Parallel EVM: Phép thuật của Lớp1 Hiệu suất cao

EVM: Trái tim của Ethereum

Máy ảo Ethereum (EVM) là trái tim của Ethereum, chịu trách nhiệm chạy các hợp đồng thông minh và xử lý giao dịch.

Máy ảo thường được sử dụng để ảo hóa các máy tính thực sự, thường được ảo hóa bởi một "bộ quản lý máy ảo" (như VirtualBox) hoặc một phiên bản hệ điều hành đầy đủ (như KVM của Linux). Chúng phải cung cấp các trừu tượng phần mềm cho phần cứng thực tế, các cuộc gọi hệ thống và các chức năng kernel khác.

EVM hoạt động trong một miền hẹp hơn: nó chỉ là một bộ máy tính, cung cấp các trừu tượng cho tính toán và lưu trữ, tương tự như quy định của Máy ảo Java (JVM). Từ một góc độ cao cấp, JVM nhằm mục đích cung cấp môi trường thời gian chạy độc lập với hệ điều hành hoặc phần cứng máy chủ cơ bản, đảm bảo tính tương thích trên các hệ thống khác nhau. Tương tự, EVM thực thi tập lệnh bytecode riêng, thường được biên dịch từ Solidity.

EVM là một máy trạng thái gần như Turing hoàn chỉnh; "gần như" vì tất cả các bước thực thi tiêu tốn tài nguyên hữu hạn gọi là Gas, vì vậy bất kỳ thực thi hợp đồng thông minh cụ thể nào cũng bị giới hạn trong một số bước tính toán hữu hạn, ngăn chặn vòng lặp vô hạn tiềm ẩn trong quá trình thực thi có thể dừng toàn bộ nền tảng Ethereum.

EVM không có khả năng lập lịch; mô-đun thực thi của Ethereum trích xuất giao dịch từ các khối, và EVM chịu trách nhiệm thực thi chúng theo thứ tự. Khi quá trình thực thi tiến triển, trạng thái thế giới mới nhất được sửa đổi, với việc tích lũy trạng thái xảy ra sau mỗi thực thi giao dịch, dẫn đến trạng thái thế giới mới nhất khi hoàn thành khối. Việc thực thi khối tiếp theo phụ thuộc nghiêm ngặt vào trạng thái thế giới sau khi thực thi khối trước đó, làm cho quá trình thực thi giao dịch của Ethereum khó tối ưu hóa cho thực thi song song.

Theo quan điểm này, giao thức Ethereum quy định rằng các giao dịch phải được thực thi theo thứ tự. Trong khi thực thi tuần tự đảm bảo rằng các giao dịch và hợp đồng thông minh được thực thi theo cách xác định, đảm bảo an ninh, nhưng có thể dẫn đến tắc nghẽn mạng và trễ trong điều kiện tải cao. Đây là lý do tại sao Ethereum đối mặt với các chướng ngại về hiệu suất đáng kể, đòi hỏi các giải pháp mở rộng Layer2 Rollup.

Con đường đến Song song cho Layer1 Hiệu suất cao

Hầu hết các giải pháp Layer1 hiệu suất cao được thiết kế dựa trên khả năng của Ethereum không thể xử lý các giao dịch song song, dẫn họ đến phát triển các chiến lược tối ưu hóa của họ, tập trung vào lớp thực thi, cụ thể là máy ảo và thực thi song song.

Máy ảo

EVM được thiết kế dưới dạng máy ảo 256 bit để hỗ trợ các thuật toán băm của Ethereum, tạo ra rõ ràng đầu ra 256 bit. Tuy nhiên, máy tính thực sự chạy EVM cần ánh xạ các byte 256 bit vào kiến trúc cục bộ để thực thi các hợp đồng thông minh, làm cho toàn bộ hệ thống trở nên rất không hiệu quả và không thực tế. Do đó, đối với việc lựa chọn máy ảo, các giải pháp Layer1 hiệu suất cao thường chọn máy ảo dựa trên WASM, bytecode eBPF hoặc Move, thay vì EVM.

