Nghiên cứu công nghệ EVM song song: Vượt qua nút thắt khả năng mở rộng của Blockchain

Máy ảo Ethereum EVM

Mối quan hệ giữa EVM và Solidity

Phát triển hợp đồng thông minh là kỹ năng cơ bản của kỹ sư blockchain. Các nhà phát triển thường sử dụng Solidity hoặc ngôn ngữ cao cấp khác để thực hiện logic kinh doanh. Tuy nhiên, EVM không thể giải thích trực tiếp mã Solidity, cần phải biên dịch nó thành ngôn ngữ cấp thấp có thể thực thi bởi máy ảo (mã lệnh/mã byte). Trên thị trường có công cụ có thể tự động hoàn thành quá trình chuyển đổi này, giảm bớt gánh nặng cho các nhà phát triển trong việc hiểu các chi tiết biên dịch.

Mặc dù việc chuyển đổi có thể mang lại một số chi phí bổ sung, nhưng các kỹ sư quen thuộc với mã cấp thấp có thể trực tiếp sử dụng mã vận hành trong Solidity để viết logic chương trình, nhằm đạt được hiệu quả cao nhất và giảm tiêu thụ gas. Ví dụ, giao thức của một nền tảng giao dịch NFT nổi tiếng đã sử dụng rộng rãi mã lắp ghép nội tuyến để tối thiểu hóa chi phí gas của người dùng.

Sự khác biệt về hiệu suất EVM: Tiêu chuẩn và thực hiện

EVM, còn được gọi là "tầng thực thi", là nơi cuối cùng để tính toán và xử lý mã hợp đồng thông minh đã được biên dịch. Mã byte được định nghĩa bởi EVM là tiêu chuẩn của ngành. Dù được sử dụng cho mạng Layer 2 của Ethereum hay các blockchain độc lập khác, tính tương thích với tiêu chuẩn EVM cho phép các nhà phát triển triển khai hợp đồng thông minh một cách hiệu quả trên nhiều mạng.

Mặc dù việc tuân thủ tiêu chuẩn mã byte EVM khiến máy ảo trở thành EVM, nhưng cách triển khai có thể khác nhau rất nhiều. Ví dụ, một khách hàng của Ethereum được triển khai bằng ngôn ngữ Go theo tiêu chuẩn EVM, trong khi một nhóm khác của Quỹ Ethereum duy trì một triển khai bằng C++. Sự đa dạng này cho phép các tối ưu hóa kỹ thuật khác nhau và các triển khai tùy chỉnh.

Công nghệ EVM song song

Trong lịch sử, cộng đồng blockchain chủ yếu tập trung vào sự đổi mới của thuật toán đồng thuận, một số dự án nổi tiếng hơn nhờ cơ chế đồng thuận của chúng hơn là lớp thực thi. Mặc dù những dự án này cũng có sự đổi mới trong lớp thực thi, nhưng hiệu suất của chúng thường bị hiểu nhầm là chỉ xuất phát từ thuật toán đồng thuận.

Trên thực tế, blockchain hiệu suất cao cần các thuật toán đồng thuận sáng tạo và lớp thực thi tối ưu, tương tự như "lý thuyết thùng gỗ". Đối với blockchain EVM chỉ cải tiến thuật toán đồng thuận, việc nâng cao hiệu suất cần các nút mạnh mẽ hơn. Ví dụ, một chuỗi thông minh nổi tiếng xử lý khối dưới giới hạn gas 2000 TPS cần cấu hình máy móc cao gấp nhiều lần so với nút đầy đủ của Ethereum. Mặc dù một giải pháp Layer 2 nổi tiếng khác lý thuyết hỗ trợ lên đến 1000 TPS, nhưng hiệu suất thực tế của nó thường không đạt kỳ vọng.

Nhu cầu xử lý song song

Trong hầu hết các hệ thống blockchain, giao dịch được thực hiện theo thứ tự, tương tự như CPU đơn nhân, phép tính tiếp theo chỉ bắt đầu sau khi phép tính hiện tại hoàn thành. Phương pháp này mặc dù đơn giản và độ phức tạp của hệ thống thấp, nhưng khó mở rộng đến cơ sở người dùng trên quy mô internet. Chuyển sang CPU đa nhân và máy ảo có thể cho phép xử lý đồng thời nhiều giao dịch, tăng đáng kể thông lượng.

