EVM : Le cœur de Ethereum

EVM (Ethereum Virtual Machine) est au cœur de Ethereum et est responsable de l’exécution des smart contracts et du traitement des transactions.

Une machine virtuelle est généralement utilisée pour virtualiser un ordinateur réel, généralement par un « hyperviseur » (tel que VirtualBox) ou une instance entière du système d’exploitation (tel que KVM pour Linux). Ils doivent respectivement fournir des abstractions logicielles du matériel réel, des appels système et d’autres fonctions du noyau.

Le EVM opère dans un domaine plus limité : il s’agit simplement d’un moteur de calcul, il fournit donc des abstractions pour le calcul et le stockage, similaires à la spécification Java Machine virtuelle (JVM). D’un point de vue général, la JVM est conçue pour fournir un environnement d’exécution indépendant du système d’exploitation ou du matériel hôte sous-jacent, permettant ainsi la compatibilité entre une variété de systèmes. De même, l’EVM exécute son propre ensemble d’instructions de bytecode, qui sont généralement compilées par Solidity.

EVM est une machine à états complets quasi-Turing. Il est « quasi » car toutes les étapes d’exécution consomment une ressource limitée Gas, de sorte que toute exécution de contrat intelligent donnée sera limitée à un nombre limité d’étapes de calcul, évitant ainsi d’éventuelles erreurs dans le processus d’exécution. Une boucle infinie, provoquant l’arrêt de toute la plate-forme Ethereum.

EVM n’a pas de fonction de planification. Le module d’exécution d’Ethereum retire les transactions une par une du bloc, et EVM est responsable de leur exécution en séquence. Le dernier état du monde sera modifié au cours du processus d’exécution. Une fois qu’une transaction est exécutée, l’état est accumulé pour atteindre l’état mondial le plus récent une fois le blocage terminé. L’exécution du bloc suivant dépend strictement de l’état du monde après l’exécution du bloc précédent, de sorte que le processus d’exécution linéaire des transactions d’Ethereum ne peut pas être bien optimisé pour une exécution parallèle.

En ce sens, la Ethereum protocole stipule que les transactions doivent être exécutées dans l’ordre. Alors que l’exécution séquentielle garantit que les transactions et les smart contracts peuvent être exécutés dans un ordre déterministe, garantissant la sécurité, elle peut entraîner une congestion du réseau et une latence face à une charge élevée. C’est pourquoi Ethereum présente des goulots d’étranglement importants en termes de performances et nécessite un cumul de couche 2 pour l’expansion de la capacité.

Parallélisme de couche 1 haute performance

La plupart des couches 1 hautes performances conçoivent leurs propres solutions d’optimisation basées sur l’incapacité d’Ethereum à gérer le traitement parallèle. Ici, nous ne parlons que de l’optimisation de la couche d’exécution, c’est-à-dire des machines virtuelles et de l’exécution parallèle.

Machine virtuelle

Le EVM est conçu comme une machine virtuelle 256 bits dans ordre pour faciliter le traitement de l’algorithme de hachage de Ethereum, et il produira explicitement une sortie 256 bits. Cependant, l’ordinateur exécutant réellement l’EVM doit mapper des octets de 256 bits à la structure locale pour exécuter le contrat intelligent, ce qui rend l’ensemble du système très inefficace et peu pratique. Par conséquent, en termes de sélection de machines virtuelles, la couche 1 hautes performances utilise des machines virtuelles basées sur WASM, le bytecode eBPF ou le bytecode Move plutôt que sur EVM.

WASM est un format de code d’octet compact, rapide et portable basé sur un mécanisme de sécurité de bac à sable. Les développeurs peuvent utiliser plusieurs langages de programmation (C/C++, Rust, Go, AssemblyScript, JavaScript, etc.) pour écrire des smart contracts, puis les compiler en bytecode WASM et les exécuter. WASM a été accepté comme norme par de nombreux projets blockchain, notamment EOS, Dfinity, Polkadot (Gear), Cosmos (CosmWasm), Near, etc. Ethereum intégrera également WASM à l’avenir pour s’assurer que la couche d’exécution d’Ethereum est plus efficace, simple et adaptée en tant que plate-forme informatique entièrement décentralisée.

L’eBPF, anciennement connu sous le nom de BPF (Berkeley Packet Filter), a d’abord été utilisé pour filtrer efficacement les paquets de données réseau. Après évolution, il a formé eBPF, fournissant un jeu d’instructions plus riche, permettant une intervention dynamique et une modification du noyau du système d’exploitation sans changer le code source. Plus tard, cette technologie a évolué à partir du noyau pour développer un environnement d’exécution eBPF en mode utilisateur, qui est haute performance, sécurisé et portable. Tous les smart contracts exécutés sur Solana sont compilés en SBF (basé sur eBPF) bytecode et exécutés sur son réseau blockchain.

