Exploración de la tecnología EVM paralela: superando el cuello de botella de la escalabilidad de la Cadena de bloques

Máquina virtual de Ethereum EVM

La relación entre EVM y Solidity

El desarrollo de contratos inteligentes es una habilidad básica para los ingenieros de blockchain. Los desarrolladores suelen usar Solidity u otros lenguajes de alto nivel para implementar la lógica de negocio. Sin embargo, la EVM no puede interpretar directamente el código Solidity, y necesita ser compilado a un lenguaje de bajo nivel (código de operación/código de bytes) que sea ejecutable por la máquina virtual. Hay herramientas en el mercado que pueden completar automáticamente este proceso de conversión, aliviando la carga de los desarrolladores para comprender los detalles de la compilación.

Aunque la conversión conlleva algunos gastos adicionales, los ingenieros familiarizados con la codificación de bajo nivel pueden escribir la lógica del programa directamente en Solidity utilizando códigos de operación, para lograr la máxima eficiencia y reducir el consumo de gas. Por ejemplo, el protocolo de una conocida plataforma de intercambio de NFT utiliza ampliamente ensamblador en línea para minimizar el gasto de gas de los usuarios.

Diferencias en el rendimiento de la Máquina virtual: estándares y implementaciones

EVM, también conocido como "capa de ejecución", es el lugar donde se calcula y procesa finalmente el código de operación del contrato inteligente compilado. El bytecode definido por EVM es el estándar de la industria. Ya sea para redes de Capa 2 de Ethereum o para otras cadenas de bloques independientes, la compatibilidad con el estándar EVM permite a los desarrolladores implementar contratos inteligentes de manera eficiente en múltiples redes.

A pesar de que cumplir con el estándar de bytecode de EVM convierte a la máquina virtual en EVM, los métodos de implementación pueden variar significativamente. Por ejemplo, un cliente de Ethereum implementa el estándar de EVM en el lenguaje Go, mientras que otro equipo de la Fundación Ethereum mantiene una implementación en C++. Esta diversidad permite diferentes optimizaciones de ingeniería y implementaciones personalizadas.

tecnología EVM en paralelo

Históricamente, la comunidad de blockchain se ha centrado principalmente en la innovación de los algoritmos de consenso, y algunos proyectos conocidos son más famosos por su mecanismo de consenso que por su capa de ejecución. Aunque estos proyectos también han innovado en la capa de ejecución, su rendimiento a menudo se malinterpreta como si solo proviniera de su algoritmo de consenso.

En realidad, una blockchain de alto rendimiento necesita algoritmos de consenso innovadores y una capa de ejecución optimizada, similar a la "teoría del barril". Para las blockchains EVM que solo mejoran el algoritmo de consenso, aumentar el rendimiento requiere nodos más potentes. Por ejemplo, una conocida cadena inteligente maneja bloques bajo un límite de gas de 2000 TPS, lo que requiere máquinas que son varias veces más potentes que un nodo completo de Ethereum. Aunque otra conocida solución Layer 2 teóricamente soporta hasta 1000 TPS, su rendimiento real a menudo no cumple con las expectativas.

Necesidad de procesamiento en paralelo

En la mayoría de los sistemas de blockchain, las transacciones se ejecutan en orden, similar a una CPU de un solo núcleo, donde el siguiente cálculo comienza solo después de que se complete el cálculo actual. Este enfoque, aunque simple y con baja complejidad del sistema, es difícil de escalar para una base de usuarios a nivel de Internet. Cambiar a una máquina virtual de múltiples núcleos permite procesar múltiples transacciones simultáneamente, aumentando significativamente el rendimiento.

La ejecución en paralelo trae desafíos de ingeniería, como manejar situaciones en las que transacciones concurrentes escriben en el mismo contrato inteligente. Es necesario diseñar nuevos mecanismos para resolver estos conflictos. La ejecución en paralelo de contratos inteligentes no relacionados puede aumentar el rendimiento de manera proporcional al número de hilos de procesamiento en paralelo.

Innovación en la EVM paralela

EVM paralelo representa una serie de innovaciones destinadas a optimizar la capa de ejecución de sistemas de blockchain. Tomando como ejemplo un nuevo proyecto emergente, sus principales innovaciones incluyen:

• Ejecución paralela de transacciones: Utiliza un algoritmo de ejecución paralela optimista que permite procesar múltiples transacciones simultáneamente. Este método comienza las transacciones desde el mismo estado inicial, rastrea sus entradas y salidas, y genera resultados temporales para cada transacción. Se decide si se ejecuta la siguiente transacción comprobando si las entradas de la siguiente transacción están relacionadas con las salidas de la transacción que se está procesando actualmente. Si hay relación, la siguiente transacción espera a que se complete la transacción actual. Si no hay relación, el sistema procesa la siguiente transacción en el orden original. Este método mejora significativamente el rendimiento del procesamiento de transacciones y reduce la latencia del sistema.

