EVM: Ядро Ethereum

EVM (виртуальная машина Ethereum) является ядром Ethereum и отвечает за запуск смарт-контрактов и обработку транзакций.

Виртуальная машина обычно используется для виртуализации реального компьютера, как правило, с помощью «гипервизора» (например, VirtualBox) или целого экземпляра операционной системы (например, KVM для Linux). Соответственно, они должны предоставлять программные абстракции реального оборудования, системных вызовов и других функций ядра.

EVM работает в более ограниченной области: это просто вычислительный движок, поэтому он предоставляет абстракции для вычислений и хранения, аналогичные спецификации виртуальных машин Java (JVM). С высокоуровневой точки зрения, JVM предназначена для предоставления среды выполнения, независимой от базовой операционной системы или аппаратного обеспечения, тем самым обеспечивая совместимость с различными системами. Аналогичным образом, EVM выполняет свой собственный набор инструкций bytecode, которые обычно компилируются Solidity.

EVM является квази-Тьюринговым полным конечным автоматом. Он является «квази», потому что все шаги выполнения потребляют ограниченный ресурс Gas, поэтому любое выполнение смарт-контракта будет ограничено ограниченным количеством шагов вычислений, что позволит избежать возможных ошибок в процессе выполнения. Бесконечный цикл, в результате которого останавливается вся платформа Ethereum.

EVM не имеет функции планирования. Модуль исполнения Ethereum извлекает транзакции одну за другой из блока, а EVM отвечает за их последовательное выполнение. Последнее глобальное состояние будет изменено в процессе выполнения. После того, как транзакция будет выполнена, состояние будет накоплено, чтобы достичь последнего мирового состояния после завершения блока. Выполнение следующего блока строго зависит от состояния мира после выполнения предыдущего блока, поэтому процесс линейного выполнения транзакций Ethereum не может быть хорошо оптимизирован для параллельного выполнения.

В этом смысле Ethereum Протокол предусматривает, что сделки должны выполняться последовательно. В то время как последовательное выполнение гарантирует, что транзакции и смарт-контракты могут быть выполнены в детерминированном ордере, гарантируя безопасность, оно может привести к перегрузке сети и задержке при столкновении с высокой нагрузкой. Вот почему Ethereum имеет значительные узкие места производительности и требует Layer2 Rollup для расширения емкости.

Высокопроизводительный параллелизм уровня 1

Большинство высокопроизводительных уровней 1 разрабатывают свои собственные решения по оптимизации, основанные на неспособности Ethereum обрабатывать параллельную обработку. Здесь мы говорим только об оптимизации уровня исполнения, то есть виртуальных машин и параллельного выполнения.

Виртуальная машина EVM

спроектирован как 256-разрядная виртуальная машина в ордер, чтобы упростить обработку алгоритма хеширования Ethereum, и он явно выдает 256-битный вывод. Тем не менее, компьютер, на котором фактически работает EVM, должен отображать 256-битные байты в локальную структуру для выполнения смарт-контракта, что делает всю систему очень неэффективной и непрактичной. Таким образом, с точки зрения выбора виртуальных машин, высокопроизводительный уровень 1 использует виртуальные машины на основе WASM, eBPF bytecode или Move bytecode, а не EVM.

WASM — это компактный, быстро загружаемый, переносимый формат байт-кода, основанный на механизме безопасности песочницы. Разработчики могут использовать несколько языков программирования (C/C++, Rust, Go, AssemblyScript, JavaScript и т. д.) для написания смарт-контрактов, а затем компилировать их в байт-код WASM и выполнять. WASM был принят в качестве стандарта многими блокчейн-проектами, включая EOS, Dfinity, Polkadot (Gear), Cosmos (CosmWasm), Near и т. д. Ethereum также интегрирует WASM в будущем, чтобы гарантировать, что уровень исполнения Ethereum будет более эффективным, простым и подходящим в качестве полностью децентрализованной вычислительной платформы.

eBPF, ранее известный как BPF (Berkeley Packet Filter), первоначально использовался для эффективной фильтрации сетевых пакетов данных. После эволюции он сформировал eBPF, обеспечивающий более богатый набор инструкций, позволяющий динамически вмешиваться и модифицировать ядро операционной системы без изменения исходного кода. Позже эта технология развилась из ядра в разработку пользовательской среды выполнения eBPF, которая является высокопроизводительной, безопасной и переносимой. Все смарт-контракты, выполняемые на Solana, компилируются в SBF (на основе eBPF) bytecode и запускаются в его блокчейн-сети.

Move — это новый язык программирования смарт-контрактов, разработанный Diem, ориентированный на гибкость, безопасность и проверяемость. Язык Move направлен на решение проблем безопасности в активах и транзакциях, делая активы и транзакции строго определенными и контролируемыми. Верификатор bytecode Move — это инструмент статического анализа, который анализирует bytecode Move и определяет, соответствует ли он требуемым правилам безопасности типа, памяти и ресурсов, без реализации на уровне смарт-контракта и проверки во время выполнения. Aptos унаследовал Diem Move, в то время как Sui пишет свои смарт-контракты через свою собственную индивидуальную версию Sui Move.