WASM là định dạng bytecode nhỏ gọn, tải nhanh, di động và an toàn trong hộp cho phép các nhà phát triển viết các hợp đồng thông minh bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau (C/C++, Rust, Go, AssemblyScript, JavaScript, v.v.), biên dịch chúng thành bytecode WASM và thực thi chúng. WASM đã được nhiều dự án blockchain chấp nhận làm tiêu chuẩn, bao gồm EOS, Dfinity, Polkadot (Gear), Cosmos (CosmWasm), Near, v.v. Ethereum cũng sẽ tích hợp WASM trong tương lai để đảm bảo một quá trình thực thi hiệu quả, đơn giản hơn.





































































































Lớp n lớp phù hợp cho một nền tảng tính toán hoàn toàn phi tập trung.

eBPF, ban đầu là Berkeley Packet Filter (BPF), ban đầu được sử dụng để lọc gói mạng một cách hiệu quả. Nó đã phát triển thành eBPF, cung cấp một bộ chỉ thị phong phú, cho phép can thiệp động vào hạt nhân hệ điều hành mà không cần sửa đổi mã nguồn và thay đổi hành vi của nó. Công nghệ này sau đó phát triển từ hạt nhân, phát triển thành các thời gian chạy eBPF trên không gian người dùng với hiệu suất cao, bảo mật và khả năng di động. Hợp đồng thông minh được thực thi trên Solana được biên dịch thành bytecode SBF (dựa trên eBPF) và chạy trên mạng blockchain của nó.

Move là một ngôn ngữ lập trình hợp đồng thông minh mới được thiết kế bởi Diem, nhấn mạnh vào tính linh hoạt, bảo mật và khả năng xác minh. Ngôn ngữ Move nhắm vào việc giải quyết các vấn đề bảo mật trong tài sản và giao dịch, cho phép định rõ và kiểm soát chặt chẽ tài sản và giao dịch. Trình xác minh bytecode của Move là một công cụ phân tích tĩnh phân tích bytecode Move và xác định sự tuân thủ với các quy tắc an toàn về loại, bộ nhớ và tài nguyên cần thiết, loại bỏ nhu cầu kiểm tra thời gian chạy ở cấp độ hợp đồng thông minh. Aptos thừa kế Diem Move, trong khi Sui sử dụng phiên bản tùy chỉnh của Diem Move để viết các hợp đồng thông minh của mình.

Thực thi Song Song

Thực thi song song trong blockchain có nghĩa là xử lý các giao dịch không liên quan đồng thời, xem xét các giao dịch không liên quan như các sự kiện độc lập. Ví dụ, nếu hai cá nhân trao đổi mã thông báo trên các nền tảng khác nhau, giao dịch của họ có thể được xử lý đồng thời. Tuy nhiên, nếu họ trao đổi trên cùng một nền tảng, các giao dịch có thể cần được thực thi theo một thứ tự cụ thể.

<pthách thức chính trong việc đạt được thực thi song là xác định các giao dịch nào không liên quan và độc lập. hầu hết giải pháp layer1 hiệu suất cao dựa vào hai phương pháp: truy cập trạng thái mô hình lạc quan.< p>

Phương pháp truy cập trạng thái yêu cầu kiến thức trước về phần nào của trạng thái blockchain mà mỗi giao dịch có thể truy cập, từ đó phân tích xem các giao dịch nào là độc lập. Các giải pháp đại diện bao gồm Solana và Sui.

Trong Solana, các chương trình (hợp đồng thông minh) không có trạng thái vì chúng không thể truy cập trực tiếp (đọc hoặc ghi) vào bất kỳ trạng thái nào tồn tại trong quá trình giao dịch toàn bộ; chúng cần sử dụng tài khoản để truy cập hoặc duy trì trạng thái. Mỗi giao dịch trong Solana phải chỉ định các tài khoản mà nó sẽ truy cập trong quá trình thực thi giao dịch, cho phép thời gian chạy lên lịch trình các giao dịch không chồng chéo để thực thi song song trong khi đảm bảo tính nhất quán dữ liệu.

Trong Sui Move, mỗi hợp đồng thông minh là một mô-đun bao gồm các định nghĩa chức năng và cấu trúc. Các cấu trúc được khởi tạo trong các hàm và có thể được chuyển đến các mô-đun khác thông qua các cuộc gọi hàm. Thời gian chạy lưu trữ các cấu trúc đã khởi tạo dưới dạng đối tượng, với Sui có ba loại đối tượng: đối tượng chủ sở hữu, đối tượng được chia sẻ và đối tượng không thay đổi. Chiến lược song song hóa của Sui tương tự như Solana, nơi các giao dịch cũng cần chỉ định các đối tượng mà chúng hoạt động trên đó.

