Exploração da tecnologia EVM paralela: superando o gargalo de escalabilidade do Blockchain

Máquina Virtual Ethereum EVM

A relação entre EVM e Solidity

O desenvolvimento de contratos inteligentes é uma habilidade fundamental para engenheiros de blockchain. Os desenvolvedores geralmente utilizam Solidity ou outras linguagens de alto nível para implementar a lógica de negócios. No entanto, a EVM não consegue interpretar diretamente o código Solidity, sendo necessário compilá-lo para uma linguagem de baixo nível executável pela máquina virtual (código de operação/código de bytes). Existem ferramentas no mercado que podem automatizar esse processo de conversão, aliviando a carga dos desenvolvedores em entender os detalhes da compilação.

Embora a conversão traga alguns custos adicionais, engenheiros familiarizados com codificação de baixo nível podem escrever a lógica do programa diretamente em Solidity usando códigos de operação, a fim de alcançar a máxima eficiência e reduzir o consumo de gas. Por exemplo, o protocolo de uma conhecida plataforma de negociação de NFT usa amplamente a assembly inline para minimizar os custos de gas dos usuários.

Diferenças de desempenho da EVM: padrões e implementações

EVM, também conhecido como "camada de execução", é o local onde os códigos operacionais dos contratos inteligentes compilados são finalmente calculados e processados. O bytecode definido pelo EVM é o padrão da indústria. Seja para redes Layer 2 do Ethereum ou outras blockchains independentes, a compatibilidade com o padrão EVM permite que os desenvolvedores implementem contratos inteligentes de forma eficiente em várias redes.

Apesar de cumprir o padrão de bytecode EVM que torna a Máquina virtual em EVM, a abordagem de implementação pode variar significativamente. Por exemplo, um cliente do Ethereum implementou o padrão EVM em Go, enquanto outra equipe da Fundação Ethereum mantém uma implementação em C++. Essa diversidade permite diferentes otimizações de engenharia e implementações personalizadas.

tecnologia EVM paralela

Historicamente, a comunidade de blockchain focou principalmente na inovação dos algoritmos de consenso, e alguns projetos conhecidos são mais famosos por seus mecanismos de consenso do que pela sua camada de execução. Embora esses projetos também tenham inovado na camada de execução, seu desempenho é frequentemente mal interpretado como sendo apenas originado de seu algoritmo de consenso.

Na verdade, blockchains de alto desempenho precisam de algoritmos de consenso inovadores e de uma camada de execução otimizada, semelhante à "teoria do barril". Para blockchains EVM que apenas melhoram o algoritmo de consenso, o aumento de desempenho requer nós mais poderosos. Por exemplo, uma conhecida cadeia inteligente, sob um limite de gas de 2000 TPS, precisa de máquinas com configurações várias vezes superiores às de um nó completo do Ethereum para processar blocos. Embora outra solução Layer 2 conhecida suporte teoricamente até 1000 TPS, seu desempenho real muitas vezes fica aquém das expectativas.

Demanda por processamento paralelo

Na maioria dos sistemas de blockchain, as transações são executadas em sequência, semelhante a um CPU de núcleo único, onde o próximo cálculo só começa após a conclusão do cálculo atual. Embora essa abordagem seja simples e tenha baixa complexidade de sistema, é difícil de escalar para uma base de usuários em nível de internet. A transição para uma Máquina Virtual paralela de CPU multinúcleo pode permitir o processamento simultâneo de várias transações, aumentando significativamente a taxa de transferência.

A execução paralela trouxe desafios de engenharia, como lidar com a situação de gravações de transações concorrentes no mesmo contrato inteligente. É necessário projetar novos mecanismos para resolver esses conflitos. A execução paralela de contratos inteligentes não relacionados pode aumentar a taxa de transferência proporcionalmente ao número de threads de processamento paralelas.

Inovação EVM paralela

A EVM paralela representa uma série de inovações destinadas a otimizar a camada de execução dos sistemas de blockchain. Tomando como exemplo um novo projeto emergente, as suas inovações chave incluem:

• Execução paralela de transações: utiliza um algoritmo de execução otimista em paralelo, permitindo que múltiplas transações sejam processadas simultaneamente. Este método começa as transações a partir do mesmo estado inicial, rastreando suas entradas e saídas, gerando resultados temporários para cada transação. A decisão de executar a próxima transação é baseada na verificação se as entradas da próxima transação estão relacionadas com as saídas da transação atualmente em processamento. Se houver relação, a próxima transação aguarda a conclusão da transação atual. Se não houver relação, o sistema processa a próxima transação na ordem original. Este método melhora significativamente o desempenho do processamento de transações e reduz a latência do sistema.

