並行EVM:超越串行,突破區塊鏈性能瓶頸

區塊鏈網路爲個人和企業進行交易創造了一種新的、去中心化的信任基礎。隨着行業的蓬勃發展,對產品體驗提出了更高的要求,尤其是在性能方面。經歷了2020年DeFi Summer以及2023年年末比特幣生態中銘文的持續爆發,業界迫切需要新的性能提升方案來滿足"高性能、低費率"的要求。並行區塊鏈就是在這樣的背景下誕生的。

並行EVM敘事標志着並行區塊鏈領域形成了兩強相爭的競爭格局。以太坊對交易的處理是串行的,交易要按順序一個接一個的執行,資源的利用率不高。如果將串行處理的方式變爲並行處理將帶來性能的巨大提升。以太坊競爭對手如Solana、Aptos和Sui都是自帶並行處理能力的,生態也發展的很不錯,它們形成了並行非EVM陣營。面對挑戰,以太坊生態也紛紛站出來爲EVM賦能,形成了並行EVM陣營。

目前L1和L2整體流通市值爲7521.23億美元,並行區塊鏈流通市值爲525.39億美元,僅佔約7%。而其中並行EVM敘事相關項目流通市值23.39億美元,僅佔並行區塊鏈流通市值的4%。可見並行EVM敘事還有很大的市場增長空間,而且並行EVM敘事所屬的並行區塊鏈板塊也還有很大的市場增長空間,因此市場前景廣闊。

並行EVM敘事項目主要分爲單體區塊鏈和模塊化區塊鏈,單體區塊鏈又分爲L1和L2。L1是自帶並行執行能力的新公鏈,是高性能基礎設施。以Sei v2、Monad和Canto爲代表的項目自行設計並行EVM,兼容以太坊生態並提供高吞吐量交易處理能力。L2通過整合其他L1鏈的能力,提供跨生態合作的擴容能力,是rollup的顯學。Neon是Solana網路上的EVM模擬器,Eclipse利用Solana執行交易但在EVM上做結算。Lumio與Eclipse類似,只是把執行層換成了Aptos。Fuel則提出了自己的模塊化區塊鏈思路,專注於執行交易,而將其餘部分外包給一個或多個獨立層的區塊鏈,從而實現更靈活的組合。

並行EVM主要是對執行層的性能優化。這又分爲一層網路(L1)解決方案和二層網路(L2)解決方案兩種。L1的解決方案引入交易並行執行機制,讓交易在虛擬機中盡量並行執行。L2的解決方案本質上是利用已經並行化的L1虛擬機實現某種程度上的"鏈下執行+鏈上結算"。

在區塊鏈的語境下,虛擬機是指對分布式狀態機進行的虛擬,用於分布式地執行合約,運行dApp。EVM就是一種爲Solidity語言設計的進程虛擬機,智能合約首先被編譯成opcode字節碼,然後由EVM解釋執行。

並行執行是指發揮多核處理器的優勢,盡可能在同一時間同時執行多個交易,而保證最終狀態與串行執行時結果一致。並行執行機制分爲消息傳遞、共享內存、和嚴格狀態訪問列表三大類。共享內存又分爲內存鎖模型和樂觀並行化。

消息傳遞模型中,每一個負責處理交易的執行者都是一個actor,它們都有可以訪問自己的私有數據,如果要訪問別人的私有數據,只能通過發消息來實現。這種模型的優點在於每個actor都只能訪問自己的私有數據,因此就不會出現競態條件問題。但缺點是每個actor都只能串行地執行,在某些場景中並沒有發揮並行優勢,而且沒有一個全局的有關當前系統狀態的信息。

內存鎖模型讓並行執行的任務在訪問共享資源的時候做一個鎖的操作,鎖住之後對共享資源進行訪問,此時別的任務要等待它修改完之後解鎖才能再次鎖住並訪問。這種機制看上去簡單,但實現起來很復雜,很考驗開發人員對多線程編程的駕馭能力。容易出現死鎖、活鎖和飢餓等問題。

