خذ Solana و SEI و Monad كمثال لمناقشة مساحة تصميم blockchain المتوازية

المؤلف: علي شيخ ، محلل مشفر ؛

ستوضح هذه المقالة بنية التصميم الموازية لـ blockchain ، واستعارة ثلاثة أمثلة ذات صلة: Solana و SEI و Monad.تؤكد هذه المقالة على الاختلافات بين التفاؤل والتوازي ، وتفهم الفرق الدقيق بين الحالة والوصول إلى الذاكرة على هذه السلاسل.

1مقدمة

في عام 1837 ، صمم عالم الكمبيوتر والعالم الرياضي تشارلز باباج “محرك تحليلي” ، والذي وضع الأساس النظري للحوسبة المتوازية.اليوم ، يعد التوازي موضوعًا رئيسيًا للعالم المشفر.

تتيح الحوسبة المتوازية العديد من العمليات الحسابية أو العمليات من الأداء في وقت واحد بدلاً من إجراء الحسابات بالترتيب أو واحدة تلو الأخرى.يشير الحساب الموازي إلى تحلل المشكلات الأكبر إلى أجزاء مستقلة أصغر.يحتوي النظام الموازي على العديد من المزايا ، مثل تحسين الكفاءة والسرعة ، وقابلية التوسع ، وتحسين الموثوقية وتحمل الأعطال ، وتحسين استخدام الموارد ، والقدرة على التعامل مع مجموعات البيانات الكبيرة.

ومع ذلك ، فإن إدراك فعالية التوازي يعتمد على بنية العمارة الأساسية وتفاصيل الإدراك.إن الاختناق الأساسيان من blockchain هما وظائف مشفرة (وظائف التجزئة ، والتوقيعات ، والمنحنيات البيضاوية ، وما إلى ذلك) والوصول إلى الذاكرة/الحالة.بالنسبة إلى blockchain ، فإن أحد المكونات الرئيسية للنظام الفعال والمواز هو الفرق الدقيق بين وصول الحالة.يشير الوصول إلى الحالة إلى القدرة على قراءة وكتابة حالة blockchain ، بما في ذلك التخزين والعقود الذكية وأرصدة الحسابات.من أجل جعل blockchain المتوازية فعالة وعالية الأداء ، يجب تحسين وصول الحالة.

في الوقت الحاضر ، هناك نوعان أيديولوجيان في تحسين وصول حالة التوازي blockchain: اليقين متوازي ومتفائل.يتطلب تحديد التوازي أن يتم توضيح الرمز بشكل واضح مسبقًا أي أجزاء من حالة blockchain سيتم الوصول إليها وتعديلها.يسمح هذا للنظام بتحديد المعاملات التي يمكن معالجتها بالتوازي دون تعارض.الدعم يدعم القدرة على التنبؤ والكفاءة (خاصة في حالة معظم المعاملات المستقلة).ومع ذلك ، فإنه يجلب المزيد من التعقيد للمطورين.

لا يتطلب التوازي المتفائل رمزًا للوصول إلى الحالة المسبقة إلى التعامل مع التداول الموازي ، كما لو لم يكن هناك تعارض.إذا كان هناك تعارض ، فسيقوم المتفائل والمتوازي بإعادة تنظيم معاملات الصراع أو تديرها بشكل تسلسلي.على الرغم من أن التفاؤل والموازاة يوفر مرونة أكبر للمطورين ، إلا أن النزاعات تحتاج إلى إعادة تنفيذها.أما بالنسبة للأسلوب ، فلا توجد إجابة صحيحة.هم فقط طريقتين مختلفتين لتحقيق التوازي.

أدناه ، نستكشف أولاً بعض المعرفة الأساسية المتعلقة بالأنظمة المتوازية غير المشفقة ، ثم ننظر إلى مساحة تصميم التنفيذ الموازي blockchain. فرص لفرص التصميم الموازية جوهر

2، نظام متوازي غير مشفور

من خلال وظائف الحوسبة المتوازية والنظام المتوازي التي تعلمناها للتو ، من السهل أن نفهم لماذا أصبحت الحوسبة المتوازية شائعة في السنوات الأخيرة.وفي العقود القليلة الماضية ، أظهرت الحوسبة المتوازية اتجاهًا متزايدًا وحققت العديد من الاختراقات.

