EVM song song: Phẫu thuật tim của Layer 1 hiệu suất cao

Tiêu đề gốc: "Parallel EVM: Phẫu Thuật Tim của Layer1 Hiệu Suất Cao"

Nguồn: Xiaozhu Web3

EVM: Lõi của Ethereum

EVM (Ethereum Virtual Machine) là lõi của Ethereum, chịu trách nhiệm chạy các hợp đồng thông minh và xử lý các giao dịch.

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

EVM hoạt động trong một miền hạn chế hơn: nó chỉ là một động cơ tính toán, cung cấp các trừu tượng cho tính toán và lưu trữ, tương tự như đặc tả của Java Virtual Machine (JVM). Từ góc độ cao, JVM nhằm cung cấp một môi trường runtime độc lập với hệ điều hành hoặc phần cứng chủ bên dưới, đảm bảo tính tương thích trên các hệ thống khác nhau. Tương tự, EVM thực thi bộ lệnh bytecode của riêng nó, thường được biên dịch từ Solidity.

EVM là một máy trạng thái gần như hoàn chỉnh Turing, "gần như" vì mỗi bước thực thi tiêu tốn một tài nguyên hữu hạn gọi là Gas. Do đó, bất kỳ việc thực thi hợp đồng thông minh nào cũng bị giới hạn bởi một số bước tính toán hữu hạn, ngăn chặn các vòng lặp vô hạn có thể làm dừng toàn bộ nền tảng Ethereum.

EVM thiếu khả năng lập lịch; mô-đun thực thi của Ethereum trích xuất các giao dịch từ các khối, và EVM chịu trách nhiệm thực thi chúng tuần tự. Trong quá trình thực thi, trạng thái thế giới mới nhất được sửa đổi, và sau khi một giao dịch hoàn thành, trạng thái được tích lũy vào trạng thái thế giới mới nhất sau khi khối hoàn thành. Việc thực thi khối tiếp theo phụ thuộc chặt chẽ vào trạng thái thế giới sau khi khối trước đó được thực thi, làm cho việc tối ưu hóa quá trình thực thi giao dịch tuyến tính của Ethereum cho thực thi song song trở nên khó khăn.

Theo nghĩa này, giao thức Ethereum quy định rằng các giao dịch được thực thi tuần tự. Trong khi thực thi tuần tự đảm bảo rằng các giao dịch và hợp đồng thông minh có thể được thực thi theo một thứ tự xác định, đảm bảo an ninh, nó có thể dẫn đến tắc nghẽn mạng và trì hoãn dưới tải cao, đó là lý do tại sao Ethereum có những nút thắt hiệu suất đáng kể và cần mở rộng Layer2 Rollup.

Con Đường Đến Song Song Trong Layer1 Hiệu Suất Cao

Hầu hết các giải pháp Layer1 hiệu suất cao được thiết kế để tối ưu hóa khả năng xử lý giao dịch song song của Ethereum. Ở đây, chúng ta sẽ chỉ thảo luận về các tối ưu hóa ở lớp thực thi, cụ thể là máy ảo và thực thi song song.

Máy Ảo

EVM được thiết kế như một máy ảo 256-bit để tạo điều kiện cho các thuật toán băm của Ethereum, vốn rõ ràng tạo ra các đầu ra 256-bit. Tuy nhiên, các máy tính thực tế chạy EVM cần phải ánh xạ các byte 256-bit này vào kiến trúc địa phương để thực thi các hợp đồng thông minh, làm cho toàn bộ hệ thống rất kém hiệu quả và không thực tế. Do đó, các giải pháp Layer1 hiệu suất cao thường sử dụng các máy ảo dựa trên WASM, bytecode eBPF, hoặc bytecode Move thay vì EVM.

WASM là một định dạng bytecode nhỏ, tải nhanh, di động dựa trên các cơ chế bảo mật sandbox. Các nhà phát triển có thể 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

WASM bytecode và thực thi chúng. WASM đã được nhiều dự án blockchain chấp nhận như một tiêu chuẩn, bao gồm EOS, Dfinity, Polkadot (Gear), Cosmos (CosmWasm), Near, và Ethereum cũng sẽ tích hợp WASM trong tương lai để đảm bảo một lớp thực thi hiệu quả hơn, đơn giản hơn phù hợp với một nền tảng tính toán phi tập trung hoàn toàn.

