desarrollarse con hardware.Con el tiempo, el hardware se mejora continuamente según la ley de Moore, y el diseño de Solana se beneficiará de la mejora del rendimiento y la escalabilidad.El cofundador de Solana Anatoly Yakovenko diseñó la arquitectura paralela original de Solana hace más de cinco años.
Solana usa una cierta manera en paralelo, que proviene de la experiencia de Anatoly en el procesamiento de sistemas integrados en el pasado.Esto permite que la CPU conozca todas las dependencias y le permita cargar la parte necesaria de la memoria por adelantado.El resultado es optimizar la ejecución del sistema, pero una vez más, requiere que los desarrolladores realicen un trabajo adicional por adelantado.En Solana, todas las dependencias de memoria del programa son necesarias y declaran en la transacción construida (es decir, la lista de acceso), para que el tiempo de ejecución pueda programar fácilmente y realizar múltiples transacciones en paralelo.
El siguiente componente principal de la arquitectura Solana es SeaLevel VM, que es el contrato inteligente paralelo de Solana.SeaLevel admite de forma nativa múltiples contratos y transacciones en función del número de núcleos de la verificación.Las verificaciones en la cadena de bloques son los participantes de la red responsables de verificar las transacciones, propuestos nuevos bloques y mantener la integridad y la seguridad de Blockchain.Dado que los estados previos de la transacción que las cuentas deben leerse, escribir y bloquear, el programador de Solana puede determinar qué transacciones se pueden ejecutar paralelas.Debido a esto, cuando se trata de verificación, el «productor de bloque» o el líder puede clasificar miles de transacciones procesadas y programar transacciones no superpuestas paralelas.
El último elemento de diseño de Solana es la «tubería».Cuando necesita procesar datos en una serie de pasos, y cada paso es responsable de diferentes hardware, se activa la tubería.La idea clave aquí es obtener datos que requieran operación en serie y usar la tubería para paralelo.Estas tuberías pueden funcionar paralelas y pueden manejar diferentes paquetes de negociación en cada etapa de tuberías.
Estas optimizaciones permiten que SeaLevel organice y ejecute transacciones independientes al mismo tiempo, y use la capacidad del hardware para usar un programa para procesar múltiples puntos de datos al mismo tiempo.SeaLevel ordene las instrucciones de acuerdo con ProgramID, y realice las mismas instrucciones paralelas a todas las cuentas relevantes.
A través de estas innovaciones, podemos ver que Solana está diseñada intencionalmente para apoyar la paralelización.
2 (2) Sei
SEI es una cadena de bloques L1 de código abierto general, que se dedica a las transacciones de activos digitales.SEI V2 utiliza un método optimista y paralelo, por lo que es más amigable para los desarrolladores.En el modo paralelo optimista, los contratos inteligentes se pueden ejecutar de manera más perfecta y paralela, y ningún desarrollador necesita declarar sus recursos por adelantado.Esto significa ejecutar todas las transacciones en paralelo.Sin embargo, cuando ocurre un conflicto (es decir, el mismo estado de transacciones múltiples), la cadena de bloques rastreará un componente de almacenamiento específico afectado por cada intercambio de conflictos.
La SEI blockchain utiliza el mecanismo de «control concurrente optimista (OCC)» para realizar transacciones.Las transacciones concurrentes ocurren durante múltiples transacciones en el sistema al mismo tiempo.Hay dos etapas de este método de transacción: ejecución y verificación.
Durante la etapa de ejecución, la transacción es optimista y se almacena temporalmente en transacciones específicas.Desde entonces, cada transacción ingresará a la fase de verificación.Si la transacción es independiente, la transacción se ejecutará paralela.Si los datos leídos por una transacción han sido modificados por otra transacción, entrará en conflicto.El sistema paralelo de SEI identificará cada conflicto a través de los últimos cambios de estado en el conjunto de datos de lectura y el último almacenamiento de estado (estos cambios están indexados en la orden de transacción).SEI volverá a ejecutar y reverificará la instancia en la posición de conflicto.Este es un proceso iterativo que implica ejecución, verificación y reorganización para reparar el conflicto.La siguiente figura muestra cómo SEI maneja la transacción cuando hay un conflicto.
La implementación de SEI proporciona a los desarrolladores EVM tarifas de gas más bajas y un espacio de diseño más amplio.Durante mucho tiempo, el entorno EVM se ha limitado a menos de 50 TPS, lo que obliga a los desarrolladores a crear aplicaciones que sigan el anti -mode.SEI V2 permite a los desarrolladores estar cerca de áreas que generalmente requieren un alto rendimiento y bajos costos, como Defi, Depin y Juegos.
3 (3) Mónada
Mónada está construyendo un EVM L1 paralelo con una compatibilidad completa de Bytecode.La singularidad de la monad se encuentra no solo en su motor paralelo, sino también en el motor de optimización que construyen en la parte inferior.Monad utiliza un método de diseño general único que combina varias características clave, como tubería, E/S asíncrona, separación de ejecución de consenso y MonadDB.