• الصورة الطبية: لقد غيّر العلاج الموازي الصور الطبية بشكل أساسي ، مما أدى إلى زيادة كبيرة في سرعة ودقة أوضاع الصور المختلفة (مثل التصوير بالرنين المغناطيسي ، CT ، X -Ray ، ومسح الصدع البصري).Nvidia في طليعة هذه التقدم.

• علم الفلك:لا يمكن تحقيق بعض الظواهر الفلكية الجديدة ، مثل فهم الثقوب السوداء ، إلا باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة المتوازية.

• الوحدةمحرك اللعبة:يستخدم محرك Unity سعة GPU (تم إنشاؤها خصيصًا لأعباء عمل الرسومات الكبيرة) للمساعدة في تحسين الأداء والسرعة.تم تجهيز المحرك بوظيفة معالجة متعددة الخيوط ومتوازية ، مما يجلب تجربة ألعاب سلسة ويمكن أن يخلق بيئة لعبة معقدة وواقعية.

دعونا نلقي نظرة على المجموعات الثلاثة التي تم نشرها بالتوازي.أولاً ، دعونا نلقي نظرة على سولانا ، ثم سلسلتين يعتمدون على EVM -Monad و SEI.

3نظرة عامة على التصميم الموازي

(1) سولانا

من وجهة نظر المستويات العالية ، فإن مفهوم تصميم Solan هو أن ابتكار blockchain يجب أن يتطور مع الأجهزة.بمرور الوقت ، يتم تحسين الأجهزة بشكل مستمر وفقًا لقانون مور ، وسيستفيد تصميم سولانا من تحسين الأداء وقابلية التوسع.صمم مؤسس Solana Anatoly Yakovenko البنية المتوازية الأصلية لسولانا منذ أكثر من خمس سنوات.

يستخدم Solana طريقة معينة بالتوازي ، والتي تأتي من تجربة Anatoly في معالجة الأنظمة المدمجة في الماضي.يمكّن هذا وحدة المعالجة المركزية من معرفة جميع التبعيات وتمكينها من تحميل الجزء اللازم من الذاكرة مقدمًا.والنتيجة هي تحسين تنفيذ النظام ، ولكن مرة أخرى ، تتطلب من المطورين القيام بعمل إضافي مسبقًا.على Solana ، تكون جميع تبعيات الذاكرة في البرنامج ضرورية ، وتعلن في المعاملة التي تم إنشاؤها (أي قائمة الوصول) ، بحيث يمكن لوقت التشغيل بسهولة جدولة وأداء معاملات متعددة بالتوازي.

المكون الرئيسي التالي لهندسة Solana هو Sealevel VM ، وهو العقد الذكي الموازي لـ Solana.يدعم Sealevel أصلاً عقودًا ومعاملات متعددة بناءً على عدد نواة التحقق.التحققات في blockchain هي المشاركين في الشبكة المسؤولة عن التحقق من المعاملات ، والكتل الجديدة المقترحة ، والحفاظ على سلامة وأمن blockchain.نظرًا لأن المعاملة المسبقة للحسابات التي تحتاج إلى قراءتها وكتابتها وإغلاقها ، يمكن لجدولة Solana تحديد المعاملات التي يمكن تنفيذها بالتوازي.ولهذا السبب ، عندما يتعلق الأمر بالتحقق ، يمكن لـ “Block Producer” أو القائد فرز الآلاف من المعاملات التي تتم معالجتها وجدولة المعاملات غير المتداخلة الموازية.

عنصر التصميم الأخير في سولانا هو “خط أنابيب”.عندما تحتاج إلى معالجة البيانات في سلسلة من الخطوات ، وكل خطوة مسؤولة عن أجهزة مختلفة ، يتم تشغيل خط الأنابيب.الفكرة الرئيسية هنا هي الحصول على بيانات تتطلب تشغيل تسلسلي واستخدام خط الأنابيب للتوازي.يمكن أن تعمل خطوط الأنابيب هذه بالتوازي ويمكنها التعامل مع حزم تداول مختلفة في كل مرحلة خط أنابيب.