Move est un nouveau langage de programmation de contrats intelligents conçu par Diem, axé sur la flexibilité, la sécurité et la vérifiabilité. Le langage Move vise à résoudre les problèmes de sécurité des actifs et des transactions, en rendant les actifs et les transactions strictement définis et contrôlés. Le vérificateur de bytecode de Move est un outil d’analyse statique qui analyse le bytecode Move et détermine s’il est conforme aux règles de sécurité, de type, de mémoire et de ressources requises, sans implémentation au niveau du contrat intelligent et sans vérification au moment de l’exécution. Aptos a hérité de Diem Move, tandis que Sui écrit ses smart contracts via sa propre version personnalisée de Sui Move.

Exécution parallèle

L’exécution parallèle dans la blockchain consiste à traiter des transactions non liées en même temps. Traitez les transactions non liées comme des événements qui ne s’affectent pas les uns les autres. Par exemple, si deux personnes échangent des jetons sur des plateformes d’échange différentes, leurs transactions peuvent être traitées simultanément. Cependant, si elles sont négociées sur la même plate-forme, les transactions peuvent devoir être exécutées dans un ordre spécifique.

Le principal défi dans la réalisation d’une exécution parallèle est de déterminer quelles transactions ne sont pas liées et lesquelles sont indépendantes. La plupart des couches 1 hautes performances reposent sur deux approches : les méthodes d’accès à l’état et les modèles parallèles optimistes.

Les méthodes d’accès à l’état doivent savoir à l’avance à quelle partie de l’état de la blockchain chaque transaction peut accéder, afin d’analyser quelles transactions sont indépendantes. Les solutions représentatives sont Solana et Sui.

Dans Solana, les programmes (smart contracts) sont sans état car ils ne peuvent accéder (lire ou écrire) à aucun état persistant tout au long du processus de transaction. Pour accéder à l’état ou le maintenir, les programmes doivent utiliser des comptes. Chaque transaction dans Solana doit spécifier les comptes auxquels vous accéderez pendant l’exécution de la transaction, afin que le runtime de traitement des transactions puisse planifier des transactions qui ne se chevauchent pas pour une exécution parallèle, garantissant ainsi la cohérence des données.

Dans Sui Move, chaque contrat intelligent est un module, composé de définitions de fonctions et de structures. Les structures sont instanciées dans des fonctions et peuvent être transmises à d’autres modules par le biais d’appels de fonctions. Les instances de structure stockées dans l’exécution agissent comme des objets. Sui a trois types d’objets différents : les objets propriétaires, les objets partagés et les objets immuables. La stratégie de parallélisation de Sui est similaire à celle de Solana, car les transactions doivent également spécifier les objets à exploiter.

Le modèle parallèle optimiste repose sur l’hypothèse que toutes les transactions sont indépendantes, en vérifiant rétrospectivement cette hypothèse et en apportant des ajustements si nécessaire. Une solution représentative est Aptos.

Aptos utilise la méthode Bloc-STM (Bloc Software Transactional Memory) pour appliquer une exécution parallèle optimiste. Dans Bloc-STM, les transactions sont d’abord définies dans un certain ordre au sein du bloc, puis réparties entre différents threads de traitement pour une exécution simultanée. Lors du traitement de ces transactions, le système suit les emplacements de mémoire modifiés par chaque transaction. Après chaque cycle de traitement, le système vérifie tous les résultats de la transaction. S’il constate qu’une transaction a touché un emplacement mémoire modifié par une transaction antérieure, il efface son résultat et l’exécute à nouveau. Ce processus se poursuit jusqu’à ce que toutes les transactions du bloc aient été traitées.

Parallel EVM

L’EVM parallèle a été évoqué pour la première fois en 2021, à l’époque, il faisait référence à un EVM qui prend en charge le traitement simultané de plusieurs transactions, dans le but d’améliorer les performances et l’efficacité de l’EVM existant. Parmi les solutions représentatives, citons l’EVM parallèle de Polygon basé sur Bloc-STM et l’EVM parallèle développé conjointement par BSC et NodeReal.

Cependant, à la fin de 2023, Georgios Konstantopoulos, CTO de Paradigm, et Haseeb Qureshi de Dragonfly, ont mentionné par coïncidence l’EVM parallèle tout en examinant les tendances pour 2024, déclenchant une vague de couches 1 compatibles EVM qui ont adopté la technologie d’exécution parallèle, y compris Monand et Sei V2.

De nos jours, Neon, la solution la EVM compatible sur Solana, le Layer2 Rollup Eclipse de la SVM (Solana Machine virtuelle de Ethereum, le Layer2 Rollup Lumio du Move Machine virtuelle de Ethereum et la couche d’exécution modulaire Layer1 Fuel ont tous été étiquetés avec des EVM parallèles, ce qui le rend assez déroutant.

Je pense qu’il n’y a que les trois catégories suivantes qui peuvent être raisonnablement définies comme EVM parallèles :

1. Il n’y a pas de mise à niveau d’exécution parallèle de la couche 1 compatible EVM à l’aide d’une technologie d’exécution parallèle, telle que BSC, Polygon ;
2. Couche 1 compatible EVM utilisant une technologie d’exécution parallèle, telle que Monand, Sei V2 et Artela ;
3. Solutions compatibles EVM pour la couche 1 non compatible EVM qui utilisent une technologie d’exécution parallèle, telle que Solana Neon.

