Дослідження технології паралельного EVM: подолання вузького місця масштабованості Блокчейн

Віртуальна машина Ethereum EVM

Взаємозв'язок між EVM та Solidity

Розробка смарт-контрактів є базовою навичкою блокчейн-інженера. Розробники зазвичай використовують Solidity або інші високорівневі мови для реалізації бізнес-логіки. Однак, EVM не може безпосередньо інтерпретувати код Solidity, його потрібно скомпілювати в низькорівневу мову, що виконується віртуальною машиною (операційний код/байт-код). На ринку є інструменти, які можуть автоматично виконати цей процес перетворення, зменшуючи навантаження на розробників у розумінні деталей компіляції.

Хоча конвертація може призвести до деяких додаткових витрат, інженери, які знайомі з низькорівневим кодуванням, можуть безпосередньо використовувати операційні коди для написання логіки програми в Solidity, щоб досягти максимальної ефективності та знизити витрати на газ. Наприклад, протокол відомої платформи торгівлі NFT широко використовує вбудовану асемблерну мову для мінімізації витрат на газ для користувачів.

Різниця в продуктивності EVM: стандарти та реалізація

EVM, також відомий як "виконавчий шар", є місцем, де відбувається остаточний розрахунок і обробка зкомпільованих операційних кодів смарт-контрактів. Байт-код, визначений EVM, є галузевим стандартом. Незалежно від того, використовується він для мережі Layer 2 Ethereum чи інших незалежних блокчейнів, сумісність зі стандартом EVM дозволяє розробникам ефективно розгортати смарт-контракти в кількох мережах.

Хоча відповідність стандарту байт-коду EVM робить віртуальну машину EVM, методи реалізації можуть суттєво відрізнятися. Наприклад, один клієнт Ethereum реалізує стандарт EVM на мові Go, а інша команда Фонду Ethereum підтримує реалізацію на C++. Ця різноманітність дозволяє здійснювати різні інженерні оптимізації та налаштовані реалізації.

Паралельна технологія EVM

В історії, спільнота блокчейну в основному зосереджувалася на інноваціях у алгоритмах консенсусу, деякі відомі проекти навіть здобули популярність завдяки своїм механізмам консенсусу, а не завдяки своєму виконавчому рівню. Незважаючи на те, що ці проекти також внесли інновації у виконавчий рівень, їх продуктивність часто помилково вважається такою, що походить лише з їх алгоритмів консенсусу.

Насправді, високопродуктивний блокчейн потребує інноваційних алгоритмів консенсусу та оптимізованого виконавчого шару, подібно до "теорії бочки". Для EVM-блокчейнів, які лише вдосконалюють алгоритм консенсусу, підвищення продуктивності потребує більш потужних вузлів. Наприклад, одна відома смарт-ланцюг обробляє блоки при обмеженні gas у 2000 TPS, потребуючи конфігурації машин, які в кілька разів перевищують потужність повного вузла Ethereum. Хоча інше відоме рішення Layer 2 теоретично підтримує до 1000 TPS, його фактична продуктивність часто не відповідає очікуванням.

Потреба в паралельній обробці

У більшості систем блокчейн транзакції виконуються послідовно, подібно до однокристального ЦП, наступний обчислення починається лише після завершення поточного. Хоча цей підхід є простим і має низьку складність системи, він важко масштабується до інтернет-рівня користувачів. Перехід до багатоядерних ЦП та паралельних віртуальних машин може дозволити одночасну обробку кількох транзакцій, що суттєво підвищить пропускну здатність.

Паралельне виконання призвело до інженерних викликів, таких як обробка одночасних транзакцій запису в один і той же смарт-контракт. Потрібно розробити нові механізми для вирішення цих конфліктів. Паралельне виконання не пов'язаних смарт-контрактів може пропорційно підвищити пропускну здатність залежно від кількості паралельних потоків обробки.

Інновації паралельної EVM

Паралельна EVM представляє собою ряд інновацій, спрямованих на оптимізацію шару виконання блокчейн-систем. Наприклад, у випадку з певним новим проектом, його ключові інновації включають:

• Паралельне виконання транзакцій: використовується оптимістичний алгоритм паралельного виконання, що дозволяє обробляти кілька транзакцій одночасно. Цей підхід починає транзакції з одного й того ж початкового стану, відстежує їхні входи та виходи, генеруючи тимчасові результати для кожної транзакції. Перевіряючи, чи пов'язані входи наступної транзакції з виходами транзакції, що зараз обробляється, вирішується, чи виконувати наступну транзакцію. Якщо є зв'язок, наступна транзакція чекає завершення поточної. Якщо зв'язку немає, система обробляє наступну транзакцію в первісному порядку. Цей підхід суттєво підвищує продуктивність обробки транзакцій і зменшує затримки в системі.