Mô hình song song lạc quan hoạt động dưới giả định rằng tất cả các giao dịch là độc lập, sau đó xác minh giả định này và điều chỉnh khi cần thiết. Một giải pháp đại diện là Aptos.

Aptos sử dụng phương pháp Block-STM (Block Software Transactional Memory) để áp dụng thực thi song song lạc quan. Trong Block-STM, các giao dịch được sắp xếp ban đầu trong một khối và sau đó chia thành các luồng xử lý khác nhau để thực thi đồng thời. Trong quá trình xử lý các giao dịch này, hệ thống theo dõi các vị trí bộ nhớ được thay đổi bởi mỗi giao dịch. Sau mỗi vòng xử lý, hệ thống kiểm tra tất cả kết quả giao dịch. Nếu phát hiện một giao dịch chạm vào một vị trí bộ nhớ đã được thay đổi bởi một giao dịch trước đó, nó sẽ xóa kết quả của nó và chạy lại nó. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả các giao dịch trong khối được xử lý.

EVM Song Song

EVM Song Song (ParalEVM (Ethereum Virtual Machine) được đề xuất lần đầu vào năm 2021, đề cập đến một EVM hỗ trợ xử lý đồng thời nhiều giao dịch, nhằm cải thiện hiệu suất và hiệu quả của các EVM hiện có. Các giải pháp đại diện bao gồm Parallel EVM của Polygon dựa trên Block-STM, và sự hợp tác của BSC với NodeReal để phát triển Parallel EVM. Tuy nhiên, vào cuối năm 2023, CTO của Paradigm Georgios Konstantopoulos và Haseeb Qureshi của Dragonfly đã đề cập đến Parallel EVM khi nhìn xa trước xu hướng năm 2024, tạo ra một làn sóng các giải pháp Layer1 tương thích với EVM áp dụng công nghệ thực thi song song, bao gồm Monand và Sei. Ngày nay, các giải pháp tương thích với EVM như Neon trên Solana, Layer2 Rollup Eclipse cho Ethereum SVM (Solana Virtual Machine), Layer2 Rollup Lumio cho Ethereum Move Virtual Machine, và lớp thực thi mô đun Layer1 Fuel đã đều chấp nhận nhãn Parallel EVM, tạo ra một loạt các lựa chọn rực rỡ. Tôi tin rằng các định nghĩa hợp lý của Parallel EVM thuộc ba loại sau: 1. Nâng cấp thực thi song song của các giải pháp Layer1 tương thích với EVM chưa áp dụng công nghệ thực thi song song, như BSC, Polygon; 2. Các Layer1 tương thích với EVM và sử dụng công nghệ thực thi song song bao gồm Monand, Sei V2, và Artela; 3. Đối với các Layer1 không tương thích với EVM nhưng sử dụng công nghệ thực thi song song, có các giải pháp tương thích với EVM như Solana Neon. Không cần phải nói, BSC và Polygon là hai Layer1 tương thích với EVM phổ biến nhất. Dưới đây là một giới thiệu ngắn về Monand, Sei V2, Artela, và Solana Neon. Monad là một Layer1 tương thích với EVM hiệu suất cao sử dụng cơ chế PoS, nhằm cải thiện đáng kể khả năng mở rộng và tốc độ giao dịch thông qua thực thi song song. Monad Labs được thành lập bởi Keone Hon, người từng là trưởng nhóm nghiên cứu tại Jump Trading. Monad cho phép các giao dịch được thực thi song song trong một khối để cải thiện hiệu quả. Nó sử dụng một mô hình song song lạc quan, bắt đầu thực thi các giao dịch mới trước khi hoàn thành các giao dịch trước đó. Để giải quyết kết quả không chính xác, Monad theo dõi đầu vào/đầu ra và thực thi lại các giao dịch không nhất quán. Một trình phân tích mã tĩnh dự đoán các phụ thuộc để tránh song song không hợp lệ và quay trở lại chế độ đơn giản khi không chắc chắn. Thực thi song song này tăng cường lưu lượng thông qua và giảm khả năng thất bại của giao dịch. Sei là một Layer1 phát triển dựa trên Cosmos SDK, được thiết kế đặc biệt cho DeFi. Các thành viên nhóm Sei có lịch sử làm việc trong cả công nghệ và tài chính truyền thống, từng làm việc tại các