以太坊虚拟机EVM及其创新

EVM与Solidity

智能合约开发是区块链工程师的基本技能。虽然开发者可以使用Solidity等高级语言编写合约逻辑,但EVM无法直接解释这些代码。需要将其编译成虚拟机可执行的低级操作码。现有工具可以自动完成这一转换过程,减轻了开发者的负担。

尽管编译会引入一些开销,但熟悉低级编码的工程师可以直接在Solidity中使用操作码,以实现最高效率并降低gas成本。例如,某知名NFT交易平台的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

EVM作为"执行层",是智能合约操作码最终运行的地方。EVM定义的字节码是行业标准,使得开发者可以在多个兼容网络上高效部署合约。

虽然遵循EVM字节码标准使虚拟机成为EVM,但具体实现方式可以有很大差异。例如,以太坊的某客户端用Go语言实现了EVM标准,而以太坊基金会的另一个团队则维护C++实现。这种多样性允许不同的工程优化和定制。

并行EVM技术

历史上,区块链界主要聚焦于共识算法创新,一些知名项目更因其共识机制而闻名。尽管这些项目对执行层也有创新,但其性能常被误认为仅源自共识算法。

实际上,高性能区块链需要创新的共识算法和优化的执行层。仅改进共识算法的EVM区块链要提升性能,往往需要更强大的节点配置。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几倍的配置。另一个声称支持高达1000 TPS的网络,实际性能经常不及预期。

并行处理的需求

大多数区块链系统按顺序执行交易,类似单核CPU。这种方法简单但难以扩展到互联网级用户基础。转向多核CPU并行虚拟机可同时处理多笔交易,大幅提高吞吐量。

并行执行带来工程挑战,如处理并发交易写入同一合约的情况。需要设计新机制解决这些冲突。并行执行不相关的合约可按并行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。
• 延迟执行:在共识机制中推迟交易执行,最大化利用区块时间。
• 自定义状态数据库:通过直接将Merkle树存储在SSD上优化状态访问。
• 高性能共识机制:改进版HotStuff共识,支持数百个全球节点同步。

并行EVM的挑战

技术挑战

顺序执行的瓶颈在于CPU和状态读写过程。并行执行引入潜在状态冲突,需要执行前或执行后的冲突检查。例如,当多个交易同时与一个DEX池交互时,就需要仔细的冲突检测和解决机制。

除实现差异外,各团队通常还需重新设计状态数据库以提升读写性能,并开发兼容的共识算法。

其他考量

并行EVM面临两大挑战:以太坊的长期工程价值捕获和节点集中化。目前开发阶段未完全开源以保护知识产权,但细节最终将在测试网和主网启动时披露,面临被其他链吸收的风险。快速生态发展将是保持竞争优势的关键。

节点集中化是所有高性能区块链的共同挑战,需在无许可、无需信任操作和高性能需求间取得平衡。"每硬件需求的TPS"等指标可帮助比较区块链在特定硬件条件下的效率。

并行EVM的格局

并行EVM格局包括多个Layer 1区块链和Layer 2解决方案。现有并行EVM网络可分为三类:

1. 通过升级支持并行执行的EVM兼容Layer 1网络
2. 从一开始就采用并行执行的EVM兼容Layer 1网络
3. 采用非EVM并行执行技术的Layer 2网络

结论

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等创新提供了提高吞吐量和效率的解决方案,使区块链更具可扩展性。这些技术的发展将塑造区块链生态系统的未来,推动该领域的进步和应用。