EVM là cốt lõi của Ethereum, chịu trách nhiệm thực thi hợp đồng thông minh và xử lý giao dịch. Nó là một động cơ tính toán, cung cấp sự trừu tượng về tính toán và lưu trữ, tương tự như Java Virtual Machine. EVM thực thi bộ lệnh bytecode riêng của nó, thường được biên dịch từ Solidity.
EVM là một máy trạng thái gần như Turing hoàn chỉnh. "Gần như" bởi vì tất cả các bước thực thi đều tiêu tốn tài nguyên Gas có giới hạn, tránh tình huống có thể gây ra vòng lặp chết dẫn đến việc toàn bộ nền tảng dừng lại.
EVM không có chức năng lập lịch, mô-đun thực thi của Ethereum lấy giao dịch từ khối, EVM chịu trách nhiệm thực thi lần lượt. Quá trình thực thi sẽ thay đổi trạng thái thế giới mới nhất, sau khi một giao dịch được thực thi xong sẽ tiến hành cộng dồn trạng thái, đạt được trạng thái thế giới mới nhất sau khi khối hoàn thành. Việc thực thi của khối tiếp theo hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái thế giới sau khi khối trước được thực thi, vì vậy quá trình thực thi giao dịch của Ethereum rất khó để tối ưu hóa thực thi song song.
Giao thức Ethereum quy định rằng giao dịch được thực hiện theo thứ tự. Mặc dù việc thực hiện theo thứ tự đảm bảo rằng giao dịch và hợp đồng thông minh có thể được thực hiện theo thứ tự xác định, bảo đảm an toàn, nhưng trong trường hợp tải cao, điều này có thể dẫn đến tắc nghẽn mạng và độ trễ, đây cũng là lý do tồn tại nút thắt hiệu suất của Ethereum, cần mở rộng Layer2.
Con đường song song của Layer1 hiệu suất cao
Hầu hết các Layer1 hiệu suất cao đều dựa trên các giải pháp tối ưu hóa thiết kế cho những thiếu sót không thể xử lý song song của Ethereum, chủ yếu tập trung vào hai khía cạnh là máy ảo và thực thi song song.
Máy ảo
EVM được thiết kế thành máy ảo 256 bit, mục đích là để dễ dàng xử lý thuật toán băm của Ethereum. Tuy nhiên, máy tính thực hiện EVM cần ánh xạ các byte 256 bit sang kiến trúc địa phương để thực thi hợp đồng thông minh, làm cho toàn bộ hệ thống trở nên kém hiệu quả. Do đó, Layer1 hiệu suất cao thường sử dụng máy ảo dựa trên bytecode WASM, eBPF hoặc Move, thay vì EVM.
WASM là định dạng mã byte nhỏ, tải nhanh, di động và dựa trên cơ chế an toàn sandbox, các nhà phát triển có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình để viết hợp đồng thông minh, sau đó biên dịch thành mã byte WASM và thực thi. Nhiều dự án blockchain đã coi WASM là tiêu chuẩn, Ethereum trong tương lai cũng sẽ tích hợp WASM.
eBPF xuất phát từ BPF, cung cấp bộ lệnh phong phú hơn, cho phép can thiệp động vào lõi hệ điều hành mà không cần thay đổi mã nguồn. Một số hợp đồng thông minh thực hiện trên các chuỗi khối sẽ được biên dịch thành mã byte dựa trên eBPF và chạy.
Move là một ngôn ngữ lập trình hợp đồng thông minh mới, chú trọng đến tính linh hoạt, an toàn và khả năng xác minh. Move nhằm giải quyết các vấn đề về an ninh trong tài sản và giao dịch, cho phép tài sản và giao dịch được định nghĩa và kiểm soát một cách chặt chẽ. Một số blockchain sử dụng phiên bản tùy chỉnh của Move để viết hợp đồng thông minh.
Thực thi song song
Thực thi song song trong blockchain có nghĩa là xử lý đồng thời các giao dịch không liên quan. Thách thức chính trong việc thực hiện thực thi song song là xác định giao dịch nào là không liên quan, giao dịch nào là độc lập, hầu hết các Layer1 hiệu suất cao phụ thuộc vào hai phương pháp: phương pháp truy cập trạng thái và mô hình song song lạc quan.