تتيح هذه التحسينات Sealevel تنظيم وتنفيذ المعاملات المستقلة في نفس الوقت ، واستخدام قدرة الأجهزة على استخدام برنامج واحد لمعالجة نقاط بيانات متعددة في وقت واحد.Sealevel قم بفرز التعليمات وفقًا لـ ProgramId ، وأداء نفس التعليمات الموازية لجميع الحسابات ذات الصلة.

من خلال هذه الابتكارات ، يمكننا أن نرى أن سولانا مصممة عمدا لدعم التوازي.

2 (2) SEI

SEI هي عبارة عن blockchain L1 عامة مفتوحة المصدر ، وهي مخصصة لمعاملات الأصول الرقمية.يستخدم SEI V2 طريقة متفائلة ومتوازية ، لذلك فهي أكثر ودية للمطورين.في الوضع المتوازي المتفائل ، يمكن تنفيذ العقود الذكية بسلاسة أكثر وموازنة ، ولا يحتاج أي مطورون إلى إعلان مواردهم مقدمًا.هذا يعني تشغيل جميع المعاملات بالتوازي.ومع ذلك ، عندما يحدث تعارض (أي نفس الحالة من المعاملات المتعددة) ، فإن blockchain سوف يتتبع مكون تخزين محدد يتأثر بكل تبادل الصراع.

يستخدم SEI blockchain آلية “التحكم المتزامن المتفائل (OCC)” لإجراء المعاملات.تحدث المعاملات المتزامنة خلال معاملات متعددة في النظام في نفس الوقت.هناك مرحلتان من طريقة المعاملة هذه: التنفيذ والتحقق.

خلال مرحلة التنفيذ ، تكون المعاملة متفائلة وتخزينها مؤقتًا في معاملات محددة.منذ ذلك الحين ، ستدخل كل معاملة مرحلة التحقق.إذا كانت المعاملة مستقلة ، فسيتم تشغيل المعاملة بالتوازي.إذا تم تعديل البيانات التي تقرأها معاملة واحدة بواسطة معاملة أخرى ، فستتعارض.سيحدد النظام الموازي لـ SEI كل تعارض من خلال أحدث تغييرات في حالة القراءة وأحدث سعة تخزين للحالة (يتم فهرسة هذه التغييرات في ترتيب المعاملات).سوف تقوم SEI بإعادة تنفيذ المثيل في موقف الصراع.هذه عملية تكرارية تتضمن التنفيذ والتحقق وإعادة التنظيم من أجل إصلاح الصراع.يوضح الشكل أدناه كيف تتعامل SEI مع المعاملة عندما يكون هناك صراع.

يوفر تنفيذ SEI لمطوري EVM رسوم غاز أقل ومساحة تصميم أوسع.لفترة طويلة ، تقتصر بيئة EVM على أقل من 50 TPS ، مما يجبر المطورين على إنشاء تطبيقات تتبع الأزياء المضادة.تتيح SEI V2 للمطورين أن يكونوا على مقربة من المناطق التي تتطلب عادةً الأداء العالي والتكاليف المنخفضة ، مثل Defi و Depin والألعاب.

3 (3) موناد

تقوم MONAD ببناء EVM L1 متوازي مع توافق بايت كود كامل.لا يكمن تفرد موناد في محركه المتوازي فحسب ، بل يكمن أيضًا في محرك التحسين الذي تبنيه في الأسفل.يستخدم Monad طريقة تصميم شاملة فريدة تجمع بين العديد من الميزات الرئيسية ، مثل خط الأنابيب ، وفصل I/O غير المتزامن ، وفصل تنفيذ الإجماع ، و monaddb.