eBPF, ban đầu là BPF (Berkeley Packet Filter), ban đầu được sử dụng để lọc gói mạng hiệu quả. Nó đã phát triển thành eBPF, cung cấp một tập lệnh phong phú hơn cho phép can thiệp và sửa đổi động hành vi của nhân hệ điều hành mà không cần thay đổi mã nguồn. Công nghệ này sau đó mở rộng ra ngoài nhân, phát triển một runtime eBPF trong không gian người dùng với hiệu suất cao, bảo mật và tính 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, tập trung vào tính linh hoạt, bảo mật và khả năng xác minh. Ngôn ngữ Move nhằm giải quyết các vấn đề bảo mật trong tài sản và giao dịch, cho phép tài sản và giao dịch được định nghĩa và kiểm soát chặt chẽ. Trình xác minh bytecode Move là một công cụ phân tích tĩnh phân tích bytecode Move để xác định xem nó có tuân thủ các quy tắc an toàn về kiểu, bộ nhớ và tài nguyên cần thiết hay không, loại bỏ nhu cầu kiểm tra tại thời gian chạy ở cấp độ hợp đồng thông minh. Aptos kế thừa Diem Move, trong khi Sui sử dụng một phiên bản tùy chỉnh của Sui 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. Các giao dịch không liên quan được coi là các sự kiện độc lập. Ví dụ, nếu hai người giao dịch token trên các nền tảng khác nhau, các giao dịch của họ có thể được xử lý đồng thời. Tuy nhiên, nếu họ giao dịch trên cùng một nền tảng, các giao dịch có thể cần được thực thi theo một thứ tự cụ thể.

Thách thức chính trong việc đạt được thực thi song song là xác định các giao dịch nào là không liên quan và độc lập. Hầu hết các giải pháp Layer1 hiệu suất cao dựa vào hai phương pháp: phương pháp truy cập trạng thái và mô hình song song lạc quan.

Phương pháp truy cập trạng thái yêu cầu biết trước phần nào của trạng thái blockchain mà mỗi giao dịch có thể truy cập, từ đó phân tích 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 (đọc hoặc ghi) bất kỳ trạng thái nào tồn tại trong suốt quá trình giao dịch. Để truy cập hoặc duy trì trạng thái, các chương trình cần sử dụng tài khoản. Mỗi giao dịch trong Solana phải chỉ định các tài khoản sẽ được truy cập trong quá trình thực thi giao dịch, cho phép runtime xử lý giao dịch lập lịch các giao dịch không trùng lặp để thực thi song song trong khi đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu.

Trong Sui Move, mỗi hợp đồng thông minh là một module bao gồm các hàm và cấu trúc. Các cấu trúc được khởi tạo trong các hàm và có thể được truyền đến các module khác thông qua các lời gọi hàm. Runtime lưu trữ các thể hiện cấu trúc dưới dạng các đối tượng, và có ba loại đối tượng khác nhau trong Sui: đối tượng chủ sở hữu, đối tượng chia sẻ và đối tượng bất biến. Chiến lược song song của Sui tương tự như của Solana, với các giao dịch cũng cần chỉ định các đối tượng mà chúng hoạt động trên.

Mô hình song song lạc quan hoạt động dựa trên giả định rằng tất cả các giao dịch đều độc lập, chỉ xác minh giả định này một cách hồi tố và thực hiện điều chỉnh nếu 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 thiết lập trong một khối theo một thứ tự nhất định và sau đó được chia thành các luồng xử lý khác nhau để thực thi đồng thời. Trong khi xử lý các giao dịch này, hệ thống theo dõi các vị trí bộ nhớ mà mỗi giao dịch truy cập.

các thay đổi giao dịch. Sau mỗi vòng xử lý, hệ thống kiểm tra tất cả các kết quả giao dịch. Nếu phát hiện một giao dịch đã chạm vào một vị trí bộ nhớ bị thay đổi bởi một giao dịch trước đó, nó sẽ xóa kết quả của mình và chạy lại. Quá trình này tiếp tục cho đến khi mọi giao dịch trong khối được xử lý.

EVM Song Song

EVM Song Song (Parallel EVM) được đề xuất từ năm 2021, đề cập đến một EVM hỗ trợ xử lý nhiều giao dịch đồng thời, nhằm cải thiện hiệu suất và hiệu quả của EVM hiện tại. Các giải pháp tiêu biểu bao gồm EVM song song của Polygon dựa trên Block-STM và EVM song song được phát triển bởi BSC hợp tác với NodeReal.

Tuy nhiên, đến cuối năm 2023, CTO của Paradigm Georgios Konstantopoulos và Haseeb Qureshi của Dragonfly