• Execução diferida: No mecanismo de consenso, os nós alcançam uma ordenação formal das transações sem a necessidade de que o nó principal ou os nós de validação realizem essas transações. Inicialmente, o nó principal ordena as transações e alcança consenso entre os nós sobre sua ordem. As transações não são executadas imediatamente, mas a execução é adiada para um canal separado, maximizando o tempo do bloco e aumentando a eficiência geral da execução.

• Base de dados de estado personalizada: otimiza o armazenamento e o acesso ao estado através do armazenamento direto de árvores Merkle em SSD. Este método de armazenamento direto minimiza o efeito de amplificação de leitura, aumentando a velocidade de acesso ao estado e tornando a execução de contratos inteligentes mais rápida e eficiente. Ao reduzir a ineficiência das bases de dados tradicionais, assegura a recuperação rápida de variáveis de estado durante a execução de transações em paralelo.

• Mecanismo de consenso de alto desempenho: uma versão melhorada do mecanismo de consenso HotStuff, que suporta a sincronização entre centenas de nós distribuídos globalmente, com complexidade de comunicação linear. Utiliza uma fase de votação em pipeline, permitindo que diferentes etapas do processo de votação ocorram em sobreposição, reduzindo a latência e aumentando a eficiência do consenso. Esta modificação melhora significativamente a capacidade da rede de processar operações distribuídas em grande escala.

Desafio

Desafios técnicos do EVM paralelo

O gargalo na execução de transações em sequência está relacionado com o CPU e o processo de leitura/escrita de estado. Embora este método seja simples e fiável, a execução paralela introduz potenciais conflitos de estado, necessitando de verificações de conflito antes ou após a execução. Por exemplo, se uma Máquina Virtual suportar quatro threads em paralelo, cada thread lidando com uma transação, ocorrerá um conflito quando todas as transações interagirem com o mesmo pool DEX. Esta situação requer um mecanismo cuidadoso de deteção e resolução de conflitos para garantir um processamento paralelo eficiente.

Além de implementar diferenças técnicas no EVM paralelo, as equipes geralmente redesenham e melhoram o desempenho de leitura/escrita do banco de dados de estado e desenvolvem algoritmos de consenso compatíveis.

Desafios e Considerações

Os dois principais desafios do EVM paralelo são a captura de valor de engenharia a longo prazo do Ethereum e a centralização dos nós. Embora a fase de desenvolvimento atual ainda não tenha sido totalmente open source, para proteger a propriedade intelectual, esses detalhes acabarão por ser divulgados quando as redes de teste e principal forem lançadas, enfrentando o risco de serem absorvidos pelo Ethereum ou outras blockchains. O rápido desenvolvimento do ecossistema será a chave para manter a vantagem competitiva.

A centralização de nós é um desafio para todas as blockchains de alto desempenho, sendo necessário encontrar um equilíbrio entre a "tríade difícil do blockchain" — operação sem permissão, sem confiança e a demanda por alto desempenho. Indicadores como "TPS por requisitos de hardware" podem ajudar a comparar a eficiência das blockchains sob condições de hardware específicas, uma vez que menores exigências de hardware podem permitir um maior número de nós descentralizados.

padrão EVM paralelo

O padrão EVM paralelo inclui vários projetos e soluções. Alguns deles são blockchains de Camada 1, enquanto outros podem ser soluções de Camada 2. Alguns projetos são baseados em redes existentes, como uma rede de blockchain, enquanto outros são soluções de clientes de código aberto ou desenvolvidas de forma independente.

As principais condições para a EVM paralela são redes compatíveis com EVM. Embora algumas redes que não são EVM também adotem a execução paralela, elas não são consideradas projetos de EVM paralela.

Atualmente, as redes EVM paralelas existentes podem ser divididas em três tipos:

• Rede Layer 1 compatível com EVM atualizada por tecnologia de execução paralela: essas redes não utilizavam execução paralela inicialmente, mas foram atualizadas através de iterações tecnológicas para suportar EVM paralela.