الابتكار الرئيسي الذي صممه موناد هو خط أنابيب مع إزاحة طفيفة.يتيح الإزاحة المزيد من العمليات عن طريق تشغيل مثيلات متعددة في نفس الوقت.لذلك ، يتم استخدام خط الأنابيب لتحسين العديد من الوظائف مثل أنابيب الأنابيب ، وتنفيذ المعاملات ، والإجماع ، وتنفيذ خطوط الأنابيب الداخلية ، وخط الأنابيب في آلية الإجماع نفسها.

بعد ذلك ، سوف ننظر إلى الجزء الموازي من موناد.في موناد ، يتم فرز المعاملة خطيًا في الكتلة ، ولكن الهدف هو تحقيق الحالة النهائية باستخدام التنفيذ المتوازي.يستخدم تصميم محرك تنفيذ MONAD خوارزمية متوازية متفائلة.يتولى محرك موناد المعاملة في نفس الوقت ، ثم يقوم بتحليل لضمان أنه إذا تم تنفيذ المعاملة واحدة تلو الأخرى ، فسيتم الحصول على نفس النتائج.إذا كان هناك أي صراعات ، فأنت بحاجة إلى إعادة التنفيذ.يعد التنفيذ الموازي هنا خوارزمية بسيطة نسبيًا ، ولكن الجمع بينها مع الابتكارات الرئيسية الأخرى لموناد يجعل هذه الطريقة رواية.شيء واحد يجب ملاحظته هنا هو أنه حتى في حالة حدوث إعادة تنفيذ ، يكون عادةً رخيصًا جدًا ، لأن المدخلات المطلوبة للتداول غير الصالح قد تم الاحتفاظ بها دائمًا في ذاكرة التخزين المؤقت ، لذلك سيكون هذا البحث عن ذاكرة التخزين المؤقت البسيطة.إعادة التنفيذ مضمونة للنجاح لأنك نفذت المعاملات السابقة في الكتلة.

يحسن موناد أيضًا الأداء عن طريق فصل التنفيذ والإجماع (على غرار Solana و SEI) وتأخر التنفيذ.الفكرة هي أنه إذا استرخت ظروف التنفيذ حتى تتمكن من إكمال التنفيذ قبل تحقيق الإجماع ، فيمكنك تشغيل التنفيذ والإجماع بالتوازي لزيادة الوقت الإضافي إلى الاثنين.بالطبع ، يستخدم Monad خوارزمية اليقين للتعامل مع هذا الموقف للتأكد من أن أحدهم لن يركض بعيدًا عن السيطرة.

4طريقة فريدة للوصول إلى الحالة والذاكرة

كما ذكرت في بداية هذه المقالة ، يعد الوصول إلى الحالة أحد اختناقات الأداء النموذجية في blockchain.يمكن أن يحدد اختيار التصميم للوصول إلى الحالة والذاكرة أخيرًا ما إذا كان التنفيذ المحدد للنظام المتوازي سيحسن الأداء في الممارسة العملية.أدناه سوف نفهم ونقارن الطرق المختلفة التي اعتمدتها سولانا و SEI و Monad.

(1) سولاناوصول الحالة: حساب / سحابة

يستخدم Solana التوسع الأفقي لتوزيع بيانات الحالة وإدارتها عبر أجهزة SSD متعددة.اليوم ، يستخدم العديد من blockchain قواعد البيانات العامة (IE ، LevelDB) ، والتي لها قيود في معالجة عدد كبير من بيانات حالة القراءة والكتابة المتزامنة.لتجنب ذلك ، استخدمت Solana CloudBread لإنشاء قاعدة بيانات الحساب المخصصة الخاصة بها.

