以太坊虛擬機EVM深度解析

EVM與Solidity的關係

智能合約開發是區塊鏈工程師的核心技能。雖然開發者通常使用Solidity等高級語言編寫合約,但EVM無法直接執行這些代碼。它需要將代碼編譯成虛擬機可理解的低級指令(操作碼/字節碼)。目前已有工具可以自動完成這一轉換過程,減輕了開發者理解編譯細節的負擔。

雖然編譯會引入一些開銷,但熟悉底層編碼的工程師可以直接在Solidity中嵌入操作碼,以實現最高效率並降低gas消耗。例如,某知名NFT交易協議就大量使用內聯匯編來最小化用戶的gas開銷。

EVM標準與實現的差異

EVM作爲"執行層",是編譯後的智能合約操作碼最終運行的環境。EVM定義的字節碼已成爲行業標準。無論是以太坊二層網路還是其他獨立區塊鏈,只要兼容EVM標準,開發者就可以高效地在多個網路上部署智能合約。

盡管遵循相同的字節碼標準,但EVM的具體實現可以有很大差異。比如以太坊的某客戶端用Go語言實現了EVM標準,而某基金會團隊則維護着一個C++實現。這種多樣性爲不同的工程優化和定制實現提供了空間。

並行EVM技術的興起

歷史上,區塊鏈社區主要關注共識算法的創新,一些知名項目更多因其共識機制而非執行層受到關注。盡管這些項目在執行層也有創新,但其性能提升常被誤認爲僅源於共識算法。

實際上,高性能區塊鏈需要在共識算法和執行層兩方面同時創新。對於僅改進共識算法的EVM區塊鏈,提升性能往往需要更強大的硬件支持。例如,某知名智能鏈在2000 TPS的gas限制下處理區塊,需要比以太坊全節點高出數倍的配置。另一個聲稱支持高達1000 TPS的網路,實際性能也常常不及預期。

並行處理的必要性

傳統區塊鏈系統中,交易是順序執行的,類似單核CPU。雖然這種方法簡單且系統復雜度低,但難以支撐大規模用戶基礎。轉向多核CPU式的並行虛擬機可以同時處理多筆交易,大幅提升吞吐量。

並行執行帶來了一些工程挑戰,如處理並發交易對同一合約的寫入。這需要新的機制來解決潛在衝突。不過,對不相關智能合約的並行執行可以按處理線程數成比例提高吞吐量。

並行EVM的創新

並行EVM代表了一系列旨在優化區塊鏈執行層的創新。以某項目爲例,其關鍵創新包括:

• 並行交易執行:採用樂觀並行執行算法,允許多個交易同時處理。系統從相同初始狀態開始交易,追蹤輸入輸出,生成臨時結果。通過檢查交易間依賴關係決定是否並行執行下一筆交易。

• 延遲執行:共識機制中,節點首先就交易順序達成共識,而不立即執行。執行被推遲到獨立通道中,最大化利用區塊時間,提升整體效率。

• 自定義狀態數據庫:通過直接將Merkle樹存儲在SSD上優化狀態存儲和訪問。這種方法最小化讀取放大效應,加快狀態訪問速度,使合約執行更高效。

• 高性能共識機制:基於HotStuff改進,支持數百個全球節點同步,具有線性通信復雜度。採用流水線投票,使不同階段重疊進行,減少延遲,提高效率。

並行EVM面臨的挑戰

並行執行引入了潛在的狀態衝突,需要執行前或執行後的衝突檢查。例如,當多個並行交易都與同一個交易池交互時,就需要仔細的衝突檢測和解決機制。

除了技術實現的差異,各團隊通常還需重新設計狀態數據庫的讀寫性能,並開發兼容的共識算法。

並行EVM項目面臨兩大挑戰:以太坊長期吸收其技術創新的風險,以及節點集中化問題。快速發展生態系統是保持競爭優勢的關鍵。節點去中心化則需要在無許可、無需信任操作和高性能之間尋求平衡。

並行EVM項目概覽

目前並行EVM格局包括多個Layer 1區塊鏈、可能的Layer解決方案,以及基於其他公鏈的EVM兼容層。現有項目可分爲三類:

1. 通過技術升級支持並行執行的EVM兼容Layer 1網路
2. 設計之初就採用並行執行的EVM兼容Layer 1網路
3. 採用非EVM並行執行技術的Layer網路

代表性項目簡介

某項目A旨在通過優化EVM並行執行解決可擴展性問題,目標達到10,000 TPS。已完成大額融資,創始團隊來自頂級做市商。內部測試網已啓動,即將向公衆開放。

項目B最初專注於交易應用基礎設施,近期升級爲高性能並行EVM,將TPS提升至12,500。測試網已上線,支持EVM應用一鍵遷移。還推出了開源框架支持Layer採用並行處理技術。

項目C通過構建EVM++(EVM + WASM)雙虛擬機系統提升性能和執行效率。核心團隊來自某知名區塊鏈項目。公測網已上線,生態激勵計劃已啓動。

項目D是基於某SDK構建的EVM兼容Layer 1網路,專爲DeFi設計。最近宣布開發計劃引入並行EVM技術以提升性能。

項目E是首個在某高性能公鏈上實現EVM兼容的解決方案。支持Solidity開發者一鍵部署DApp,享受高吞吐量和低gas費。將EVM交易封裝成原生交易執行,TPS超過2,000。

項目F是由某公鏈虛擬機支持的模塊化通用Layer方案。在以太坊上結算,使用ETH作爲gas,但執行層運行在該虛擬機環境中。近期完成大額融資,主網即將向開發者開放。

項目G是模塊化VM Layer網路,支持將高性能虛擬機引入主要Layer生態。可使用以太坊或比特幣作爲結算層,執行層能夠使用多種並行虛擬機。

結語

隨着區塊鏈技術發展,執行層優化與共識算法同樣重要。並行EVM等創新爲提高吞吐量和效率提供了有前景的解決方案,有望使區塊鏈更具可擴展性,支持更廣泛的應用場景。這些技術的發展將持續推動區塊鏈生態系統的進步。