công ty như Robinhood, Databricks, Airbnb, và Goldman Sachs. Sei V2 là một bản nâng cấp lớn cho mạng lưới Sei, nhằm trở thành EVM hoàn toàn song song đầu tiên. Tương tự như Monad, Sei V2 sẽ sử dụng song song lạc quan. Điều này cho phép blockchain thực thi các giao dịch đồng thời mà không cần các nhà phát triển xác định bất kỳ phụ thuộc nào. Trong trường hợp xung đột, blockchain sẽ theo dõi các phần lưu trữ mà mỗi giao dịch chạm vào và chạy lại các giao dịch này theo thứ tự. Quá trình này tiếp tục đệ quy cho đến khi tất cả các xung đột chưa được giải quyết. Artela là một mạng lưới blockchain có khả năng mở rộng cho phép các nhà phát triển xây dựng các ứng dụng phi tập trung (dApps) phong phú với các thành viên chính từ AntChain. EVM++ được giới thiệu bởi Artela đại diện cho một EVM song song với khả năng mở rộng và hiệu suất cao, được thực hiện trong hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên sẽ được thiết kế xung quanh thực thi song song, đảm bảo khả năng mở rộng sức mạnh tính toán của nút mạng thông qua tính toán linh hoạt dựa trên thực thi song song, cuối cùng đạt được không gian khối linh hoạt. Thực thi song song sẽ nhóm các giao dịch dựa trên xung đột phụ thuộc giao dịch để hỗ trợ thực thi song song.M là một hợp đồng thông minh trên Solana, thực hiện một trình thông dịch EVM được biên dịch thành bytecode SBF. Neon EVM bên trong thực hiện mô hình giao dịch Ethereum và mô hình tài khoản, cho phép người dùng gửi giao dịch bằng cách trả phí gas EVM. Các khoản phí trên mạng Solana được trả bởi Neon Proxy. Solana yêu cầu các giao dịch cung cấp một danh sách tài khoản, và các giao dịch được bọc cũng không phải là ngoại lệ, vì vậy trách nhiệm của Neon Proxy bao gồm tạo ra danh sách tài khoản này, đồng thời cũng có khả năng thực thi song song của giao dịch Solana. Ngoài ra, các giải pháp như Solana Neon, chạy EVM như các hợp đồng thông minh để đạt được tính tương thích EVM, cũng bao gồm Near Aurora và EOS EVM+. Lí thuyết, Aptos và Sui có thể áp dụng phương pháp này để đạt được tính tương thích EVM không xâm lấn, và Movement Labs đang làm việc trên các dự án như vậy. Movement là một khung modular để xây dựng và triển khai cơ sở hạ tầng, ứng dụng và chuỗi khối dựa trên Move trong môi trường phân phối bất kỳ. Mô-đun Fractal của Movement chuyển đổi mượt mà các mã opcode EVM thành mã opcode Move, cho phép các dự án Solidity tận dụng hiệu suất và lợi ích bảo mật của Move mà không cần viết bất kỳ mã Move nào. Tính tương thích EVM cho phép các nhà phát triển dễ dàng di dời ứng dụng Ethereum của họ lên chuỗi mà không cần sửa đổi rộng lớn, cung cấp một hướng phát triển tốt cho việc xây dựng hệ sinh thái của Aptos và Sui. Tóm lại Công nghệ song song trong blockchain đã lâu trở thành một chủ đề được thảo luận, thường xuất hiện định kỳ, chủ yếu tập trung vào mô hình thực thi lạc quan được đại diện bởi cơ chế Block-STM của Aptos, nhưng không có bước tiến đáng kể, khiến việc duy trì sự hào hứng trở nên khó khăn. Nhìn vào tương lai, nhiều dự án Layer1 mới nổi sẽ tham gia vào cuộc cạnh tranh cho EVM song song, và các dự án Layer1 cũng sẽ triển khai nâng cấp song song EVM hoặc các giải pháp tương thích EVM. Hai hướng này dẫn đến cùng một mục tiêu, tạo ra nhiều câu chuyện liên quan đến cải thiện hiệu suất. Tuy nhiên, so với câu chuyện về EVM hiệu suất cao, tôi vẫn hy vọng thấy nhiều câu chuyện khác nhau trong blockchain, tương tự như WASM, SVM và Move VM.

</pthách>