Việc thực thi song song mang lại những thách thức kỹ thuật, chẳng hạn như xử lý các giao dịch đồng thời ghi vào cùng một hợp đồng thông minh. Cần thiết phải thiết kế cơ chế mới để giải quyết những xung đột này. Việc thực thi các hợp đồng thông minh không liên quan có thể tăng thông lượng tỷ lệ với số lượng luồng xử lý song song.

Đổi mới EVM song song

EVM song song đại diện cho một loạt các đổi mới nhằm tối ưu hóa tầng thực thi của hệ thống blockchain. Lấy một dự án mới nổi làm ví dụ, những đổi mới chính của nó bao gồm:

• Thực thi giao dịch song song: Sử dụng thuật toán thực thi song song lạc quan, cho phép nhiều giao dịch được xử lý cùng lúc. Phương pháp này bắt đầu giao dịch từ cùng một trạng thái ban đầu, theo dõi đầu vào và đầu ra của chúng, tạo ra kết quả tạm thời cho từng giao dịch. Bằng cách kiểm tra xem đầu vào của giao dịch tiếp theo có liên quan đến đầu ra của giao dịch đang được xử lý hiện tại hay không để quyết định có thực hiện giao dịch tiếp theo hay không. Nếu có liên quan, giao dịch tiếp theo sẽ chờ giao dịch hiện tại hoàn thành. Nếu không có liên quan, hệ thống sẽ xử lý giao dịch tiếp theo theo thứ tự ban đầu. Phương pháp này nâng cao hiệu suất xử lý giao dịch một cách đáng kể, giảm độ trễ của hệ thống.

• Thực thi trễ: Trong cơ chế đồng thuận, các nút đạt được thứ tự chính thức cho các giao dịch mà không cần các nút chính hoặc nút xác thực thực hiện các giao dịch này. Ban đầu, các nút chính sắp xếp các giao dịch và đạt được sự đồng thuận về thứ tự của chúng giữa các nút. Không thực hiện giao dịch ngay lập tức, mà là trì hoãn việc thực hiện đến một kênh độc lập, tối đa hóa thời gian khối, nâng cao hiệu quả thực thi tổng thể.

• Cơ sở dữ liệu trạng thái tùy chỉnh: Tối ưu hóa lưu trữ và truy cập trạng thái bằng cách lưu trữ cây Merkle trực tiếp trên SSD. Phương pháp lưu trữ trực tiếp này giảm thiểu hiệu ứng phóng đại đọc, cải thiện tốc độ truy cập trạng thái, giúp việc thực thi hợp đồng thông minh nhanh hơn và hiệu quả hơn. Bằng cách giảm thiểu sự kém hiệu quả của cơ sở dữ liệu truyền thống, đảm bảo truy xuất nhanh các biến trạng thái trong suốt quá trình thực hiện giao dịch song song.

• Cơ chế đồng thuận hiệu suất cao: Phiên bản cải tiến dựa trên cơ chế đồng thuận HotStuff, hỗ trợ đồng bộ giữa hàng trăm nút phân tán toàn cầu, với độ phức tạp giao tiếp tuyến tính. Nó sử dụng giai đoạn bỏ phiếu theo dạng ống, cho phép các giai đoạn khác nhau của quá trình bỏ phiếu có thể chồng chéo lên nhau, giảm độ trễ và tăng hiệu quả đồng thuận. Sự sửa đổi này đã nâng cao đáng kể khả năng xử lý các hoạt động phân tán quy mô lớn của mạng.