樂觀並行化的核心思想是先假設所有的任務都是相互獨立的。先並行執行任務,然後再驗證每個任務,如果驗證不通過,則把這個任務重新執行一遍,直到所有任務執行完畢。這種模型採用了一種多版本內存數據結構用來記錄每一個寫入值及其版本信息。每個並行任務的運行分爲執行和驗證兩個階段。執行速度極快,但復雜的交易執行和驗證交給了實現底層機制的核心團隊。

嚴格狀態訪問列表基於UTXO模型實現並行執行。它會提前計算每個交易要訪問的帳戶地址,形成訪問列表。根據訪問列表形成交易的多個集合,每個交易集合之間在訪問列表上沒有交集(沒有依賴),因此多個交易集合就可以並行執行了。

無論採用哪種並行執行機制,都提高了技術的復雜性。代碼是人寫的,是人寫的就容易出現錯誤。並行計算所帶來的技術復雜性爲安全隱患的滋生提供了溫牀。從業者需要高度關注其可能存在的安全問題。

Sei是基於開源技術的通用公鏈,目前流通市值近22億美元。Sei v2號稱第一條並行EVM區塊鏈,本次版本升級將帶來對EVM智能合約的向後兼容、對諸如Metamask等常見工具/應用的重用、樂觀並行化、SeiDB對存儲層的優化、支持以太坊和其他鏈之間的無縫互操作性等新功能。

Monad被譽爲L1賽道的潛在顛覆者。目前項目已經成功實現了上線內部測試網的裏程碑任務,正朝着下一步開放公共測試網而努力。Monad爲以太坊虛擬機引入了兩項機制:一是超標量流水線技術,二是改進的樂觀並行機制。目前性能達到10000 TPS並能在1秒的時間出塊。

Canto是基於Cosmos SDK打造的、高度去中心化的L1項目。Canto的首要願景是成爲可訪問的、透明的、去中心化和免費的DeFi價值平台。Canto在2024年3月18日公布了自己新一輪的技術迭代計劃,將進行並行EVM升級:通過實現Cyclone EVM引入樂觀並行化。

Fuel是量身定制的模塊化"以太坊rollup操作系統"。Fuel使用UTXO作爲數據模型,採用這種數據模型有一個優點:其交易輸出只有兩種狀態,要麼已花費,永久記錄於區塊的交易歷史中;要麼未花費,可用於未來的交易中。進而做到鏈上每個節點存儲狀態數據最小化。在此基礎上,Fuel檢查每一筆交易訪問的帳戶信息,在執行交易之前找出依賴關係,調度無依賴關係的交易並行執行,提高交易處理的吞吐量。

L2解決方案有個共性:它們將兩種虛擬機的能力結合起來,提升交易的執行速度。具體地說就是利用並行L1來執行交易,但是與其他鏈進行兼容(雙虛擬機支持)。所不同的是不同的項目採取的兼容機制不一樣。Neon、Eclipse和Lumio頗具代表性。

Neon是Solana網路上的EVM模擬器,以智能合約的形式運行。開發人員可以使用諸如Solidity、Vyper這樣的語言編寫dApp應用,並可以使用MetaMask、Hardhat、Remix等以太坊工具鏈和兼容的以太坊RPC API、帳戶、籤名和代幣標準等。與此同時享受Solana帶來的低費率、高交易執行速度以及並行執行的能力。

Eclipse採取了另一種實現思路:通過SVM執行交易,通過EVM結算交易。Eclipse採取模塊化區塊鏈的架構,即它只負責交易的執行,而把其他的職責"外包"出去,通過模塊化組合形成統一解決方案。Eclipse利用SVM保證了執行速度,通過以太坊的驗證和結算保證了安全性。

Lumio採用的是一種與執行層和結算層無關的設計思路,可支持多種虛擬機,兼容各種L1/L2網路。它通過Move VM執行交易,通過EVM結算交易,這樣一來就把以太坊生態和Aptos生態連接起來了。然而Lumio的雄心並不止步於此,它的願景是提供跨虛擬機調用,以最快的速度和最低的費率實現多種區塊鏈流動性的互聯。

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