以太坊虛擬機(EVM)： The Core of 以太坊

以太坊虛擬機(EVM)（以太坊虛擬機）是以太坊的核心，負責運行智能合約和處理事務。

虛擬機通常用於虛擬化真實計算機，通常由「虛擬機監控程式」（如VirtualBox）或整個操作系統實例（如Linux的KVM）虛擬化。它們必須分別提供實際硬體、系統調用和其他內核函數的軟體抽象。

以太坊虛擬機(EVM)在一個更有限的領域中運行：它只是一個計算引擎，因此它為計算和存儲提供了抽象，類似於Java 虛擬機（JVM）規範。從高層次的角度來看，JVM 旨在提供獨立於底層主機操作系統或硬體的運行時環境，從而實現跨各種系統的相容性。同樣，以太坊虛擬機(EVM)執行自己的一組字節碼指令，這些指令通常由 Solidity 編譯。

以太坊虛擬機(EVM)是一個准圖靈完備狀態機。它是“准”的，因為所有執行步驟都消耗有限的資源 Gas，因此任何給定的智慧合約執行都將僅限於有限數量的計算步驟，從而避免執行過程中可能出現的錯誤。無限迴圈，導致整個以太坊平臺停止。

以太坊虛擬機(EVM)沒有調度功能。以太坊的執行模組從區塊中逐個取出交易，以太坊虛擬機(EVM)負責按順序執行。最新的世界狀態將在執行過程中進行修改。交易執行后，區塊完成後，狀態將被累積以達到最新的世界狀態。下一個區塊的執行嚴格依賴於前一個區塊執行后的世界狀態，因此以太坊交易的線性執行過程無法針對並行執行進行很好的優化。

從這個意義上說，以太坊 協議規定交易按順序執行。雖然順序執行可確保事務和智能合約可以在確定性單子中執行，從而保證安全，但在面對高負載時可能會導致網絡擁塞和延遲。這就是為什麼以太坊存在明顯的性能瓶頸，需要第 2 層匯總進行容量擴展的原因。

高性能層1並行性

大多數高性能第 1 層基於以太坊無法處理並行處理來設計自己的優化解決方案。這裡我們只講執行層的優化，即虛擬機和並行執行。

虛擬機

以太坊虛擬機(EVM)設計為 256 位虛擬機單子，以便更輕鬆地處理以太坊的哈希演演演算法，並且它將顯式生成 256 位輸出。然而，實際運行以太坊虛擬機(EVM)的計算機需要將256位位元組映射到本地結構才能執行智能合約，這使得整個系統非常低效和不切實際。因此，在虛擬機選擇方面，高性能第 1 層使用基於 WASM、eBPF 字節碼 或 Move 字節碼 的虛擬機，而不是以太坊虛擬機(EVM)。

WASM 是一種基於沙箱安全機制的緊湊、快速載入、可移植的位元組碼格式。開發人員可以使用多種程式設計語言（C / C ++，Rust，Go，AssemblyScript，JavaScript等）編寫智能合約，然後將它們編譯成WASM位元組代碼並執行。WASM已被許多區塊鏈專案接受為標準，包括柚子，Dfinity，Polkadot（Gear），Cosmos（CosmWasm），Near等。以太坊未來還將集成WASM，確保以太坊的執行層更高效、更簡單，適合作為完全去中心化的計算平臺。

eBPF，以前稱為BPF（伯克利數據包篩檢程式），最初用於有效過濾網路數據包。進化后，它形成了eBPF，提供了更豐富的指令集，允許在不更改原始程式碼的情況下動態干預和修改操作系統內核。後來，這項技術從內核演變而來，開發了高性能、安全且可移植的使用者模式 eBPF 運行時。在Solana上執行的所有智能合約都被編譯成SBF（基於eBPF）字節碼並在其區塊鏈網路上運行。

Move是Diem設計的一種新的智慧合約程式設計語言，專注於靈活性，安全性和可驗證性。Move語言旨在解決資產和交易中的安全問題，使資產和交易受到嚴格定義和控制。Move 的 字節碼 驗證器是一種靜態分析工具，用於分析 Move 字節碼並確定它是否符合所需的類型、記憶體和資源安全規則，而無需在智慧合約級別實現並在運行時進行檢查。Aptos繼承了Diem Move，而Sui則通過自己定製的Sui Move版本編寫智能合約。

