تقرير بحث عميق عن الحوسبة المتوازية في Web3: المسار النهائي للتوسع الأصلي

1. المقدمة: التوسع هو موضوع أبدي، والتوازي هو ساحة المعركة النهائية

منذ ظهور نظام blockchain ، واجهت هذه القضية الأساسية المتعلقة بالتوسع. إن عنق الزجاجة في أداء البيتكوين والإيثريوم يصعب تجاوزه ، مما يشكل تباينًا صارخًا مع عالم Web2 التقليدي. هذه ليست مجرد مسألة زيادة الخوادم ، بل هي قيود نظامية في تصميم blockchain الأساسي.

على مدى العقد الماضي، شهدنا عددًا لا يحصى من محاولات توسيع القدرة. من جدل توسيع البيتكوين إلى رؤية تقسيم الإيثيريوم، ومن قنوات الحالة وPlasma إلى Rollup وسلاسل الكتل المودولية، ومن Layer 2 إلى إعادة بناء قابلية البيانات، سلكت الصناعة طريقًا مليئًا بالابتكار لتوسيع القدرة. تعتبر Rollup حلاً رئيسيًا حاليًا لتوسيع القدرة، حيث تخفف العبء عن السلسلة الرئيسية، وتحافظ على الأمان، بينما تعزز بشكل ملحوظ TPS. ومع ذلك، لم تصل إلى الحدود الحقيقية لـ "أداء السلسلة الواحدة" في قاعدة البيانات، خاصةً في الجانب التنفيذي الذي لا يزال مقيدًا بنموذج الحساب التسلسلي التقليدي.

أصبح الحوسبة المتوازية داخل السلسلة تدريجياً محور تركيز جديد. بخلاف حلول التوسع الأخرى، تحاول إعادة بناء محرك التنفيذ بالكامل مع الحفاظ على هيكل السلسلة المفرد. مستلهمة من أنظمة التشغيل الحديثة وأفكار تصميم وحدة المعالجة المركزية، يتم ترقية سلسلة الكتل من وضع "الخيط الواحد" إلى نظام عالي التزامن من "الخيوط المتعددة + أنابيب + جدولة الاعتماد". هذا لا يمكن أن يؤدي فقط إلى تحسين في القدرة على المعالجة بمئات الأضعاف، ولكن قد يصبح أيضاً العامل الرئيسي في انفجار تطبيقات العقود الذكية المعقدة.

في الواقع، تم استبعاد حساب الخيط الواحد في عالم Web2 منذ فترة طويلة، وتم استبداله بنماذج تحسين مثل البرمجة المتوازية، وجدولة غير متزامنة. تعتبر البلوكشين كنظام حسابي أكثر تحفظًا، لم تستفد أبدًا بشكل كامل من هذه الأفكار المتوازية. هذه ليست فقط قيودًا، ولكن أيضًا فرصًا. أدخلت سلاسل كتل جديدة مثل Solana و Sui و Aptos التوازي على مستوى الهيكل، مما بدأ هذه الاستكشاف؛ بينما تخطت مشاريع مثل Monad و MegaETH إلى آليات أعمق مثل التنفيذ المتسلسل، والتزامن المتفائل، مما يظهر خصائص تقترب بشكل متزايد من أنظمة التشغيل الحديثة.

الحوسبة المتوازية ليست فقط تحسينًا للأداء، بل هي أيضًا تحول في نموذج تنفيذ blockchain. إنها تتحدى النموذج الأساسي لتنفيذ العقود الذكية، وتعاد تعريف المنطق الأساسي لمعالجة المعاملات. إذا كان Rollup هو "نقل المعاملات إلى خارج السلسلة"، فإن الحوسبة المتوازية على السلسلة تعني "بناء نواة حوسبة فائقة على السلسلة"، والهدف منها هو توفير بنية تحتية مستدامة حقًا لتطبيقات Web3 الأصلية في المستقبل.