Thách thức

Thách thức kỹ thuật của EVM song song

Nút thắt trong việc thực hiện giao dịch theo thứ tự liên quan đến CPU và quá trình đọc/ghi trạng thái. Mặc dù phương pháp này đơn giản và đáng tin cậy, việc thực thi song song đưa ra các xung đột trạng thái tiềm ẩn, cần phải kiểm tra xung đột trước hoặc sau khi thực hiện. Ví dụ, nếu một Máy ảo hỗ trợ bốn luồng song song, mỗi luồng xử lý một giao dịch, khi tất cả các giao dịch tương tác với cùng một hồ DEX, sẽ xảy ra xung đột. Tình huống này cần có cơ chế kiểm tra và giải quyết xung đột cẩn thận để đảm bảo việc xử lý song song hiệu quả.

Ngoài việc thực hiện sự khác biệt công nghệ của EVM song song, các đội thường thiết kế lại và cải thiện hiệu suất đọc/ghi của cơ sở dữ liệu trạng thái, đồng thời phát triển các thuật toán đồng thuận tương thích.

Thách thức và xem xét

Hai thách thức chính của EVM song song là việc nắm bắt giá trị kỹ thuật dài hạn của Ethereum và sự tập trung hóa nút. Mặc dù giai đoạn phát triển hiện tại chưa hoàn toàn mã nguồn mở để bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, nhưng những chi tiết này cuối cùng sẽ được tiết lộ khi mạng thử nghiệm và mạng chính được khởi động, đối mặt với rủi ro bị Ethereum hoặc các blockchain khác hấp thụ. Sự phát triển nhanh chóng của hệ sinh thái sẽ là chìa khóa để duy trì lợi thế cạnh tranh.

Tập trung hóa nút là một thách thức đối với tất cả các blockchain hiệu suất cao, cần đạt được sự cân bằng giữa "bài toán ba khó khăn của blockchain" - hoạt động không cần xin phép, không cần tin cậy và yêu cầu hiệu suất cao. Các chỉ số như "TPS theo yêu cầu phần cứng" có thể giúp so sánh hiệu quả của blockchain trong các điều kiện phần cứng cụ thể, vì yêu cầu phần cứng thấp hơn có thể cho phép nhiều nút phi tập trung hơn.

Bố cục EVM song song

Mô hình EVM song song bao gồm nhiều dự án và giải pháp. Một số trong số đó là blockchain Layer 1, trong khi một số khác có thể là giải pháp Layer 2. Một số dự án dựa trên mạng hiện có, chẳng hạn như một mạng blockchain nào đó, trong khi một số khác là các khách hàng mã nguồn mở hoặc giải pháp phát triển độc lập.

Điều kiện chính của EVM song song là mạng tương thích EVM. Mặc dù một số mạng không phải EVM cũng áp dụng thực thi song song, nhưng chúng không được coi là dự án EVM song song.

Hiện nay, các mạng EVM song song hiện có có thể được chia thành ba loại:

• Mạng Layer 1 tương thích EVM được nâng cấp bằng công nghệ thực thi song song: Những mạng này ban đầu không sử dụng thực thi song song, mà được nâng cấp qua các vòng lặp công nghệ để hỗ trợ EVM song song.

• Mạng Layer 1 tương thích EVM sử dụng công nghệ thực thi song song ngay từ đầu: Một số dự án mới nổi đã xem xét thực thi song song ngay từ khi thiết kế.

• Mạng Layer 2 sử dụng công nghệ thực thi song song không phải EVM: Những mạng này bao gồm các chuỗi Layer 2 tương thích với EVM hướng đến mở rộng. Những mạng này trừu tượng hóa EVM thành một mô-đun thực thi có thể cắm vào, cho phép lựa chọn "tầng thực thi VM" tốt nhất theo nhu cầu, từ đó đạt được khả năng thực thi song song.

dự án

Dự án A: EVM song song hàng đầu

Dự án này nhằm giải quyết vấn đề mở rộng của EVM truyền thống thông qua việc tối ưu hóa thực thi song song và kiến trúc ống dẫn, mục tiêu đạt được 10.000 TPS. Gần đây đã hoàn thành một vòng tài trợ quy mô lớn, trở thành dự án EVM song song được tài trợ nhiều nhất và có định giá cao nhất cho đến nay. Các thành viên trong đội ngũ sáng lập bao gồm những chuyên gia đến từ các công ty công nghệ tài chính nổi tiếng. Mạng thử nghiệm nội bộ đã được khởi động và dự kiến sẽ mở cửa cho công chúng trong vài tháng tới.