• Ejecución diferida: en el mecanismo de consenso, los nodos logran un orden formal de las transacciones sin necesidad de que el nodo principal o los nodos de validación ejecuten estas transacciones. Al principio, el nodo principal ordena las transacciones y se alcanza un consenso sobre su orden entre los nodos. No se ejecutan las transacciones de inmediato, sino que la ejecución se pospone a un canal independiente, maximizando así el tiempo de bloque y mejorando la eficiencia general de la ejecución.

• Base de datos de estado personalizada: optimiza el almacenamiento y acceso al estado al almacenar directamente el árbol de Merkle en SSD. Este método de almacenamiento directo minimiza el efecto de amplificación de lectura, aumentando la velocidad de acceso al estado y haciendo que la ejecución de contratos inteligentes sea más rápida y eficiente. Al reducir la ineficiencia de las bases de datos tradicionales, se asegura una recuperación rápida de las variables de estado durante la ejecución de transacciones en paralelo.

• Mecanismo de consenso de alto rendimiento: versión mejorada del mecanismo de consenso HotStuff, que soporta la sincronización entre cientos de nodos distribuidos globalmente, con complejidad de comunicación lineal. Utiliza una fase de votación en canalización, lo que permite que las diferentes etapas del proceso de votación se superpongan, reduciendo la latencia y aumentando la eficiencia del consenso. Esta modificación mejora significativamente la capacidad de la red para procesar operaciones distribuidas a gran escala.

Desafío

Desafíos técnicos de EVM en paralelo

El cuello de botella en la ejecución de transacciones secuenciales está relacionado con el CPU y el proceso de lectura/escritura de estado. Aunque este método es simple y confiable, la ejecución en paralelo introduce posibles conflictos de estado, que requieren una verificación de conflictos antes o después de la ejecución. Por ejemplo, si una máquina virtual admite cuatro hilos paralelos, cada uno manejando una transacción, se producirán conflictos cuando todas las transacciones interactúen con el mismo pool de DEX. Esta situación requiere mecanismos cuidadosos de detección y resolución de conflictos para garantizar un procesamiento paralelo eficiente.

Además de las diferencias técnicas en la implementación de EVM en paralelo, los equipos suelen rediseñar y mejorar el rendimiento de lectura/escritura de la base de datos de estado, y desarrollar algoritmos de consenso compatibles.

Desafíos y consideraciones

Los dos principales desafíos del EVM paralelo son la captura del valor de ingeniería a largo plazo de Ethereum y la centralización de nodos. Aunque la fase de desarrollo actual aún no se ha abierto por completo para proteger la propiedad intelectual, estos detalles finalmente se revelarán cuando se inicien la red de prueba y la red principal, enfrentando el riesgo de ser absorbidos por Ethereum u otras cadenas de bloques. El rápido desarrollo del ecosistema será clave para mantener la ventaja competitiva.

La centralización de nodos es un desafío para todas las blockchains de alto rendimiento, ya que se necesita alcanzar un equilibrio entre la "triple dificultad de la blockchain" —operaciones sin permisos, sin confianza y la demanda de alto rendimiento. Indicadores como el "TPS por requerimiento de hardware" pueden ayudar a comparar la eficiencia de las blockchains bajo condiciones de hardware específicas, ya que menores requisitos de hardware pueden habilitar más nodos descentralizados.

Patrón de EVM en paralelo

El patrón EVM paralelo incluye múltiples proyectos y soluciones. Algunos de ellos son blockchains de Capa 1, mientras que otros pueden ser soluciones de Capa 2. Algunos proyectos están basados en redes existentes, como cierta red de blockchain, mientras que otros son soluciones de cliente de código abierto o desarrolladas de forma independiente.

Las principales condiciones de la EVM paralela son las redes compatibles con EVM. Aunque algunas redes no EVM también adoptan la ejecución paralela, no se consideran proyectos de EVM paralela.

Actualmente, las redes EVM paralelas existentes se pueden dividir en tres tipos:

• Redes Layer 1 compatibles con EVM que han sido actualizadas mediante tecnología de ejecución paralela: estas redes inicialmente no utilizaban ejecución paralela, sino que han sido actualizadas a través de iteraciones tecnológicas para soportar EVM paralela.