Una innovación clave diseñada por Monad es la tubería con un ligero desplazamiento.El desplazamiento permite más procesos ejecutando múltiples instancias al mismo tiempo.Por lo tanto, la tubería se utiliza para optimizar muchas funciones, como la tubería, la ejecución de la transacción, la tubería, el consenso y la ejecución de la canalización interna y la tubería en el mecanismo de consenso en sí.
A continuación, veremos la parte paralela de Mónada.En Mónada, la transacción se clasifica linealmente en el bloque, pero el objetivo es lograr el estado final mediante la ejecución paralela.El diseño del motor de ejecución de Monad utiliza un algoritmo paralelo optimista.El motor de Monad maneja la transacción al mismo tiempo, y luego realiza un análisis para garantizar que si la transacción se ejecuta una tras otra, se obtendrán los mismos resultados.Si hay algún conflicto, debe volver a ejecutar.La ejecución paralela aquí es un algoritmo relativamente simple, pero combinarla con otras innovaciones clave de la monad hace que este método sea novedoso.Una cosa a tener en cuenta aquí es que incluso si se produce una re -ejecutación, generalmente es muy barata, porque la entrada requerida para el comercio no válido siempre se ha conservado en el caché, por lo que esta será una simple búsqueda de caché.Se garantiza que la ejecución de la referencia tendrá éxito porque ha ejecutado las transacciones anteriores en el bloque.
Mónada también mejora el rendimiento al separar la ejecución y el consenso (similar a Solana y SEI) y la ejecución retrasada.La idea es que si relaja las condiciones de ejecución para que pueda completar la ejecución antes de lograr el consenso, puede ejecutar la ejecución y el consenso paralelo para aumentar el tiempo extra a los dos.Por supuesto, Monad usa un algoritmo de certeza para lidiar con esta situación para garantizar que uno de ellos no corra demasiado lejos y se salga de control.
4Método único de acceso de estado y memoria
Como mencioné al comienzo de este artículo, el acceso al estado es uno de los cuellos de botella de rendimiento típicos de la cadena de bloques.La selección de diseño de acceso y memoria de estado puede finalmente determinar si la implementación específica del sistema paralelo mejorará el rendimiento en la práctica.A continuación comprenderemos y compararemos los diferentes métodos adoptados por Solana, SEI y Mónada.
(1) SolanaAcceso de estado: AccountsDB / CloudBreak
Solana utiliza la expansión horizontal para distribuir y administrar datos de estado en múltiples dispositivos SSD.Hoy, muchos blockchain usan bases de datos generales (es decir, niveldb), que tiene restricciones en el procesamiento de una gran cantidad de datos de estado de lectura y escritura concurrentes.Para evitar esto, Solana usó CloudBread para crear su propia base de datos de cuentas personalizada.
CloudBream está diseñado para el acceso paralelo para operaciones cruzadas de I/O, en lugar de simplemente confiar en RAM, que es rápido.La operación de E/S (entrada/salida) se refiere al funcionamiento de la lectura de datos de la fuente externa (como disco, red o dispositivo periférico) o escribir datos.Inicialmente, Cloudbread utilizó un índice interno de RAM para asignar la clave pública a las cuentas con el saldo y los datos.Sin embargo, al escribir este artículo, el índice V1.9 se ha movido de RAM a SSD.Esta transformación permite que Cloudbread maneje las operaciones 32 (E/S) en su cola al mismo tiempo, mejorando así el rendimiento de múltiples SSD.Por lo tanto, puede acceder a los datos de blockchain, como cuentas y transacciones, al igual que en RAM usando archivos de mapeo de memoria.La siguiente figura muestra la estructura de memoria.Aunque el RAM es más rápido, su capacidad es más pequeña que SSD, y generalmente es más costosa:
A través de la extensión horizontal y la distribución de los datos de estado en múltiples dispositivos, CloudBream ha reducido el retraso y mejora la eficiencia, la descentralización y la elasticidad de la red del ecosistema Solana.
2 (2) SeiVisita de estado: SEIDB
SEI ha rediseñado su almacenamiento -SEIDB -para resolver los siguientes problemas: escriba un aumento (la cantidad de meta -datos requiere la estructura de datos, cuanto más pequeña, mejor), la expansión del estado, la operación lenta y el rendimiento del rendimiento sobre tiempo.El nuevo diseño de referencia ahora se divide en dos componentes: almacenamiento estatal y compromiso de estado.Los registros y la verificación de cualquier cambio en los datos son procesados por el estado, y en cualquier momento, la base de datos de todos los datos se procesa mediante el almacenamiento de estado (SS).