Phương pháp truy cập trạng thái cần biết trước phần nào của trạng thái blockchain mà mỗi giao dịch có thể truy cập, từ đó phân tích giao dịch nào là độc lập. Một số chương trình blockchain ( hợp đồng thông minh ) là không trạng thái, cần sử dụng tài khoản để truy cập hoặc duy trì trạng thái. Giao dịch phải chỉ định sẽ truy cập các tài khoản nào, để quá trình xử lý giao dịch có thể lên lịch thực hiện song song các giao dịch không chồng chéo, đồng thời đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu.
Mô hình song song lạc quan giả định rằng tất cả các giao dịch là độc lập, chỉ xác minh lại giả định này một cách hồi cứu và điều chỉnh khi cần thiết. Một số blockchain sử dụng phương pháp bộ nhớ giao dịch phần mềm khối để áp dụng thực thi song song lạc quan. Các giao dịch được thiết lập theo một thứ tự nhất định, sau đó được tách ra và thực hiện đồng thời giữa các luồng xử lý khác nhau. Hệ thống theo dõi vị trí bộ nhớ của từng thay đổi giao dịch, kiểm tra tất cả các kết quả giao dịch sau mỗi vòng xử lý; nếu phát hiện một giao dịch chạm đến vị trí bộ nhớ của thay đổi giao dịch trước đó, thì sẽ xóa kết quả của nó và chạy lại.
EVM song song
EVM song song đã được đề xuất từ năm 2021, chỉ việc hỗ trợ xử lý nhiều giao dịch đồng thời trên EVM, nhằm cải thiện hiệu suất và hiệu quả của EVM hiện tại. Vào cuối năm 2023, ngành công nghiệp lại nhắc đến EVM song song, đã khơi dậy một làn sóng các Layer1 tương thích với EVM áp dụng công nghệ thực thi song song.
Định nghĩa EVM song song hợp lý bao gồm ba loại:
Nâng cấp thực thi song song của Layer1 tương thích EVM không áp dụng công nghệ thực thi song song
Sử dụng công nghệ thực thi song song Layer1 tương thích EVM
Giải pháp EVM tương thích không phải EVM Layer1 áp dụng công nghệ thực thi song song.
Một số dự án Layer1 mới nổi áp dụng mô hình song song lạc quan, cho phép thực hiện các giao dịch song song trong khối để nâng cao hiệu quả. Chúng bắt đầu thực hiện giao dịch mới trước khi bước thực hiện trước đó hoàn thành, theo dõi đầu vào/đầu ra và thực hiện lại các giao dịch không nhất quán. Bộ phân tích mã tĩnh có thể dự đoán các mối quan hệ phụ thuộc, tránh tính song song không hợp lệ, và khôi phục về chế độ đơn giản khi không chắc chắn.
Một số dự án khác sử dụng EVM để chạy hợp đồng thông minh nhằm đạt được khả năng tương thích với EVM. Giải pháp này chuyển đổi mã op EVM sang mã op của máy ảo cụ thể một cách liền mạch, cho phép các dự án Solidity tận dụng hiệu suất và lợi thế bảo mật của các máy ảo khác mà không cần sửa đổi mã.
Tóm tắt
Công nghệ song song của blockchain là một chủ đề được thảo luận nhiều lần, hiện tại chủ yếu là việc cải tiến và mô phỏng mô hình thực thi lạc quan, thiếu đột phá thực sự. Trong tương lai, có thể sẽ có nhiều dự án Layer1 mới nổi tham gia cạnh tranh EVM song song, một số Layer1 cũ cũng sẽ thực hiện nâng cấp song song EVM hoặc giải pháp tương thích EVM.
Ngoài EVM hiệu suất cao, lĩnh vực blockchain còn có thể xuất hiện các câu chuyện công nghệ đa dạng như WASM, SVM và Move VM, thúc đẩy sự phát triển đa dạng của toàn bộ hệ sinh thái.