並行執行

區塊鏈中的並行執行意味著同時處理不相關的交易。將不相關的事務視為互不影響的事件。例如，如果兩個人在不同的交易所交易代幣，他們的交易可以同時處理。但是，如果它們在同一平臺上交易，則交易可能需要在特定單子執行。

實現並行執行的主要挑戰是確定哪些事務不相關，哪些事務是獨立的。大多數高性能 Layer1 依賴於兩種方法：狀態訪問方法和樂觀並行模型。

狀態訪問方法需要提前知道每個交易可以訪問區塊鏈狀態的哪一部分，從而分析哪些交易是獨立的。代表性的解決方案是Solana和隋。

在Solana中，程式 （智能合約） 是無狀態的，因為它們無法在整個事務過程中訪問（讀取或寫入）任何持久狀態。若要訪問或維護狀態，程式需要使用帳戶。Solana中的每個事務都必須指定在事務執行期間將訪問哪些帳戶，以便事務處理運行時可以調度非重疊事務進行並行執行，同時確保數據一致性。

在Sui Move中，每個智慧合約都是一個模組，由功能和結構定義組成。結構在函數中實例化，可以通過函數調用傳遞給其他模組。運行時中存儲的結構實例充當物件。Sui 有三種不同類型的物件：擁有者物件、共享物件和不可變物件。Sui 的並行化策略類似於Solana，因為事務還需要指定要操作的物件。

樂觀並行模型在所有交易都是獨立的假設下運行，追溯驗證此假設並在必要時進行調整。一個具有代表性的解決方案是Aptos。

Aptos使用區塊-STM（區塊軟體事務記憶體）方法來應用樂觀並行執行。在區塊-STM中，交易首先在塊內的某個單子設置，然後在不同的處理線程之間拆分以同時執行。在處理這些事務時，系統會跟蹤每個事務更改的記憶體位置。每輪處理后，系統都會檢查所有交易結果。如果它發現某個事務觸及了由先前事務更改的記憶體位置，它將擦除其結果並再次運行它。這個過程一直持續到區塊中的每筆交易都被處理完畢。

Parallel 以太坊虛擬機(EVM)

並行以太坊虛擬機(EVM)於 2021 年首次提出，當時它指的是支援同時處理多個交易的以太坊虛擬機(EVM)，旨在提高現有以太坊虛擬機(EVM)的性能和效率。代表性的解決方案包括Polygon基於區塊-STM的並行以太坊虛擬機(EVM)以及BSC和NodeReal聯合開發的並行以太坊虛擬機(EVM)。

然而，在 2023 年底，Paradigm CTO Georgios Konstantopoulos 和 Dragonfly 的 Haseeb Qureshi 在查看 2024 年的趨勢時巧合地提到了並行以太坊虛擬機(EVM)，引發了一波採用並行執行技術的以太坊虛擬機(EVM)相容第 1 層，包括 Monand 和 Sei V2。

如今，Solana上以太坊虛擬機(EVM)相容解決方案的Neon，以太坊的SVM（Solana 虛擬機）的Layer2 Rollup Eclipse，以太坊的Move 虛擬機的Layer2 Rollup Lumio，以及模組化執行層Layer1 Fuel都被標記為並行以太坊虛擬機(EVM)，使其相當混亂。

我認為只有以下三類可以合理定義為平行以太坊虛擬機(EVM)：

1. 使用並行執行技術（如 BSC、Polygon）對相容以太坊虛擬機(EVM) Layer1 沒有並行執行升級;
2. 使用並行執行技術以太坊虛擬機(EVM)相容第 1 層，例如 Monand、Sei V2 和 Artela;
3. 以太坊虛擬機(EVM)相容的解決方案，適用於使用並行執行技術的非以太坊虛擬機(EVM)相容的第 1 層，例如 Solana Neon。

毋庸置疑，BSC 和 Polygon 是最主流以太坊虛擬機(EVM)相容的第 1 層。以下是Monand，Sei V2，Artela和Solana Neon的簡要介紹。