تم تصميم CloudBream للوصول المتوازي لعمليات التبادل/o ، بدلاً من الاعتماد على ذاكرة الوصول العشوائي ، والتي هي نفسها سريعة.تشير عملية الإدخال/الإخراج (الإدخال/الإخراج) إلى تشغيل بيانات القراءة من المصدر الخارجي (مثل القرص أو الشبكة أو الجهاز المحيطي) أو كتابة البيانات إليها.في البداية ، استخدم CloudBread فهرسًا داخليًا للذاكرة RAM لرسم خريطة المفتاح العام للحسابات مع الرصيد والبيانات.ومع ذلك ، عند كتابة هذا المقال ، تم نقل مؤشر V1.9 من ذاكرة الوصول العشوائي إلى SSD.يتيح هذا التحول CloudBread معالجة عمليات 32 (I/O) في قائمة الانتظار في نفس الوقت ، وبالتالي تعزيز إنتاجية SSDs المتعددة.لذلك ، يمكنك الوصول إلى بيانات blockchain ، مثل الحسابات والمعاملات ، تمامًا كما هو الحال في ذاكرة الوصول العشوائي باستخدام ملفات تعيين الذاكرة.يوضح الشكل أدناه بنية الذاكرة.على الرغم من أن ذاكرة الوصول العشوائي أسرع ، فإن قدرتها أصغر من SSD ، وعادة ما تكون أغلى:

من خلال التمديد الأفقي وتوزيع بيانات الحالة عبر أجهزة متعددة ، قلل CloudBream من التأخير ويحسن كفاءة ومرونة الشبكة ومرونة الشبكة للنظام الإيكولوجي Solana.

2 (2) SEIزيارة الحالة: SEIDB

أعادت SEI تصميم تخزينها -SEIDB -لحل المشكلات التالية: اكتب تكبيرًا (كم يتطلب deta -data بنية البيانات ، كلما كان ذلك أفضل) ، وتوسيع الحالة ، والتشغيل البطيء ، وأداء الأداء أكثر الوقت.يتم الآن تقسيم إعادة التصميم الجديد إلى مكونين: تخزين الدولة والالتزام بالوضع.تتم معالجة السجلات والتحقق من أي تغييرات على البيانات من قبل الحالة ، وفي أي وقت ، تتم معالجة قاعدة البيانات لجميع البيانات بواسطة تخزين الحالة (SS).

في SEI V2 ، تعد الدولة باستخدام بنية شجرة IAVL Mapping (MEMIAVL).تخزين شجرة رسم الخرائط IAVL مخزنة أقل ، مما يقلل من وقت تخزين الحالة ومزامنة الحالة ، ويجعل من السهل تشغيل عقدة كاملة.يتم التعبير عن شجرة رسم الخرائط IAVL كملفات ثلاثية على القرص (ملفات KV وملفات الفروع وملفات الأوراق) ؛يساعد هيكل memiavl الجديد على تقليل كتابة العوامل الكبيرة لأنه يقلل من البيانات الوصفية المطلوبة للحفاظ على بنية البيانات.

يتيح SEIDB المحدّث دعمًا مرنًا لدعم قاعدة البيانات إلى طبقة تخزين الحالة.يعتقد SEI أن احتياجات وتخزين احتياجات عوامل العقدة المختلفة مختلفة.لذلك ، يوفر تصميم SS للمشغلين الحرية والمرونة ، مثل PebbledB و RocksDB و SQLite ، وما إلى ذلك للمشغلين.

3 (3) مونادزيارة الحالة: monaddb

هناك بعض الاختلافات المهمة في وصول دولة موناد.بادئ ذي بدء ، يستخدم معظم عملاء Ethereum نوعين من قواعد البيانات: قاعدة بيانات B-Tree (IE LMDB) أو قاعدة بيانات TREE (LSM) (IE ROCKSDB ، LevelDB).كلاهما عبارة عن هياكل بيانات عالمية ، وليس مصممة خصيصًا لـ blockchain.بالإضافة إلى ذلك ، لم تستخدم قواعد البيانات هذه أحدث التقدم في تقنية Linux ، وخاصة في العمليات غير المتزامنة وتحسين الإدخال/الإخراج.أخيرًا ، يستخدم Ethereum نفسه حالة MPT Tree Management.المشكلة الرئيسية هي أنه يجب على العميل دمج شجرة MPT المحددة هذه في قاعدة بيانات أكثر شيوعًا (أي ، B-tree / LSM) ، والتي ستجلب عيوبًا خطيرة في الأداء ، مثل الوصول إلى القرص المفرط.