بعد أن تآلفت مسارات Rollup، أصبحت التوازي داخل السلسلة عامل الحسم الجديد في المنافسة على Layer1. لم تعد الأداء مجرد سرعة، بل القدرة على دعم عالم تطبيقات متنوع. هذه ليست مجرد مسابقة تقنية، بل هي صراع نماذج. من المحتمل أن تنشأ المنصة التنفيذية السيادية من الجيل التالي في عالم Web3 من هذه المعركة للتوازي داخل السلسلة.

٢. صورة شاملة لنماذج التوسع: خمس فئات من المسارات، كل منها له تركيزه الخاص

تعتبر التوسعة واحدة من أهم وأطول وأصعب القضايا في تطور تقنيات سلسلة الكتل العامة، وقد أدت إلى ظهور وتطور جميع المسارات التقنية الرئيسية تقريبًا في العقد الماضي. بدأت هذه المنافسة التقنية حول "كيفية جعل السلسلة تعمل بشكل أسرع" من صراع حجم الكتلة في البيتكوين، وانتهت بتفريع خمسة مسارات أساسية، حيث تتناول كل مسار من زوايا مختلفة الاختناقات، ولها فلسفة تقنية خاصة بها، وصعوبة في التنفيذ، ونموذج مخاطر، وسيناريوهات قابلة للتطبيق.

النوع الأول من المسارات هو الأكثر مباشرة في توسيع السلسلة على البلوكشين، وتمثل الطرق مثل زيادة حجم الكتلة، وتقليل وقت إنتاج الكتل، أو تحسين هيكل البيانات وآلية التوافق لزيادة القدرة على المعالجة. لقد كانت هذه الطريقة محور النقاش في صراع توسيع البيتكوين، مما أدى إلى ظهور العديد من الفروع مثل BCH و BSV" الكتل الكبيرة"، كما أثرت على الأفكار التصميمية لسلاسل الكتل عالية الأداء المبكرة مثل EOS و NEO. من مزايا هذا النوع من المسارات هو الاحتفاظ ببساطة التوافق في سلسلة واحدة، مما يسهل فهمه ونشره، ولكنه أيضًا عرضة للمخاطر المركزية، وزيادة تكاليف تشغيل العقد، وصعوبة المزامنة، وهي حدود نظامية، لذلك لم يعد هذا التصميم اليوم هو الحل الرئيسي السائد، بل أصبح أكثر تكاملاً مع آليات أخرى.

النوع الثاني من الطرق هو توسيع خارج السلسلة، ويمثله قنوات الحالة والسلاسل الجانبية. الفكرة الأساسية لهذه المسارات هي نقل معظم أنشطة التداول إلى خارج السلسلة، وكتابة النتائج النهائية فقط على السلسلة الرئيسية، حيث تعمل السلسلة الرئيسية كطبقة تسوية نهائية. من الناحية الفلسفية التقنية، فإنها قريبة من فكرة الهيكل المعماري غير المتزامن في Web2. على الرغم من أن هذه الفكرة يمكن أن تتوسع نظريًا بلا حدود في السعة، إلا أن نموذج الثقة في المعاملات خارج السلسلة، وأمان الأموال، وتعقيد التفاعلات، وغيرها من القضايا تحد من تطبيقها. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك شبكة Lightning التي على الرغم من وجود تحديد واضح لمشهدها المالي، إلا أن حجم النظام البيئي لم ينفجر أبدًا؛ في حين أن العديد من التصميمات القائمة على السلاسل الجانبية، مثل Polygon POS، تكشف في الوقت نفسه عن عيوب في صعوبة وراثة أمان السلسلة الرئيسية مع الحفاظ على سعة عالية.