• Затримка виконання: у механізмі консенсусу вузли досягають формального впорядкування транзакцій без необхідності виконання цих транзакцій головним вузлом або вузлом-верифікатором. Спочатку головний вузол впорядковує транзакції та досягає консенсусу щодо їх порядку між вузлами. Транзакції не виконуються негайно, а їх виконання відкладається в окремий канал, щоб максимально використовувати час блоку та підвищити загальну ефективність виконання.

• Кастомізована база даних стану: оптимізація зберігання та доступу до стану шляхом безпосереднього зберігання дерева Меркла на SSD. Цей метод безпосереднього зберігання мінімізує ефект розширення читання, підвищуючи швидкість доступу до стану, що робить виконання смарт-контрактів швидшим і ефективнішим. Зменшення неефективності традиційних баз даних забезпечує швидкий доступ до змінних стану під час паралельного виконання транзакцій.

• Високопродуктивний механізм консенсусу: покращена версія механізму консенсусу HotStuff, яка підтримує синхронізацію між сотнями глобально розподілених вузлів з лінійною складністю комунікації. Він використовує конвеєрну стадію голосування, що дозволяє різним етапам голосування накладатися, зменшуючи затримки та підвищуючи ефективність консенсусу. Це модифікація значно підвищила здатність мережі обробляти великомасштабні розподілені операції.

Виклик

Технічні виклики паралельного EVM

Вузьке місце виконання послідовних угод пов'язане з процесами читання/запису CPU та стану. Хоча цей метод є простим і надійним, паралельне виконання вводить потенційні конфлікти стану, що вимагає перевірки конфліктів до або після виконання. Наприклад, якщо одна віртуальна машина підтримує чотири паралельні потоки, кожен з яких обробляє одну угоду, коли всі угоди взаємодіють з однією і тією ж DEX-пулою, можуть виникнути конфлікти. Ця ситуація вимагає ретельного виявлення конфліктів та механізмів їх вирішення, щоб забезпечити ефективну паралельну обробку.

Окрім реалізації технічних відмінностей паралельного EVM, команди зазвичай перепроєктують та покращують продуктивність читання/запису бази даних стану, а також розробляють сумісні алгоритми консенсусу.

Виклики та роздуми

Два основні виклики паралельного EVM - це довгострокове захоплення інженерної вартості Ethereum та централізація вузлів. Хоча поточний етап розробки ще не повністю відкритий, щоб захистити інтелектуальну власність, ці деталі врешті-решт будуть розкриті під час запуску тестової мережі та основної мережі, стикаючись з ризиком бути поглиненими Ethereum або іншими блокчейнами. Швидкий розвиток екосистеми буде ключем до збереження конкурентної переваги.

Концентрація вузлів є викликом для всіх високопродуктивних блокчейнів, що вимагає досягнення балансу між "триєдністю блокчейну" — бездозвільними, бездостовірними операціями та вимогами до високої продуктивності. Показники, такі як "TPS для кожного апаратного забезпечення", можуть допомогти порівняти ефективність блокчейнів за певних умов апаратного забезпечення, оскільки нижчі вимоги до апаратного забезпечення можуть активувати більше децентралізованих вузлів.

Паралельна структура EVM

Паралельна архітектура EVM включає кілька проєктів і рішень. Деякі з них є блокчейнами Layer 1, тоді як інші можуть бути рішеннями Layer 2. Деякі проєкти базуються на існуючих мережах, таких як певна блокчейн-мережа, тоді як інші є відкритими клієнтами або незалежно розробленими рішеннями.

Основною умовою паралельного EVM є мережа, сумісна з EVM. Хоча деякі мережі, що не є EVM, також використовують паралельне виконання, їх не вважають проектами паралельного EVM.

Наразі існуючі паралельні мережі EVM можна поділити на три типи:

• Мережа Layer 1, сумісна з EVM, оновлена за допомогою технології паралельного виконання: ці мережі спочатку не використовували паралельне виконання, але були оновлені за допомогою технологічних ітерацій для підтримки паралельного EVM.