كلهم يساعدون في وضع الأساس لـ Monad لتقرر إنشاء قاعدة بيانات MonadDB مخصصة.تتضمن بعض الميزات الرئيسية لـ MonadDB قاعدة بيانات الوصول المتوازية ، وتحسين قاعدة البيانات المخصصة لبيانات Merkle Trie ، والوصول إلى حالة عالية الكفاءة ، والخصائص اللامركزية وقابلية التوسع أفضل من استخدام RAM القياسي.

تم تصميم MonaddB لـ blockchain لجعله أداءً أكثر من استخدام قاعدة البيانات الشاملة.مخصص MonaddB مخصص للإدارة الفعالة لبيانات نوع Merkle Trie ويدعم إجراء مقابلات مع عقد Trie متعددة بالتوازي.على الرغم من أن MONADDB هو نفس تكلفة القراءة الفردية لبعض قواعد البيانات الشاملة المذكورة أعلاه ، فإن الميزة الرئيسية لـ MONADDB هي أنها يمكن أن تدير قراءة متعددة بالتوازي ، مما يؤدي إلى زيادة سرعة هائلة.

MonadDB يدعم الوصول المتزامن إلى قاعدة بيانات الوصول الموازية.نظرًا لأن Monad تبدأ قاعدة البيانات هذه من نقطة الصفر ، فيمكنها استخدام أحدث تقنية Kernel Linux وجميع وظائف SSD لتحقيق I/O غير متزامن.باستخدام I/O غير المتزامن ، إذا احتاجت المعاملة إلى قراءة الحالة من القرص ، فلا ينبغي أن يجلب هذا مقاومة للعملية.بدلاً من ذلك ، يجب أن تبدأ القراءة والاستمرار في التعامل مع المعاملات الأخرى في نفس الوقت.هذه هي الطريقة غير المتزامنة I/O بشكل كبير يسرع سرعة معالجة monaddb.يمكن لموناد الحصول على أداء أفضل للأجهزة من خلال تحسين استخدام SSD وتقليل ذاكرة الوصول العشوائي الزائدة.هذا له فائدة إضافية للاختزال ومواءمة قابلية التوسع.

5،ختاماً

باختصار ، يمكن لاستكشاف التطور الموازي في blockchain من خلال منظور Solana و SEI و Monad أن يفهم تمامًا كيف يمكن للبنية والأساليب المختلفة تحسين الأداء وقابلية التوسع.يولي تأكيد سولانا الموازي الانتباه إلى الوصول إلى حالة ما قبل التراجع ، مما يوفر القدرة على التنبؤ والكفاءة ، مما يجعلها خيارًا قويًا للتطبيقات ذات متطلبات الإنتاجية العالية.من ناحية أخرى ، فإن تفاؤل SEI والأساليب المتوازية يعطي الأولوية لمرونة المطورين ، وهو مناسب جدًا للصراعات البيئية.من خلال طريقة التفاؤل والمتوازية الفريدة والموازنة المخصصة ، توفر Monad حلاً مبتكرًا لتحسين الوصول إلى الحالة وأداءها باستخدام أحدث التقدم التكنولوجي.

يوفر كل blockchain طريقة فريدة لحل تحديات التوازي ، ولديها مجموعة من أرباحها وعيوبها.يهدف تصميم Solana إلى زيادة الحد الأقصى لاستخدام الأجهزة والإنتاجية ، بينما تركز SEI على تبسيط عملية التطوير ، وتركز موناد على حل قاعدة البيانات المصمم لبيانات blockchain.تسلط هذه الاختلافات الضوء على تنوع النظم الإيكولوجية blockchain ، وأهمية اختيار منصة مناسبة وفقًا للاحتياجات المحددة للتطبيق.

مع التطوير المستمر لحقل blockchain ، فإن تقدم تقنيات التوازي التي أظهرتها SOI و Monad و SEI سوف تلهم بلا شك المزيد من الابتكار.ستجري الرحلة إلى blockchain أكثر كفاءة وأكثر قابلية للتطوير.