Trang này có thể chứa nội dung của bên thứ ba, được cung cấp chỉ nhằm mục đích thông tin (không phải là tuyên bố/bảo đảm) và không được coi là sự chứng thực cho quan điểm của Gate hoặc là lời khuyên về tài chính hoặc chuyên môn. Xem Tuyên bố từ chối trách nhiệm để biết chi tiết.
Sự trỗi dậy của EVM song song: Layer 1 hiệu suất cao làm thế nào để vượt qua nút thắt hiệu suất của Ethereum
EVM: Thành phần cốt lõi của Ethereum
EVM là cốt lõi của Ethereum, chịu trách nhiệm thực thi hợp đồng thông minh và xử lý giao dịch. Nó là một động cơ tính toán, cung cấp sự trừu tượng về tính toán và lưu trữ, tương tự như Java Virtual Machine. EVM thực thi bộ lệnh bytecode riêng của nó, thường được biên dịch từ Solidity.
EVM là một máy trạng thái gần như Turing hoàn chỉnh. "Gần như" bởi vì tất cả các bước thực thi đều tiêu tốn tài nguyên Gas có giới hạn, tránh tình huống có thể gây ra vòng lặp chết dẫn đến việc toàn bộ nền tảng dừng lại.
EVM không có chức năng lập lịch, mô-đun thực thi của Ethereum lấy giao dịch từ khối, EVM chịu trách nhiệm thực thi lần lượt. Quá trình thực thi sẽ thay đổi trạng thái thế giới mới nhất, sau khi một giao dịch được thực thi xong sẽ tiến hành cộng dồn trạng thái, đạt được trạng thái thế giới mới nhất sau khi khối hoàn thành. Việc thực thi của khối tiếp theo hoàn toàn phụ thuộc vào trạng thái thế giới sau khi khối trước được thực thi, vì vậy quá trình thực thi giao dịch của Ethereum rất khó để tối ưu hóa thực thi song song.
Giao thức Ethereum quy định rằng giao dịch được thực hiện theo thứ tự. Mặc dù việc thực hiện theo thứ tự đảm bảo rằng giao dịch và hợp đồng thông minh có thể được thực hiện theo thứ tự xác định, bảo đảm an toàn, nhưng trong trường hợp tải cao, điều này có thể dẫn đến tắc nghẽn mạng và độ trễ, đây cũng là lý do tồn tại nút thắt hiệu suất của Ethereum, cần mở rộng Layer2.
Con đường song song của Layer1 hiệu suất cao
Hầu hết các Layer1 hiệu suất cao đều dựa trên các giải pháp tối ưu hóa thiết kế cho những thiếu sót không thể xử lý song song của Ethereum, chủ yếu tập trung vào hai khía cạnh là máy ảo và thực thi song song.
Máy ảo
EVM được thiết kế thành máy ảo 256 bit, mục đích là để dễ dàng xử lý thuật toán băm của Ethereum. Tuy nhiên, máy tính thực hiện EVM cần ánh xạ các byte 256 bit sang kiến trúc địa phương để thực thi hợp đồng thông minh, làm cho toàn bộ hệ thống trở nên kém hiệu quả. Do đó, Layer1 hiệu suất cao thường sử dụng máy ảo dựa trên bytecode WASM, eBPF hoặc Move, thay vì EVM.
WASM là định dạng mã byte nhỏ, tải nhanh, di động và dựa trên cơ chế an toàn sandbox, các nhà phát triển có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình để viết hợp đồng thông minh, sau đó biên dịch thành mã byte WASM và thực thi. Nhiều dự án blockchain đã coi WASM là tiêu chuẩn, Ethereum trong tương lai cũng sẽ tích hợp WASM.
eBPF xuất phát từ BPF, cung cấp bộ lệnh phong phú hơn, cho phép can thiệp động vào lõi hệ điều hành mà không cần thay đổi mã nguồn. Một số hợp đồng thông minh thực hiện trên các chuỗi khối sẽ được biên dịch thành mã byte dựa trên eBPF và chạy.
Move là một ngôn ngữ lập trình hợp đồng thông minh mới, chú trọng đến tính linh hoạt, an toàn và khả năng xác minh. Move nhằm giải quyết các vấn đề về an ninh trong tài sản và giao dịch, cho phép tài sản và giao dịch được định nghĩa và kiểm soát một cách chặt chẽ. Một số blockchain sử dụng phiên bản tùy chỉnh của Move để viết hợp đồng thông minh.