• EVM-сумісна мережа Layer 1, що з самого початку використовує технологію паралельного виконання: деякі нові проєкти з моменту свого дизайну враховували паралельне виконання.

• Використання технології паралельного виконання на базі не-EVM у мережах другого рівня: до них відносяться мережі другого рівня, сумісні з EVM, орієнтовані на розширення. Ці мережі абстрагують EVM у знімний модуль виконання, що дозволяє вибирати найкращий "шар виконання VM" відповідно до потреб, забезпечуючи паралельні можливості.

проект

Проект A: провідна паралельна Віртуальна машина Ethereum

Проект має на меті вирішення проблеми масштабованості традиційної EVM шляхом оптимізації паралельного виконання та конвеєрної архітектури, з метою досягнення 10,000 TPS. Нещодавно було завершено великомасштабне фінансування, що стало найбільшим за обсягом фінансування та найвищою оцінкою серед проектів паралельної EVM на сьогодні. До складу засновницької команди входять фахівці з відомих фінансових технологічних компаній. Внутрішня тестова мережа вже запущена, і очікується, що протягом кількох місяців вона буде відкритою для громадськості.

Проект B: запуск паралельної мережі EVM

Цей проєкт спочатку був мережою Layer 1, що зосереджується на торгівлі, і надає розвинуту інфраструктуру для торгових застосунків. Нещодавно було оголошено про повне оновлення, в результаті якого він став високо продуктивною паралельною EVM, що значно підвищує TPS. Тестова мережа паралельної EVM вже запущена, підтримує одноклікову міграцію застосунків EVM. Основна мережа очікується в запуску в першій половині цього року.

Проект C: Покращення виконавчого рівня за допомогою подвійної Віртуальної машини

Цей проект має на меті підвищити масштабованість мережі Layer 1 шляхом розширення підтримки EVM для паралельного виконання. Завдяки створенню подвійної віртуальної машини система має на меті підвищити продуктивність блокчейну EVM та ефективність виконання мережі. Члени основної команди походять з відомих блокчейн-проектів. Публічна тестова мережа вже запущена, програма стимулювання екосистеми вже реалізована.

Проект D: впровадження технології паралельної Віртуальної машини Ethereum

Це мережа Layer 1, сумісна з EVM, побудована на основі певного блочного фреймворку, спеціально розроблена для DeFi-додатків. Нещодавно було оголошено план розробки, спрямований на впровадження технології паралельного виконання EVM для підвищення продуктивності мережі.

Проект E: рішення сумісності EVM для конкретного блокчейну

Цей проєкт є паралельною EVM, побудованою на певній високопродуктивній блокчейн-мережі, і є першим рішенням для сумісності EVM в цій мережі. Він підтримує розробників EVM на Solidity та Vyper, дозволяючи їм одноклікової розгортання своїх DApp, насолоджуючись високою пропускною здатністю та низькими витратами на газ. Проєкт упаковує транзакції мережі EVM у певний формат для виконання, що підвищує швидкість транзакцій, TPS перевищує 2 000.

Проект F: Введення певної Віртуальної машини в Ethereum

Це модульне загальне рішення Rollup Layer 2, підтримуване відомою віртуальною машиною блокчейну. Воно розраховує дані транзакцій на Ethereum, використовуючи ETH як газ, але його виконавчий рівень працює в специфічному середовищі ВМ. Нещодавно завершено масштабне фінансування, основна мережа, як очікується, скоро буде відкрита для розробників.

Проект G: Модульна Віртуальна машина Layer 2

Цей проект побудовано на основі певного рішення для розширення Layer 2, це модульна Віртуальна машина Layer 2 мережі. Він призначений для впровадження високопродуктивної віртуальної машини в існуючі основні мережі Ethereum та Bitcoin Layer 2. Підтримує використання Ethereum або Bitcoin як шару розрахунків, а шар виконання може використовувати різні віртуальні машини для паралельного виконання.

Висновок

З розвитком технології блокчейн важливо також звертати увагу на виконуваний рівень і алгоритми консенсусу для досягнення високої продуктивності. Інновації, такі як паралельна EVM, пропонують перспективні рішення для підвищення пропускної здатності та ефективності, роблячи блокчейн більш масштабованим та здатним підтримувати широкий спектр користувачів. Розвиток і впровадження цих технологій формуватимуть майбутнє екосистеми блокчейн, сприяючи подальшому прогресу та застосуванню в цій сфері.