Inutile de dire que BSC et Polygon sont les couches 1 compatibles EVM les plus courantes. Voici une brève introduction à Monand, Sei V2, Artela et Solana Neon.

Monad est une couche 1 haute performance compatible EVM utilisant un mécanisme PoS, conçue pour améliorer considérablement l’évolutivité et la vitesse de transaction grâce à l’exécution parallèle. Monad Labs a été fondée par Keone Hon, ancien responsable de la recherche chez Jump Trading. Les monades permettent d’exécuter des transactions en parallèle au sein d’un bloc pour augmenter l’efficacité. Il utilise un modèle de parallélisme optimiste et commence à exécuter une nouvelle transaction avant que l’exécution de l’étape précédente ne soit terminée. Pour faire face aux résultats incorrects, Monad suit les entrées/sorties et réexécute les transactions incohérentes. Les analyseurs de code statiques peuvent prédire les dépendances, éviter un parallélisme inefficace et revenir au mode simple en période d’incertitude. Cette exécution parallèle augmente le débit tout en réduisant la probabilité d’échec de la transaction.

Sei est une couche 1 développée sur la base du SDK Cosmos, une chaîne publique spécialement conçue pour la DeFi. Les membres de l’équipe Sei ont une formation à la fois technologique et financière traditionnelle, ayant travaillé dans des entreprises comme Robinhood, Databricks, Airbnb et Goldman Sachs. Sei V2 est une mise à niveau majeure du réseau Sei, visant à être le premier EVM entièrement parallèle. Comme Monand, Sei V2 utilisera la parallélisation optimiste. Cela permet à la blockchain d’exécuter des transactions simultanément sans que les développeurs ne définissent de dépendances. Lorsque des conflits surviennent, la blockchain suit les parties de stockage touchées de chaque transaction et réexécute ces transactions dans l’ordre. Ce processus se poursuit de manière récursive jusqu’à ce que tous les conflits non résolus soient résolus.

Artela est un réseau blockchain évolutif qui permet aux développeurs de créer des applications décentralisées (dApps) riches en fonctionnalités, avec des membres principaux d’AntChain. L’EVM++ d’Artela représente une grande évolutivité + un EVM parallèle haute performance. Il sera mis en œuvre en deux étapes, dont la première se concentrera sur l’exécution parallèle. Basé sur l’exécution parallèle, grâce à l’informatique élastique, il garantit que la puissance de calcul du nœud du réseau est évolutive, ce qui permet d’obtenir un espace de bloc élastique. Son support parallèle regroupera les transactions en fonction de l’analyse des conflits de dépendances de transaction pour faciliter l’exécution parallèle.

Solana Neon est une solution développée par Neon Labs pour exécuter des transactions EVM sur Solana. Neon EVM est en fait un contrat intelligent sur Solana, qui implémente un interpréteur EVM dans le contrat, compilé en bytecode SBF. Neon EVM implémente en interne un ensemble de modèles de transaction Ethereum et de modèles de compte, et les utilisateurs n’ont qu’à payer des frais EVM GAS pour envoyer des transactions. Les frais du réseau Solana sont payés par le Neon Proxy. Solana exige que les transactions fournissent obligatoirement un compte liste, y compris les transactions encapsulées, de sorte que les responsabilités du proxy Neon incluent la génération de ce compte liste, et il bénéficie également de la capacité d’exécution parallèle des transactions de Solana.

De plus, à l’instar de Solana Neon, d’autres solutions qui fonctionnent EVM comme un contrat intelligent pour assurer EVM compatibilité incluent Near Aurora et EOS EVM+. Théoriquement, Aptos et Sui pourraient également utiliser cette solution pour obtenir une compatibilité EVM non intrusive, mais je n’ai pas trouvé d’informations pertinentes (peut-être que Pontem le fait ?). S’il y a des projets en cours, n’hésitez pas à me contacter pour un supplément. La compatibilité EVM permet aux développeurs de migrer facilement leurs applications Ethereum vers la chaîne sans apporter de modifications importantes, ce qui est une excellente direction pour construire l’écosystème Aptos et Sui.

Conclusion

Le sujet de la technologie parallèle dans la blockchain est déjà un sujet courant, avec des récits qui refont surface de temps en temps. Cependant, à l’heure actuelle, l’accent est mis sur les modifications et les imitations du modèle d’exécution optimiste, représenté par le mécanisme Bloc-STM d’Aptos. Cependant, sans percées substantielles, la chaleur est difficile à maintenir.

À l’avenir, nous pouvons nous attendre à ce que d’autres projets émergents de couche 1 se joignent à la course aux EVM parallèles. En outre, certains projets de couche 1 existants peuvent mettre en œuvre des mises à niveau parallèles EVM ou des solutions compatibles EVM. Ces deux voies mènent à un résultat similaire, donnant potentiellement naissance à d’autres récits liés à la performance.

Cependant, par rapport au récit de l’EVM haute performance, j’ai plus d’espoir pour un paysage blockchain diversifié, où des récits similaires à WASM, SVM et Move VM émergent.

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