Параллельное выполнение

Параллельное выполнение в блокчейне означает одновременную обработку несвязанных транзакций. Рассматривайте несвязанные транзакции как события, которые не влияют друг на друга. Например, если два человека торгуют токенами на разных биржах, их транзакции могут обрабатываться одновременно. Однако, если они торгуются на одной и той же платформе, транзакции могут быть выполнены по определенному ордеру.

Основная сложность в достижении параллельного выполнения заключается в определении того, какие транзакции не связаны между собой, а какие являются независимыми. Большинство высокопроизводительных Layer1 полагаются на два подхода: методы доступа к состоянию и оптимистичные параллельные модели.

Методы доступа к состояниям должны заранее знать, к какой части состояния блокчейна может получить доступ каждая транзакция, чтобы проанализировать, какие транзакции являются независимыми. Репрезентативными решениями являются Solana и Sui.

В Solana программы (смарт-контракты) не имеют состояния, поскольку они не могут получить доступ (чтение или запись) к какому-либо постоянному состоянию на протяжении всего процесса транзакции. Чтобы получить доступ к состоянию или поддерживать его, программы должны использовать учетные записи. Каждая транзакция в Solana должна указывать, к каким учетным записям будет осуществляться доступ во время выполнения транзакции, чтобы среда выполнения обработки транзакций могла планировать непересекающиеся транзакции для параллельного выполнения, обеспечивая в то же время согласованность данных.

В Sui Move каждый смарт-контракт представляет собой модуль, состоящий из определений функций и структур. Структуры создаются в функциях и могут передаваться в другие модули через вызовы функций. Хранимые экземпляры структур во время выполнения действуют как объекты. Sui имеет три различных типа объектов: объекты-владельцы, общие объекты и неизменяемые объекты. Стратегия распараллеливания Sui аналогична стратегии Solana, поскольку транзакции также должны указывать, с какими объектами работать.

Оптимистичная параллельная модель работает в предположении, что все транзакции независимы, ретроспективно проверяя это предположение и внося коррективы при необходимости. Репрезентативным решением является Aptos.

Aptos использует метод блока-STM (блок программной транзакционной памяти) для применения оптимистичного параллельного выполнения. В блоке-STM транзакции сначала устанавливаются в определенном ордере внутри блока, а затем разделяются между различными потоками обработки для одновременного выполнения. При обработке этих транзакций система отслеживает места в памяти, измененные каждой транзакцией. После каждого раунда обработки система проверяет все результаты транзакций. Если обнаруживается, что транзакция коснулась ячейки памяти, измененной предыдущей транзакцией, она удаляет результат и запускает его снова. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет обработана каждая транзакция в блоке.

Parallel EVM

Parallel EVM был впервые упомянут в 2021 году, тогда он относился к EVM, который поддерживает одновременную обработку нескольких транзакций, стремясь повысить производительность и эффективность существующего EVM. К репрезентативным решениям относятся параллельные EVM Polygon на основе Блок-STM и параллельные EVM, совместно разработанные BSC и NodeReal.

Однако в конце 2023 года Георгиос Константопулос, CTO Paradigm, и Хасиб Куреши из Dragonfly случайно упомянули параллельный EVM, рассматривая тенденции на 2024 год, что вызвало волну совместимых с EVM уровней 1, в которых использовалась технология параллельного выполнения, включая Monand и Sei V2.

В настоящее время Neon, EVM совместимое решение на Solana, Layer2 Rollup Eclipse Ethereum SVM (Solana Виртуальная машина), Layer2 Rollup Lumio Ethereum Move Виртуальная машина и модульный уровень исполнения Layer1 Fuel были помечены параллельными EVM, что делает их довольно запутанными.

Я думаю, что есть только следующие три категории, которые можно разумно определить как параллельный EVM:

1. Нет параллельного обновления EVM-совместимого уровня 1 с использованием технологии параллельного выполнения, такой как BSC, Polygon;
2. EVM-совместимый Layer1 с использованием технологии параллельного выполнения, такой как Monand, Sei V2 и Artela;
3. EVM-совместимые решения для несовместимых с EVM уровней 1, использующих технологию параллельного выполнения, таких как Solana Neon.

Излишне говорить, что BSC и Polygon являются наиболее распространенными EVM-совместимыми уровнями 1. Вот краткое введение в Monand, Sei V2, Artela и Solana Neon.