النوع الثالث من المسارات هو مسار Layer2 Rollup الأكثر شعبية وانتشارًا حاليًا. هذه الطريقة لا تغير السلسلة الرئيسية نفسها مباشرة، بل تحقّق التوسع من خلال آلية تنفيذ خارج السلسلة والتحقق داخلها. يتمتع Optimistic Rollup و ZK Rollup بمزايا كل منهما: الأول يحقق سرعة عالية وتوافقية عالية، ولكنه يواجه مشكلات تأخير في فترة التحدي وآلية إثبات الغش؛ بينما الثاني يتمتع بأمان قوي وقدرة جيدة على ضغط البيانات، لكنه معقد في التطوير وغير متوافق بشكل كافٍ مع EVM. بغض النظر عن نوع Rollup، فإن جوهره هو تفويض سلطة التنفيذ مع الاحتفاظ بالبيانات والتحقق على السلسلة الرئيسية، مما يحقق توازنًا نسبيًا بين اللامركزية والأداء العالي. أثبت النمو السريع لمشاريع مثل Arbitrum وOptimism وzkSync وStarkNet جدوى هذا المسار، لكنه في الوقت نفسه كشف عن الاعتماد المفرط على توفر البيانات (DA) وارتفاع التكاليف وتجربة تطوير متقطعة كعقبات متوسطة المدى.

النوع الرابع من المسارات هو بنية blockchain المعيارية التي ظهرت في السنوات الأخيرة، والتي تمثلها منصات مثل Celestia وAvail وEigenLayer. تدعو القاعدة المعيارية إلى فصل الوظائف الأساسية لل blockchain، حيث يتم تنفيذ وظائف مختلفة من قبل سلاسل متخصصة متعددة، ثم يتم تجميعها في شبكة قابلة للتوسع من خلال بروتوكولات عبر السلاسل. تأثرت هذه الاتجاهات بعمق بنية أنظمة التشغيل المعيارية ومفهوم قابلية تجميع الحوسبة السحابية، حيث تكمن مزاياها في القدرة على استبدال مكونات النظام بمرونة كبيرة، وزيادة الكفاءة بشكل كبير في مراحل معينة (مثل DA). لكن التحديات واضحة للغاية: بعد فصل المكونات، تكون تكاليف التزامن والتحقق والثقة المتبادلة بين الأنظمة مرتفعة للغاية، والنظام البيئي للمطورين متباعد للغاية، ومتطلبات معايير البروتوكولات على المدى المتوسط والطويل والأمان عبر السلاسل أعلى بكثير من تصميمات السلاسل التقليدية. هذه النموذج لا يبني "سلسلة" بعد الآن، بل يبني "شبكة سلاسل"، مما يطرح عتبات غير مسبوقة لفهم البنية العامة والصيانة.

آخر نوع من المسارات هو مسار تحسين الحساب المتوازي داخل السلسلة. على عكس الأنواع الأربعة السابقة التي تعتمد بشكل أساسي على "التقسيم الأفقي" على مستوى الهيكل، فإن الحساب المتوازي يركز على "الترقية العمودية"، أي من خلال تغيير هيكل محرك التنفيذ داخل سلسلة واحدة لتحقيق المعالجة المتزامنة للمعاملات الذرية. يتطلب ذلك إعادة كتابة منطق جدولة VM، وإدخال تحليل الاعتماد على المعاملات، وتوقع الصراع في الحالة، والتحكم في درجة التوازي، والاستدعاءات غير المتزامنة، وغيرها من آليات جدولة أنظمة الكمبيوتر الحديثة. كانت Solana من أوائل المشاريع التي أدخلت مفهوم VM المتوازي إلى نظام السلسلة، من خلال تحقيق تنفيذ متوازي متعدد النواة استنادًا إلى نموذج الحسابات لتحديد تضارب المعاملات. بينما تحاول المشاريع من الجيل الجديد مثل Monad وSei وFuel وMegaETH أن تأخذ خطوة إضافية من خلال إدخال تنفيذ خطي، والتزام متفائل، وتقسيم التخزين، وفك الارتباط المتوازي، وبناء نواة تنفيذ عالية الأداء تشبه CPU الحديثة. تكمن الميزة الأساسية في هذا الاتجاه في أنه لا يتطلب الاعتماد على بنية متعددة السلاسل لتحقيق اختراق حدود الإنتاجية، بينما يوفر أيضًا مرونة حسابية كافية لتنفيذ العقود الذكية المعقدة، مما يجعله شرطًا تقنيًا مهمًا لمستقبل وكيل الذكاء الاصطناعي، والألعاب الكبيرة على السلسلة، والمشتقات عالية التردد وغيرها من سيناريوهات التطبيقات.