• Red de Layer 1 compatible con EVM que utiliza tecnología de ejecución paralela desde el principio: algunos proyectos emergentes han considerado la ejecución paralela desde el diseño inicial.

• Redes de Layer 2 que utilizan tecnología de ejecución paralela no EVM: esto incluye cadenas de Layer 2 compatibles con EVM orientadas a la escalabilidad. Estas redes abstraen el EVM en un módulo de ejecución intercambiable, permitiendo seleccionar la mejor "capa de ejecución de VM" según sea necesario, lo que permite la capacidad de ejecución paralela.

proyecto

Proyecto A: EVM paralelo líder

El proyecto tiene como objetivo resolver el problema de escalabilidad del EVM tradicional mediante la optimización de la ejecución paralela y la arquitectura de tuberías, con el objetivo de alcanzar 10,000 TPS. Recientemente se completó una financiación masiva, convirtiéndose en el proyecto de EVM paralelo con más financiación y la mayor valoración hasta la fecha. Los miembros del equipo fundador incluyen profesionales de empresas de tecnología financiera reconocidas. La red de pruebas interna ya se ha lanzado y se espera que esté abierta al público en unos meses.

Proyecto B: Lanzamiento de la red EVM paralela

El proyecto comenzó como una red Layer 1 centrada en el comercio, que proporciona una infraestructura avanzada para aplicaciones de comercio. Recientemente se anunció una actualización completa, convirtiéndose en una EVM paralela de alto rendimiento, lo que aumenta significativamente el TPS. La red de prueba de la EVM paralela ya está en línea, soportando la migración de aplicaciones EVM con un solo clic. Se espera que la red principal se lance en la primera mitad de este año.

Proyecto C: Mejora de la capa de ejecución mediante doble Máquina virtual

El proyecto tiene como objetivo mejorar la escalabilidad de la red Layer 1 al ampliar el soporte de EVM para la ejecución paralela. A través de la construcción de un sistema de doble máquina virtual, se busca mejorar el rendimiento de la blockchain de EVM y la eficiencia de ejecución de la red. Los miembros del equipo central provienen de proyectos de blockchain reconocidos. La red de prueba pública ya está en línea y se ha lanzado un programa de incentivos para el ecosistema.

Proyecto D: Introducción de la tecnología EVM en paralelo

Esta es una red de capa 1 compatible con EVM construida sobre un marco de desarrollo de blockchain, diseñada específicamente para aplicaciones DeFi. Recientemente se anunció un plan de desarrollo, que tiene como objetivo introducir la tecnología de ejecución paralela de EVM para mejorar el rendimiento de la red.

Proyecto E: solución de compatibilidad EVM para blockchain específica

El proyecto se basa en una EVM paralela sobre una red de blockchain de alto rendimiento, y es la primera solución de compatibilidad EVM para dicha red. Soporta a los desarrolladores de EVM en Solidity y Vyper para desplegar sus DApps con un solo clic, disfrutando de un alto rendimiento y bajas tarifas de gas. El proyecto envuelve las transacciones de la red EVM en un formato específico para su ejecución, aumentando así la velocidad de las transacciones, con un TPS que supera los 2,000.

Proyecto F: Introducir una VM específica en Ethereum

Esta es una solución modular de capa 2 Rollup respaldada por una conocida máquina virtual de blockchain. Se liquidan los datos de transacciones en Ethereum, utilizando ETH como gas, pero su capa de ejecución se ejecuta en un entorno VM específico. Recientemente completó una financiación a gran escala, y se espera que la mainnet se abra pronto a los desarrolladores.

Proyecto G: Capa 2 de VM modular

El proyecto se basa en una solución de escalado de Layer 2 y es una red Layer 2 modular de VM. Su objetivo es introducir máquinas virtuales de alto rendimiento en las principales redes de Layer 2 de Ethereum y Bitcoin existentes. Soporta el uso de Ethereum o Bitcoin como capa de liquidación, y la capa de ejecución puede utilizar múltiples máquinas virtuales para la ejecución en paralelo.

conclusión

Con el desarrollo de la tecnología blockchain, es igualmente importante prestar atención a la capa de ejecución y a los algoritmos de consenso para lograr un alto rendimiento. Innovaciones como EVM paralelo ofrecen soluciones prometedoras para aumentar el rendimiento y la eficiencia, haciendo que la blockchain sea más escalable y capaz de soportar una amplia base de usuarios. El desarrollo e implementación de estas tecnologías darán forma al futuro del ecosistema blockchain, impulsando avances y aplicaciones adicionales en el campo.