EVM:以太坊的核心組件

EVM是以太坊的核心,負責運行智能合約和處理交易。它是一個計算引擎,提供計算和存儲的抽象,類似於Java虛擬機。EVM執行自己的字節碼指令集,通常由Solidity編譯而成。

EVM是一個準圖靈完備的狀態機。"準"是因爲所有執行步驟都會消耗有限的資源Gas,避免了可能的死循環導致整個平台停止的情況。

EVM沒有調度功能,以太坊的執行模塊從區塊中取出交易,EVM負責依次執行。執行過程會修改最新的世界狀態,一筆交易執行完成後進行狀態累加,到達區塊完成後的最新世界狀態。下一區塊的執行嚴格依賴上一個區塊執行後的世界狀態,所以以太坊的交易線性執行過程難以進行並行執行優化。

以太坊協議約定交易按順序執行。雖然順序執行確保了交易和智能合約能以確定性順序執行,保障了安全性,但在高負載情況下,可能導致網路擁堵和延遲,這也是以太坊存在性能瓶頸,需要Layer2擴容的原因。

高性能Layer1的並行之道

大多數高性能Layer1都基於以太坊不能並行處理的缺陷設計自己的優化方案,主要聚焦在虛擬機和並行執行兩個方面。

虛擬機

EVM設計成256位虛擬機,目的是更易於處理以太坊的哈希算法。然而,實際運行EVM的計算機需要將256位字節映射到本地架構來執行智能合約,使整個系統變得低效。因此,高性能Layer1更多採用基於WASM、eBPF字節碼或Move字節碼的虛擬機,而非EVM。

WASM是體積小、加載快、可移植且基於沙盒安全機制的字節碼格式,開發人員可使用多種編程語言編寫智能合約,然後編譯成WASM字節碼並執行。許多區塊鏈項目已將WASM作爲標準,以太坊未來也會集成WASM。

eBPF源自BPF,提供更豐富的指令集,允許在不改動源碼的情況下對操作系統內核進行動態幹預。某些區塊鏈上執行的智能合約會編譯成基於eBPF的字節碼並運行。

Move是一種新的智能合約編程語言,注重靈活性、安全和可驗證性。Move旨在解決資產和交易中的安全性問題,使資產和交易能被嚴格定義和控制。某些區塊鏈通過自身定制版本的Move來編寫智能合約。

並行執行

區塊鏈中的並行執行意味着同時處理不相關的交易。實現並行執行的主要挑戰是確定哪些交易是不相關的,哪些是獨立的,大多數高性能Layer1依賴於兩種方法:狀態訪問方法和樂觀並行模型。

狀態訪問方法需要預先知道每個交易可以訪問區塊鏈狀態的哪一部分,從而分析出哪些交易是獨立的。某些區塊鏈的程序(智能合約)是無狀態的,需要使用帳戶來訪問或保持狀態。交易必須指定將訪問哪些帳戶,這樣交易處理運行時可以調度非重疊交易並行執行,同時保證數據一致性。

樂觀並行模型假設所有交易都是獨立的,只是回顧性地驗證這一假設並在必要時進行調整。某些區塊鏈使用區塊軟件事務內存的方法來應用樂觀並行執行。交易首先按一定順序設置,然後在不同處理線程間拆分同時執行。系統跟蹤每個交易更改的內存位置,在每輪處理後檢查所有交易結果,如發現某交易觸及早期交易更改的內存位置,則擦除其結果並重新運行。

並行EVM

並行EVM早在2021年就被提出,指的是支持同時處理多個交易的EVM,旨在改進現有EVM性能和效率。2023年底,業內再次提到並行EVM,帶火了一波採用並行執行技術的EVM兼容Layer1。

合理的並行EVM定義包括三類:

1. 沒有採用並行執行技術的EVM兼容Layer1的並行執行升級
2. 採用了並行執行技術的EVM兼容Layer1
3. 採用了並行執行技術的非EVM兼容Layer1的EVM兼容方案

某些新興Layer1項目採用樂觀並行模型,允許在區塊內並行執行交易以提高效率。它們在上一步執行完成前就開始執行新交易,跟蹤輸入/輸出並重新執行不一致的交易。靜態代碼解析器可預測依賴關係,避免無效的並行性,在不確定時恢復到簡單模式。

另一些項目則將EVM作爲智能合約運行以實現EVM兼容。這種方案將EVM操作碼無縫轉換爲特定虛擬機的操作碼,使Solidity項目可以利用其他虛擬機的性能和安全優勢,而無需修改代碼。

總結

區塊鏈的並行技術是個反復被討論的話題,目前主要是對樂觀執行模型的改造和模仿,缺乏實質性突破。未來可能會有更多新興Layer1項目加入並行EVM競爭,一些舊的Layer1也會實現EVM並行升級或EVM兼容方案。

除了高性能EVM,區塊鏈領域還可能出現WASM、SVM及Move VM等多元化的技術敘事,推動整個生態系統的多樣化發展。