Monad — это высокопроизводительный EVM-совместимый уровень 1 с использованием механизма PoS, предназначенный для значительного повышения масштабируемости и скорости транзакций за счет параллельного выполнения. Monad Labs была основана Кеоном Хоном, бывшим главой отдела исследований в Jump Trading. Монады позволяют параллельно выполнять транзакции в пределах блока для повышения эффективности. Он использует модель оптимистичного параллелизма и начинает выполнять новую транзакцию до завершения выполнения предыдущего шага. Чтобы справиться с неправильными результатами, Monad отслеживает ввод/вывод и повторно выполняет несогласованные транзакции. Статические средства синтаксического анализа кода могут предсказывать зависимости, избегать неэффективного параллелизма и возвращаться к простому режиму во времена неопределенности. Такое параллельное выполнение увеличивает пропускную способность и снижает вероятность сбоя транзакции.

Sei — это Layer1, разработанный на основе Cosmos SDK, публичной цепочки, специально разработанной для DeFi. Члены команды Sei имеют как технический, так и традиционный финансовый опыт, работая в таких компаниях, как Robinhood, Databricks, Airbnb и Goldman Sachs. Sei V2 — это серьезное обновление сети Sei, призванное стать первым полностью параллельным EVM. Как и Monand, Sei V2 будет использовать оптимистичное распараллеливание. Это позволяет блокчейну выполнять транзакции одновременно, не определяя разработчиками каких-либо зависимостей. Когда возникают конфликты, блокчейн отслеживает затронутые части хранилища каждой транзакции и повторно запускает эти транзакции в ордере. Этот процесс продолжается рекурсивно до тех пор, пока не будут разрешены все неразрешенные конфликты.

Artela — это масштабируемая блокчейн-сеть, которая позволяет разработчикам создавать многофункциональные децентрализованные приложения (dApps) с основными участниками из AntChain. EVM++ от Artela's представляет собой высокомасштабируемый + высокопроизводительный параллельный EVM. Он будет реализован в два этапа, первый из которых будет сосредоточен на параллельном выполнении. Основанный на параллельном выполнении, с помощью эластичных вычислений, он обеспечивает масштабируемость вычислительной мощности сетевого узла, в конечном итоге достигая эластичного блочного пространства. Его параллельное выполнение будет группировать транзакции в соответствии с анализом конфликтов зависимостей транзакций для поддержки параллельного выполнения.

Solana Neon — это решение, разработанное Neon Labs для выполнения транзакций EVM на Solana. Neon EVM на самом деле представляет собой смарт-контракт на Solana, который реализует интерпретатор EVM внутри контракта, скомпилированного в SBF bytecode. Neon EVM внутренне реализует набор моделей транзакций Ethereum и моделей счетов, и пользователям нужно только оплатить комиссию EVM GAS для отправки транзакций. Комиссии сети Solana оплачиваются Neon Proxy. Solana требует, чтобы транзакции в обязательном порядке предоставляли счет список, включая обернутые транзакции, поэтому в обязанности Neon Proxy входит генерация этого счет список, а также возможность параллельного выполнения транзакций Solana.

Кроме того, как и Solana Neon, другие решения, которые работают EVM как смарт-контракт для достижения совместимости EVM, включают Near Aurora и EOS EVM+. Теоретически Aptos и Sui также могли бы использовать это решение для достижения неинтрузивной совместимости с EVM, но я не нашел соответствующей информации (может быть, Pontem делает это?). Если есть текущие проекты, пожалуйста, свяжитесь со мной для получения дополнительной информации. Совместимость с EVM позволяет разработчикам легко переносить свои приложения Ethereum в цепочку без внесения существенных изменений, что является отличным направлением для построения экосистемы Aptos и Sui.

Заключение

Тема параллельных технологий в блокчейне уже стала общей темой, и время от времени всплывают нарративы. Однако в настоящее время основное внимание уделяется модификациям и имитациям модели оптимистичного исполнения, представленной механизмом блока-STM компании Aptos. Однако без существенных прорывов жару трудно выдержать.

Заглядывая в будущее, мы можем ожидать, что все больше новых проектов Layer1 присоединятся к гонке за параллельные EVM. Кроме того, в некоторых существующих проектах уровня 1 могут быть реализованы параллельные обновления EVM или решения, совместимые с EVM. Эти два пути приводят к схожему результату, потенциально порождая больше нарративов, связанных с производительностью.

Тем не менее, по сравнению с повествованием о высокопроизводительном EVM, я больше надеюсь на разнообразный ландшафт блокчейна, где появляются нарративы, похожие на WASM, SVM и Move VM.

statement:

1. Эта статья воспроизведена из [小猪Web3], авторские права принадлежат оригинальному автору [ web3朱大胆], если у вас есть какие-либо возражения против перепечатки, пожалуйста, свяжитесь с Gate Learn, и команда разберется с этим как можно скорее в соответствии с соответствующими процедурами.

2. Дисклеймер: Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, представляют собой только личные взгляды автора и не являются какими-либо инвестиционными рекомендациями.

3. Другие языковые версии статьи переведены командой Gate Learn и не упоминаются в Gate.io, переведенная статья не может быть воспроизведена, распространена или использована в плагиате.