Thực thi song song
Thực thi song song trong blockchain có nghĩa là xử lý đồng thời các giao dịch không liên quan. Thách thức chính trong việc thực hiện thực thi song song là xác định giao dịch nào là không liên quan, giao dịch nào là độc lập, hầu hết các Layer1 hiệu suất cao phụ thuộc vào hai phương pháp: phương pháp truy cập trạng thái và mô hình song song lạc quan.
Phương pháp truy cập trạng thái cần biết trước phần nào của trạng thái blockchain mà mỗi giao dịch có thể truy cập, từ đó phân tích giao dịch nào là độc lập. Một số chương trình blockchain ( hợp đồng thông minh ) là không trạng thái, cần sử dụng tài khoản để truy cập hoặc duy trì trạng thái. Giao dịch phải chỉ định sẽ truy cập các tài khoản nào, để quá trình xử lý giao dịch có thể lên lịch thực hiện song song các giao dịch không chồng chéo, đồng thời đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu.
Mô hình song song lạc quan giả định rằng tất cả các giao dịch là độc lập, chỉ xác minh lại giả định này một cách hồi cứu và điều chỉnh khi cần thiết. Một số blockchain sử dụng phương pháp bộ nhớ giao dịch phần mềm khối để áp dụng thực thi song song lạc quan. Các giao dịch được thiết lập theo một thứ tự nhất định, sau đó được tách ra và thực hiện đồng thời giữa các luồng xử lý khác nhau. Hệ thống theo dõi vị trí bộ nhớ của từng thay đổi giao dịch, kiểm tra tất cả các kết quả giao dịch sau mỗi vòng xử lý; nếu phát hiện một giao dịch chạm đến vị trí bộ nhớ của thay đổi giao dịch trước đó, thì sẽ xóa kết quả của nó và chạy lại.
EVM song song
EVM song song đã được đề xuất từ năm 2021, chỉ việc hỗ trợ xử lý nhiều giao dịch đồng thời trên EVM, nhằm cải thiện hiệu suất và hiệu quả của EVM hiện tại. Vào cuối năm 2023, ngành công nghiệp lại nhắc đến EVM song song, đã khơi dậy một làn sóng các Layer1 tương thích với EVM áp dụng công nghệ thực thi song song.
Định nghĩa EVM song song hợp lý bao gồm ba loại:
Một số dự án Layer1 mới nổi áp dụng mô hình song song lạc quan, cho phép thực hiện các giao dịch song song trong khối để nâng cao hiệu quả. Chúng bắt đầu thực hiện giao dịch mới trước khi bước thực hiện trước đó hoàn thành, theo dõi đầu vào/đầu ra và thực hiện lại các giao dịch không nhất quán. Bộ phân tích mã tĩnh có thể dự đoán các mối quan hệ phụ thuộc, tránh tính song song không hợp lệ, và khôi phục về chế độ đơn giản khi không chắc chắn.
Một số dự án khác sử dụng EVM để chạy hợp đồng thông minh nhằm đạt được khả năng tương thích với EVM. Giải pháp này chuyển đổi mã op EVM sang mã op của máy ảo cụ thể một cách liền mạch, cho phép các dự án Solidity tận dụng hiệu suất và lợi thế bảo mật của các máy ảo khác mà không cần sửa đổi mã.
Tóm tắt
Công nghệ song song của blockchain là một chủ đề được thảo luận nhiều lần, hiện tại chủ yếu là việc cải tiến và mô phỏng mô hình thực thi lạc quan, thiếu đột phá thực sự. Trong tương lai, có thể sẽ có nhiều dự án Layer1 mới nổi tham gia cạnh tranh EVM song song, một số Layer1 cũ cũng sẽ thực hiện nâng cấp song song EVM hoặc giải pháp tương thích EVM.
Ngoài EVM hiệu suất cao, lĩnh vực blockchain còn có thể xuất hiện các câu chuyện công nghệ đa dạng như WASM, SVM và Move VM, thúc đẩy sự phát triển đa dạng của toàn bộ hệ sinh thái.