En SEI V2, el estado promete utilizar la mapeo de memoria IAVL Tree Architecture (MEMIAVL).Mapeo de memoria El árbol IAVL almacenado menos metadatos, lo que reduce el almacenamiento de estado y el tiempo de sincronización de estado, y facilita la ejecución de un nodo completo.El árbol de mapeo de memoria IAVL se expresa como los tres archivos en el disco (archivos KV, archivos de ramas y archivos de hoja);La nueva estructura MEMIAVL ayuda a reducir la escritura de factores grandes porque reduce los metadatos necesarios para mantener la estructura de datos.
El SEIDB actualizado permite el soporte flexible de la base de datos a la capa de almacenamiento de estado.SEI cree que las necesidades y las necesidades de almacenamiento de diferentes operadores de nodos son diferentes.Por lo tanto, el diseño de SS proporciona a los operadores libertad y flexibilidad, como Pebbledb, RockSDB, SQLite, etc. para los operadores.
3 (3) MónadaVisita de estado: Monaddb
Hay algunas diferencias importantes en el acceso al estado de la monada.En primer lugar, la mayoría de los clientes de Ethereum usan dos tipos de bases de datos: base de datos B-tree (es decir, LMDB) o la base de datos de la estructura de registro combinada (LSM) (es decir, RockSDB, LevelDB).Ambos son estructuras de datos universales, no especialmente diseñadas para blockchain.Además, estas bases de datos no utilizaron el último progreso de la tecnología Linux, especialmente en operaciones asíncronas y optimización de E/S.Finalmente, Ethereum utiliza el estado de gestión del árbol MPT.El principal problema es que el cliente debe integrar este árbol MPT específico en una base de datos más común (es decir, b-tree / LSM), lo que traerá serios defectos de rendimiento, como el acceso excesivo de disco.
Todos ellos ayudan a sentar las bases para que Monad decida crear una base de datos MONADDB personalizada.Algunas de las características clave de MonadDB incluyen la base de datos de acceso paralelo, la optimización de la base de datos personalizada para los datos de Merkle Trie, el acceso al estado de alta eficiencia, las características descentralizadas y la escalabilidad que es mejor que el uso estándar de la RAM.
MonadDB está diseñado para blockchain para que sea más rendimiento que usar la base de datos Universal.Custom MonadDB está dedicado a la gestión eficiente de los datos de tipo Merkle Trie y admite entrevistar múltiples nodos TRIE en paralelo.Aunque MonadDB es el mismo que el costo de lectura único de algunas bases de datos universales mencionadas anteriormente, la característica clave de MonadDB es que puede ejecutar una lectura múltiple en paralelo, lo que provoca una gran velocidad.
MonadDB admite acceso sincrónico a la base de datos de acceso paralelo.Debido a que Mónada inicia esta base de datos desde cero, puede usar la última tecnología de kernel de Linux y todas las funciones de SSD para lograr E/S asíncronas.Usando E/S asincrónica, si una transacción necesita leer el estado desde un disco, esto no debería brindar resistencia a la operación.En cambio, debe comenzar a leer y continuar manejando otras transacciones al mismo tiempo.Esta es la forma en que la E/S asíncrona acelera significativamente la velocidad de procesamiento de MonaddB.La mónada puede obtener un mejor rendimiento del hardware optimizando el uso de SSD y reduciendo el exceso de RAM.Esto tiene un beneficio adicional para la descentralización y la alineación de la escalabilidad.
5,en conclusión
En resumen, explorar el desarrollo paralelo en Blockchain a través de la perspectiva de Solana, SEI y Mónada puede comprender completamente cómo las diferentes arquitecturas y métodos pueden mejorar el rendimiento y la escalabilidad.La confirmación de Solana en paralelo presta atención al acceso al estado de pre -declaración, proporcionando previsibilidad y eficiencia, lo que lo convierte en una poderosa opción para aplicaciones con requisitos de alto rendimiento.Por otro lado, el optimismo y los métodos paralelos de SEI dan prioridad a la flexibilidad de los desarrolladores, y es muy adecuado para conflictos ambientales.Con su forma optimista y paralela única y MonadDB personalizado, Monad proporciona una solución innovadora para optimizar el acceso y el rendimiento del estado mediante el uso del último progreso tecnológico.
Cada blockchain proporciona un método único para resolver desafíos de paralelización y tiene un conjunto de sus propias ganancias y desventajas.El diseño de Solana tiene como objetivo maximizar la máxima utilización y rendimiento del hardware, mientras que SEI se enfoca en simplificar el proceso de desarrollo, y Mónad se enfoca en la solución de la base de datos adaptada para los datos de blockchain.Estas diferencias resaltan la diversidad de los ecosistemas de blockchain y la importancia de elegir una plataforma adecuada de acuerdo con las necesidades específicas de la aplicación.
Con el desarrollo continuo del campo blockchain, el avance de las tecnologías de paralelización mostradas por SOI, Mónada y SEI sin duda inspirará una mayor innovación.El viaje a una cadena de bloques más eficiente, más escalable y más amigable está en marcha.