Monad 是使用權益證明機制的高性能以太坊虛擬機(EVM)相容的第 1 層，旨在通過並行執行顯著提高可擴展性和事務速度。Monad Labs由Jump Trading前研究主管Keone Hon創立。Monads允許在一個區塊內並行執行交易，以提高效率。它使用樂觀並行模型，並在上一步的執行完成之前開始執行新事務。為了處理不正確的結果，Monad 跟蹤輸入/輸出並重新執行不一致的事務。靜態代碼解析器可以預測依賴關係，避免無效的並行性，並在不確定時恢復到簡單模式。這種並行執行提高了輸送量，同時降低了事務失敗的可能性。

Sei 是基於 Cosmos SDK 開發的第 1 層，Cosmos SDK 是專門為去中心化金融設計的公鏈。Sei團隊成員擁有技術和傳統金融背景，曾在Robinhood，Databricks，Airbnb和高盛等公司工作。Sei V2是對Sei網路的重大升級，旨在成為第一個完全並行以太坊虛擬機(EVM)。與Monand一樣，Sei V2將使用樂觀並行化。這允許區塊鏈同時執行交易，而無需開發人員定義任何依賴關係。當發生衝突時，區塊鏈會跟蹤每個事務的接觸存儲部件，並在單子中重新運行這些事務。此過程以遞歸方式繼續，直到解決所有未解決的衝突。

Artela是一個可擴展的區塊鏈網路，允許開發人員構建功能豐富的去中心化應用程式（dApps），核心成員來自AntChain。Artela的以太坊虛擬機(EVM)++代表了高可擴展性+高性能並行以太坊虛擬機(EVM)。它將分兩個階段實施，第一階段將側重於並行執行。基於並行執行，通過彈性計算，保證網路節點的算力可擴展，最終實現彈性區塊空間。其並行執行將根據事務依賴衝突分析對事務進行分組支撐並行執行。

Solana Neon 是 Neon Labs 開發的解決方案，用於在Solana上執行以太坊虛擬機(EVM)事務。Neon 以太坊虛擬機(EVM)實際上是Solana上的一個智能合約，它在合約中實現了以太坊虛擬機(EVM)解釋器，編譯成SBF字節碼。Neon 以太坊虛擬機(EVM)內部實現了一套以太坊交易模型和帳戶模型，使用者只需支付以太坊虛擬機(EVM)GAS費用即可發送交易。Solana網路的費用由霓虹燈代理支付。Solana要求事務強制提供帳戶 上架，包括包裝的事務，因此 Neon 代理的職責包括生成此帳戶 上架，並且它還獲得了Solana的事務並行執行能力。

此外，與Solana Neon類似，其他將以太坊虛擬機(EVM)作為智慧合約運行以實現以太坊虛擬機(EVM)相容性的解決方案包括Near Aurora和柚子 以太坊虛擬機(EVM)+。理論上，Aptos 和 Sui 也可以使用這個解決方案來實現非侵入性以太坊虛擬機(EVM)相容性，但我還沒有找到相關信息（也許 Pontem 正在這樣做？如果有正在進行的專案，請與我聯繫進行補充。以太坊虛擬機(EVM)相容性允許開發人員輕鬆地將他們的以太坊應用程式遷移到鏈上，而無需進行重大修改，這是構建 Aptos 和 Sui 生態系統的一個很好的方向。

結論

區塊鏈中的並行技術話題已經是一個司空見慣的話題，敘事不時浮出水面。然而，目前主要關注的是樂觀執行模型的修改和模仿，以Aptos的區塊-STM機制為代表。然而，如果沒有實質性的突破，熱量很難持續。

展望未來，我們可能會期待更多新興的第1層專案加入並行EVM的競爭。此外，一些現有的第 1 層專案可能會實施以太坊虛擬機(EVM)並行升級或以太坊虛擬機(EVM)相容的解決方案。這兩條路徑會導致類似的結果，可能會產生更多與表演相關的敘述。

然而，與高性能以太坊虛擬機(EVM)的敘述相比，我對多樣化的區塊鏈格局更有希望，其中出現了類似於WASM，SVM和Move 虛擬機(VM)的敘述。

語句：

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