以太坊虚拟机EVM深度解析

EVM与Solidity的关系

智能合约开发是区块链工程师的核心技能。虽然开发者通常使用Solidity等高级语言编写合约,但EVM无法直接执行这些代码。它需要将代码编译成虚拟机可理解的低级指令(操作码/字节码)。目前已有工具可以自动完成这一转换过程,减轻了开发者理解编译细节的负担。

虽然编译会引入一些开销,但熟悉底层编码的工程师可以直接在Solidity中嵌入操作码,以实现最高效率并降低gas消耗。例如,某知名NFT交易协议就大量使用内联汇编来最小化用户的gas开销。

EVM标准与实现的差异

EVM作为"执行层",是编译后的智能合约操作码最终运行的环境。EVM定义的字节码已成为行业标准。无论是以太坊二层网络还是其他独立区块链,只要兼容EVM标准,开发者就可以高效地在多个网络上部署智能合约。

尽管遵循相同的字节码标准,但EVM的具体实现可以有很大差异。比如以太坊的某客户端用Go语言实现了EVM标准,而某基金会团队则维护着一个C++实现。这种多样性为不同的工程优化和定制实现提供了空间。

并行EVM技术的兴起

历史上,区块链社区主要关注共识算法的创新,一些知名项目更多因其共识机制而非执行层受到关注。尽管这些项目在执行层也有创新,但其性能提升常被误认为仅源于共识算法。

实际上,高性能区块链需要在共识算法和执行层两方面同时创新。对于仅改进共识算法的EVM区块链,提升性能往往需要更强大的硬件支持。例如,某知名智能链在2000 TPS的gas限制下处理区块,需要比以太坊全节点高出数倍的配置。另一个声称支持高达1000 TPS的网络,实际性能也常常不及预期。

并行处理的必要性

传统区块链系统中,交易是顺序执行的,类似单核CPU。虽然这种方法简单且系统复杂度低,但难以支撑大规模用户基础。转向多核CPU式的并行虚拟机可以同时处理多笔交易,大幅提升吞吐量。

并行执行带来了一些工程挑战,如处理并发交易对同一合约的写入。这需要新的机制来解决潜在冲突。不过,对不相关智能合约的并行执行可以按处理线程数成比例提高吞吐量。

并行EVM的创新

并行EVM代表了一系列旨在优化区块链执行层的创新。以某项目为例,其关键创新包括:

• 并行交易执行:采用乐观并行执行算法,允许多个交易同时处理。系统从相同初始状态开始交易,追踪输入输出,生成临时结果。通过检查交易间依赖关系决定是否并行执行下一笔交易。

• 延迟执行:共识机制中,节点首先就交易顺序达成共识,而不立即执行。执行被推迟到独立通道中,最大化利用区块时间,提升整体效率。

• 自定义状态数据库:通过直接将Merkle树存储在SSD上优化状态存储和访问。这种方法最小化读取放大效应,加快状态访问速度,使合约执行更高效。

• 高性能共识机制:基于HotStuff改进,支持数百个全球节点同步,具有线性通信复杂度。采用流水线投票,使不同阶段重叠进行,减少延迟,提高效率。

并行EVM面临的挑战

并行执行引入了潜在的状态冲突,需要执行前或执行后的冲突检查。例如,当多个并行交易都与同一个交易池交互时,就需要仔细的冲突检测和解决机制。

除了技术实现的差异,各团队通常还需重新设计状态数据库的读写性能,并开发兼容的共识算法。

并行EVM项目面临两大挑战:以太坊长期吸收其技术创新的风险,以及节点集中化问题。快速发展生态系统是保持竞争优势的关键。节点去中心化则需要在无许可、无需信任操作和高性能之间寻求平衡。

并行EVM项目概览

目前并行EVM格局包括多个Layer 1区块链、可能的Layer 2解决方案,以及基于其他公链的EVM兼容层。现有项目可分为三类:

1. 通过技术升级支持并行执行的EVM兼容Layer 1网络
2. 设计之初就采用并行执行的EVM兼容Layer 1网络
3. 采用非EVM并行执行技术的Layer 2网络

代表性项目简介

某项目A旨在通过优化EVM并行执行解决可扩展性问题,目标达到10,000 TPS。已完成大额融资,创始团队来自顶级做市商。内部测试网已启动,即将向公众开放。

项目B最初专注于交易应用基础设施,近期升级为高性能并行EVM,将TPS提升至12,500。测试网已上线,支持EVM应用一键迁移。还推出了开源框架支持Layer 2采用并行处理技术。

项目C通过构建EVM++(EVM + WASM)双虚拟机系统提升性能和执行效率。核心团队来自某知名区块链项目。公测网已上线,生态激励计划已启动。

项目D是基于某SDK构建的EVM兼容Layer 1网络,专为DeFi设计。最近宣布开发计划引入并行EVM技术以提升性能。

项目E是首个在某高性能公链上实现EVM兼容的解决方案。支持Solidity开发者一键部署DApp,享受高吞吐量和低gas费。将EVM交易封装成原生交易执行,TPS超过2,000。

项目F是由某公链虚拟机支持的模块化通用Layer 2方案。在以太坊上结算,使用ETH作为gas,但执行层运行在该虚拟机环境中。近期完成大额融资,主网即将向开发者开放。

项目G是模块化VM Layer 2网络,支持将高性能虚拟机引入主要Layer 2生态。可使用以太坊或比特币作为结算层,执行层能够使用多种并行虚拟机。

结语

随着区块链技术发展,执行层优化与共识算法同样重要。并行EVM等创新为提高吞吐量和效率提供了有前景的解决方案,有望使区块链更具可扩展性,支持更广泛的应用场景。这些技术的发展将持续推动区块链生态系统的进步。