Dự án B: Ra mắt mạng EVM song song

Dự án này ban đầu là một mạng Layer 1 tập trung vào giao dịch, cung cấp cơ sở hạ tầng ứng dụng giao dịch tiên tiến. Gần đây đã công bố nâng cấp toàn diện, trở thành EVM song song hiệu suất cao, tăng đáng kể TPS. Mạng thử nghiệm EVM song song đã được ra mắt, hỗ trợ di chuyển ứng dụng EVM chỉ với một cú nhấp chuột. Mạng chính dự kiến sẽ được ra mắt trong nửa đầu năm nay.

Dự án C: Tăng cường lớp thực thi thông qua hai Máy ảo

Dự án này nhằm nâng cao khả năng mở rộng của mạng Layer 1 bằng cách mở rộng hỗ trợ EVM cho việc thực thi song song. Bằng cách xây dựng hệ thống hai Máy ảo, dự án nhằm cải thiện hiệu suất blockchain EVM và hiệu quả thực thi mạng. Các thành viên trong đội ngũ cốt lõi đến từ những dự án blockchain nổi tiếng. Mạng thử nghiệm công khai đã được ra mắt, chương trình khuyến khích hệ sinh thái đã được triển khai.

Dự án D: Giới thiệu công nghệ EVM song song

Đây là một mạng Layer 1 tương thích EVM được xây dựng trên một khung phát triển blockchain, được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng DeFi. Gần đây đã công bố kế hoạch phát triển, nhằm giới thiệu công nghệ thực thi song song EVM để nâng cao hiệu suất mạng.

Dự án E: Giải pháp tương thích EVM cho chuỗi khối cụ thể

Dự án này được xây dựng trên một mạng blockchain hiệu suất cao với EVM song song, cũng là giải pháp tương thích EVM đầu tiên của mạng này. Nó hỗ trợ các nhà phát triển EVM Solidity và Vyper triển khai DApp của họ chỉ bằng một cú nhấp chuột, tận hưởng thông lượng cao và phí gas thấp. Dự án này đóng gói giao dịch của mạng EVM thành định dạng cụ thể để thực hiện, từ đó tăng tốc độ giao dịch, TPS vượt quá 2.000.

Dự án F: Đưa VM cụ thể vào Ethereum

Đây là một giải pháp tổng quát mô-đun Layer 2 được hỗ trợ bởi một Máy ảo blockchain nổi tiếng. Nó thanh toán dữ liệu giao dịch trên Ethereum, sử dụng ETH làm gas, nhưng lớp thực thi của nó chạy trong môi trường VM cụ thể. Gần đây đã hoàn thành vòng gọi vốn lớn, mạng chính dự kiến sẽ sớm mở cho các nhà phát triển.

Dự án G: Lớp VM mô-đun 2

Dự án này được xây dựng trên một giải pháp mở rộng Layer 2 nào đó, là một mạng Layer 2 VM mô-đun. Nó nhằm mục đích mang máy ảo hiệu suất cao vào các mạng Layer 2 chính hiện có của Ethereum và Bitcoin. Hỗ trợ sử dụng Ethereum hoặc Bitcoin làm lớp thanh toán, lớp thực thi có thể sử dụng nhiều máy ảo để thực hiện song song.

Kết luận

Với sự phát triển của công nghệ blockchain, việc chú ý đến tầng thực thi và thuật toán đồng thuận cũng quan trọng không kém để đạt được hiệu suất cao. Những đổi mới như EVM song song cung cấp các giải pháp đầy hứa hẹn để tăng cường thông lượng và hiệu quả, giúp blockchain trở nên có khả năng mở rộng hơn và có thể hỗ trợ một nhóm người dùng rộng lớn. Sự phát triển và triển khai của những công nghệ này sẽ định hình tương lai của hệ sinh thái blockchain, thúc đẩy sự tiến bộ và ứng dụng hơn nữa trong lĩnh vực này.