عند النظر إلى خمسة مسارات لتوسيع نطاق الكتل المذكورة أعلاه، فإن الانقسام وراءها هو في الواقع التوازن النظامي بين الأداء، القابلية للتجميع، الأمان وتعقيد التطوير في البلوكشين. تتميز Rollup بإسناد الإجماع والأمان، بينما تبرز الهيكلة المعيارية المرونة الهيكلية وإعادة استخدام المكونات، وتحاول التوسيع خارج السلسلة تجاوز عنق الزجاجة في السلسلة الرئيسية ولكن بتكاليف ثقة باهظة، في حين أن التوازي داخل السلسلة يركز على الترقية الأساسية لمستوى التنفيذ، محاولاً الاقتراب من الحد الأقصى لأداء الأنظمة الموزعة الحديثة دون الإضرار باتساق السلسلة. لا يمكن لكل مسار حل جميع المشكلات، ولكن هذه الاتجاهات تشكل معًا الصورة الكاملة لترقية نموذج حساب Web3، مما يوفر خيارات استراتيجية غنية للغاية للمطورين والمعماريين والمستثمرين.

كما انتقل نظام التشغيل تاريخياً من النواة الواحدة إلى النوى المتعددة، وتطورت قواعد البيانات من الفهرس التسلسلي إلى المعاملات المتزامنة، فإن طريق توسعة Web3 سيصل حتماً إلى عصر التنفيذ المتوازي العالي. في هذا العصر، لم تعد الأداء مجرد سباق في سرعة السلسلة، بل هو تعبير شامل عن فلسفة التصميم الأساسية، وفهم البنية التحتية، والعمق في التنسيق بين البرمجيات والأجهزة، والقدرة على التحكم في النظام. وقد تكون المعالجة المتوازية داخل السلسلة هي ساحة المعركة النهائية في هذه الحرب الطويلة.

ثلاثة، خريطة تصنيف الحوسبة المتوازية: خمسة مسارات من الحسابات إلى التعليمات

في سياق تطور تقنيات توسيع نطاق blockchain، أصبحت الحوسبة المتوازية تدريجياً المسار الرئيسي للاختراق في الأداء. على عكس فك الارتباط الأفقي في طبقات الهيكل والشبكة أو طبقة توفر البيانات، فإن الحوسبة المتوازية هي تعميق رأسي في طبقة التنفيذ، وهي تتعلق بالمنطق الأساسي لكفاءة تشغيل blockchain، وتحدد سرعة استجابة وقدرة معالجة نظام blockchain عند مواجهة معاملات معقدة ومتعددة الأنواع وبمعدلات تزامنية عالية. بدءًا من نموذج التنفيذ، من خلال مراجعة تطور هذه السلسلة التقنية، يمكننا رسم خريطة تصنيف واضحة للحوسبة المتوازية، والتي يمكن تقسيمها بشكل عام إلى خمس مسارات تقنية: الحوسبة المتوازية على مستوى الحساب، الحوسبة المتوازية على مستوى الكائن، الحوسبة المتوازية على مستوى المعاملات، الحوسبة المتوازية على مستوى الآلة الافتراضية، والحوسبة المتوازية على مستوى التعليمات. هذه المسارات الخمس تتراوح من الحبيبات الخشنة إلى الحبيبات الدقيقة، وهي ليست فقط عملية تفصيل مستمرة للمنطق المتوازي، ولكن أيضًا مسار يتصاعد فيه تعقيد النظام وصعوبة الجدولة.