• Rede Layer 1 compatível com EVM que adota tecnologia de execução paralela desde o início: alguns projetos emergentes consideraram a execução paralela desde a fase de design.

• Redes Layer 2 que utilizam tecnologia de execução paralela não EVM: estas incluem cadeias compatíveis com EVM Layer 2 orientadas para a escalabilidade. Estas redes abstraem o EVM em um módulo de execução plugável, permitindo a seleção da melhor "camada de execução VM" conforme necessário, possibilitando assim a capacidade de execução paralela.

projeto

Projeto A: Máquina Virtual Ethereum paralela líder

O projeto visa resolver o problema de escalabilidade do EVM tradicional através da otimização da execução paralela do EVM e da arquitetura em pipeline, com o objetivo de alcançar 10.000 TPS. Recentemente, foi concluído um financiamento em grande escala, tornando-se o projeto de EVM paralelo com mais financiamento e maior avaliação até agora. Os membros da equipe fundadora incluem profissionais de empresas de tecnologia financeira renomadas. A rede de testes interna já foi lançada e espera-se que seja aberta ao público em alguns meses.

Projeto B: Lançamento da rede EVM paralela

O projeto começou como uma rede Layer 1 focada em negociação, oferecendo uma infraestrutura avançada para aplicações de negociação. Recentemente, foi anunciado um upgrade completo, tornando-se uma EVM paralela de alto desempenho, aumentando significativamente o TPS. A testnet da EVM paralela já está online, suportando a migração com um clique de aplicações EVM. A mainnet está prevista para ser lançada no primeiro semestre deste ano.

Projeto C: Aumentar a camada de execução através de dupla Máquina Virtual

O projeto visa melhorar a escalabilidade da rede Layer 1 ao expandir o suporte da EVM para execução paralela. Através da construção de um sistema de dupla Máquina Virtual, pretende-se aumentar o desempenho da blockchain EVM e a eficiência da execução na rede. Os membros da equipe central vêm de projetos de blockchain renomados. A rede de teste pública já está ativa e o programa de incentivos ao ecossistema foi lançado.

Projeto D: Introdução da tecnologia EVM paralela

Esta é uma rede Layer 1 compatível com EVM construída com base em um framework de desenvolvimento de blockchain, projetada especificamente para aplicações DeFi. Recentemente, foi anunciado um plano de desenvolvimento, com o objetivo de introduzir a tecnologia de execução paralela de EVM para melhorar o desempenho da rede.

Projeto E: Solução de compatibilidade EVM para blockchain específica

Este projeto é uma EVM paralela construída sobre uma rede de blockchain de alto desempenho, sendo a primeira solução de compatibilidade EVM dessa rede. Ele suporta desenvolvedores EVM em Solidity e Vyper para implantar suas DApps com um único clique, desfrutando de alta capacidade de processamento e baixas taxas de gas. O projeto encapsula as transações da rede EVM em um formato específico para execução, aumentando assim a velocidade das transações, com TPS superior a 2.000.

Projeto F: Introduzir uma VM específica no Ethereum

Este é uma solução modular de camada 2 Rollup suportada por uma conhecida Máquina Virtual de blockchain. Ele liquida os dados das transações na Ethereum, utilizando ETH como gás, mas sua camada de execução opera em um ambiente VM específico. Recentemente, completou uma grande rodada de financiamento, e a mainnet deverá ser aberta aos desenvolvedores em breve.

Projeto G: Máquina virtual modular Layer 2

Este projeto é construído com base em uma solução de escalonamento Layer 2, sendo uma rede modular VM Layer 2. O objetivo é trazer Máquinas Virtuais de alto desempenho para as principais redes Layer 2 existentes do Ethereum e do Bitcoin. Suporta o uso do Ethereum ou do Bitcoin como camada de liquidação, e a camada de execução pode usar várias Máquinas Virtuais para execução paralela.

Conclusão

Com o desenvolvimento da tecnologia blockchain, é igualmente importante focar na camada de execução e nos algoritmos de consenso para alcançar alto desempenho. Inovações como a EVM paralela oferecem soluções promissoras para aumentar a taxa de transferência e a eficiência, tornando a blockchain mais escalável e capaz de suportar uma ampla gama de usuários. O desenvolvimento e a implementação dessas tecnologias moldarão o futuro do ecossistema blockchain, promovendo mais avanços e aplicações neste campo.