以太坊虛擬機EVM及其創新

EVM與Solidity

智能合約開發是區塊鏈工程師的基本技能。雖然開發者可以使用Solidity等高級語言編寫合約邏輯,但EVM無法直接解釋這些代碼。需要將其編譯成虛擬機可執行的低級操作碼。現有工具可以自動完成這一轉換過程,減輕了開發者的負擔。

盡管編譯會引入一些開銷,但熟悉低級編碼的工程師可以直接在Solidity中使用操作碼,以實現最高效率並降低gas成本。例如,某知名NFT交易平台的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

EVM作爲"執行層",是智能合約操作碼最終運行的地方。EVM定義的字節碼是行業標準,使得開發者可以在多個兼容網路上高效部署合約。

雖然遵循EVM字節碼標準使虛擬機成爲EVM,但具體實現方式可以有很大差異。例如,以太坊的某客戶端用Go語言實現了EVM標準,而以太坊基金會的另一個團隊則維護C++實現。這種多樣性允許不同的工程優化和定制。

並行EVM技術

歷史上,區塊鏈界主要聚焦於共識算法創新,一些知名項目更因其共識機制而聞名。盡管這些項目對執行層也有創新,但其性能常被誤認爲僅源自共識算法。

實際上,高性能區塊鏈需要創新的共識算法和優化的執行層。僅改進共識算法的EVM區塊鏈要提升性能,往往需要更強大的節點配置。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幾倍的配置。另一個聲稱支持高達1000 TPS的網路,實際性能經常不及預期。

並行處理的需求

大多數區塊鏈系統按順序執行交易,類似單核CPU。這種方法簡單但難以擴展到互聯網級用戶基礎。轉向多核CPU並行虛擬機可同時處理多筆交易,大幅提高吞吐量。

並行執行帶來工程挑戰,如處理並發交易寫入同一合約的情況。需要設計新機制解決這些衝突。並行執行不相關的合約可按並行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。
• 延遲執行:在共識機制中推遲交易執行,最大化利用區塊時間。
• 自定義狀態數據庫:通過直接將Merkle樹存儲在SSD上優化狀態訪問。
• 高性能共識機制:改進版HotStuff共識,支持數百個全球節點同步。

並行EVM的挑戰

技術挑戰

順序執行的瓶頸在於CPU和狀態讀寫過程。並行執行引入潛在狀態衝突,需要執行前或執行後的衝突檢查。例如,當多個交易同時與一個DEX池交互時,就需要仔細的衝突檢測和解決機制。

除實現差異外,各團隊通常還需重新設計狀態數據庫以提升讀寫性能,並開發兼容的共識算法。

其他考量

並行EVM面臨兩大挑戰:以太坊的長期工程價值捕獲和節點集中化。目前開發階段未完全開源以保護知識產權,但細節最終將在測試網和主網啓動時披露,面臨被其他鏈吸收的風險。快速生態發展將是保持競爭優勢的關鍵。

節點集中化是所有高性能區塊鏈的共同挑戰,需在無許可、無需信任操作和高性能需求間取得平衡。"每硬件需求的TPS"等指標可幫助比較區塊鏈在特定硬件條件下的效率。

並行EVM的格局

並行EVM格局包括多個Layer 1區塊鏈和Layer解決方案。現有並行EVM網路可分爲三類:

1. 通過升級支持並行執行的EVM兼容Layer 1網路
2. 從一開始就採用並行執行的EVM兼容Layer 1網路
3. 採用非EVM並行執行技術的Layer網路

結論

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等創新提供了提高吞吐量和效率的解決方案,使區塊鏈更具可擴展性。這些技術的發展將塑造區塊鏈生態系統的未來,推動該領域的進步和應用。