أول ظهور للتوازي على مستوى الحساب هو نموذج يتمثل في سولانا. يعتمد هذا النموذج على تصميم مفصول بين الحسابات والحالة، من خلال التحليل الثابت لمجموعة الحسابات المعنية في الصفقة، يتم تحديد ما إذا كانت هناك علاقات تضارب. إذا كانت مجموعات الحسابات التي تصل إليها صفقتان غير متداخلة، فيمكن تنفيذها بشكل متزامن على عدة أنوية. هذه الآلية مناسبة جداً لمعالجة الصفقات ذات البنية الواضحة والمدخلات والمخرجات الواضحة، وخاصة في البرامج ذات المسارات القابلة للتنبؤ مثل DeFi. لكن فرضيتها الأساسية هي أن الوصول إلى الحسابات يمكن التنبؤ به، وأن الاعتماد على الحالة يمكن استنتاجه بشكل ثابت، مما يجعلها تواجه مشاكل في التنفيذ الحذر وانخفاض مستوى التوازي عند مواجهة عقود ذكية معقدة (مثل الألعاب على السلسلة، وعوامل الذكاء الاصطناعي وغيرها من السلوكيات الديناميكية). بالإضافة إلى ذلك، فإن الاعتماد المتبادل بين الحسابات يؤدي أيضاً إلى تقليل الفوائد الناتجة عن التوازي في بعض سيناريوهات التجارة عالية التردد بشكل كبير. لقد حقق وقت التشغيل في سولانا تحسينات عالية في هذا الجانب، لكن استراتيجية الجدولة الأساسية لا تزال مقيدة بحجم الحساب.

بناءً على نموذج الحساب، نتعمق أكثر في المستوى التقني المتعلق بالتوازي على مستوى الكائنات. يقدم التوازي على مستوى الكائنات تجريدًا دلاليًا للموارد والوحدات، مما يسمح بجدولة متزامنة على أساس "كائنات الحالة" ذات الدقة الأعلى. تعتبر Aptos و Sui من المستكشفين المهمين في هذا الاتجاه، خاصةً أن الأخيرة من خلال نظام الأنواع الخطية في لغة Move، تحدد ملكية الموارد وقابلية التغيير في وقت الترجمة، مما يسمح بالتحكم الدقيق في تعارضات الوصول إلى الموارد أثناء التشغيل. تعتبر هذه الطريقة أكثر عمومية وقابلية للتوسع مقارنةً بالتوازي على مستوى الحساب، حيث يمكنها تغطية منطق قراءة وكتابة الحالة الأكثر تعقيدًا، وتخدم بشكل طبيعي مشاهد ذات درجة عالية من الاختلاف مثل الألعاب، والشبكات الاجتماعية، والذكاء الاصطناعي. ومع ذلك، يقدم التوازي على مستوى الكائنات أيضًا عتبة لغوية أعلى وتعقيدًا في التطوير، حيث إن Move ليست بديلاً مباشرًا لـ Solidity، وتكلفة التحويل بين الأنظمة البيئية مرتفعة، مما يحد من سرعة انتشار نموذجها التوازي.

المستوى التالي من التوازي على مستوى المعاملات هو الاتجاه الذي تستكشفه الجيل الجديد من سلاسل الكتل عالية الأداء مثل Monad وSei وFuel. لم يعد هذا المسار يعتبر الحالة أو الحسابات كوحدات التوازي الأدنى، بل يقوم على بناء رسم بياني يعتمد على المعاملات بالكامل. فهو يعتبر المعاملة كوحدة عملية ذرية، ويقوم ببناء رسم بياني للمعاملات (Transaction DAG) من خلال التحليل الثابت أو الديناميكي، ويعتمد على المجدول لتنفيذ التدفقات المتزامنة. يسمح هذا التصميم للنظام بتعظيم الاستفادة من التوازي دون الحاجة لفهم هيكل الحالة الأساسية تمامًا. Monad بارز بشكل خاص، حيث يجمع بين التحكم المتزامن المتفائل (OCC) ، وجدولة التدفقات المتوازية، والتنفيذ غير المتسلسل، مما يجعل تنفيذ السلسلة أقرب إلى "GPU