イーサリアム仮想マシンEVM

EVMとの比較 硬度

ブロックチェーン開発者は、スマートコントラクトを作成するスキルを習得する必要があります。彼らはSolidityやその他の高級言語を使用してビジネスロジックを実装できます。しかし、EVMはSolidityコードを直接解釈できず、それを仮想マシンが実行可能な低級言語(オペコード/バイトコード)にコンパイルする必要があります。この変換を自動的に行うツールがあり、開発者がコンパイルプロセスを理解する負担を軽減しています。

変換にはいくつかの追加コストが発生しますが、低レベルのコーディング経験を持つエンジニアは、Solidity内でオペコードを使用してプログラムロジックを直接記述することで、最高の効率を達成し、ガス消費を削減できます。例えば、ある取引プラットフォームのプロトコルは、ユーザーのガスコストを最小限に抑えるために、インラインアセンブリを大量に使用しています。

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EVM 性能のばらつき: 標準と実装

EVM(実行層)はコンパイルされたスマートコントラクトのオペコードの最終的な計算と処理の場所です。EVMが定義するバイトコードは業界標準です。イーサリアムLayer 2ネットワークであれ、他の独立したブロックチェーンであれ、EVM標準との互換性は開発者が複数のネットワーク上でスマートコントラクトを効率的にデプロイすることを可能にします。

EVMバイトコード標準に適合することで仮想マシンはEVMになりますが、実装方法には大きな違いがあります。例えば、イーサリアムのあるクライアントはGoでEVM標準を実装していますが、イーサリアム財団の別のチームはC++実装を維持しています。この多様性は、さまざまなエンジニアリングの最適化とカスタム実装を可能にします。

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パラレルEVM技術

歴史的に、ブロックチェーンコミュニティは主にコンセンサスアルゴリズムの革新に注目してきました。一部のプロジェクトは、そのコンセンサスメカニズムによって知られていますが、実行層ではなく。これらのプロジェクトは実行層において革新を遂げているものの、その性能はしばしばコンセンサスアルゴリズムからのみ来ていると誤解されがちです。

実際、高性能ブロックチェーンには革新的なコンセンサスアルゴリズムと最適化された実行層が必要であり、これは最も弱い環の原則に似ています。コンセンサスアルゴリズムのみを改善したEVMブロックチェーンの場合、性能を向上させるにはより強力なノードが必要です。たとえば、あるスマートチェーンは2000 TPSのガス制限の下でブロックを処理する際、イーサリアムのフルノードよりも数倍の構成が必要です。あるLayer 2ネットワークは理論的には最大1000 TPSをサポートしていますが、実際の性能はしばしば期待に及びません。

並列処理の必要性

大多数ブロックチェーンシステムでは、取引は順序通りに実行され、単一コアのCPUに似ています。この方法はシンプルで複雑さが低いですが、インターネット規模のユーザーベースを支えるには不十分です。マルチコアCPU並列仮想マシンに移行することで、同時に複数の取引を処理でき、スループットを大幅に向上させることができます。

並行実行は、同じスマートコントラクトへの同時取引の書き込みを処理するなどのエンジニアリング上の課題をもたらします。これらの競合を解決するために新しいメカニズムを設計する必要があります。無関係なスマートコントラクトの並行実行は、並行処理スレッド数に比例してスループットを向上させることができます。

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パラレルEVMのイノベーション

並行EVMは、ブロックチェーンシステムの実行層を最適化することを目的とした一連の革新を代表しています。あるプロジェクトを例に挙げると、その主要な革新には以下が含まれます:

• 並行取引実行:楽観的並行実行アルゴリズムを採用し、複数の取引を同時に処理できる。この方法は同じ初期状態から取引を開始し、入力と出力を追跡し、各取引の一時的な結果を生成する。次の取引の入力が現在処理中の取引の出力と関連しているかどうかを確認することで、次の取引を実行するかどうかを決定する。この方法は取引処理性能を大幅に向上させ、システムの遅延を減少させる。

• 遅延実行: コンセンサス機構において、ノードはマスターノードまたは検証ノードがトランザクションを実行することなく、トランザクションの正式な順序を達成できます。最初は、マスターノードがトランザクションの順序を決定し、ノード間でコンセンサスを達成します。トランザクションを即座に実行するのではなく、実行を独立したチャネルに遅らせ、ブロック時間を最大限に活用し、全体の実行効率を向上させます。

• カスタム状態データベース: MerkleツリーをSSDに直接保存することで、状態の保存とアクセスを最適化します。この直接保存方式は、読み取り増幅効果を最小化し、状態アクセス速度を向上させることで、スマートコントラクトの実行をより速く、より効率的にします。従来のデータベースの非効率を削減することで、並行取引実行中の状態変数の迅速な取得を保証します。

• 高性能コンセンサスメカニズム:あるコンセンサスメカニズムの改良版で、数百のグローバル分散ノード間の同期をサポートし、線形通信の複雑さを持つ。パイプライン投票段階を使用して、投票プロセスの異なる段階を重ねて行うことができ、遅延を減少させ、コンセンサスの効率を向上させる。この修正は、ネットワークが大規模な分散操作を処理する能力を大幅に向上させた。

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チャレンジ

パラレルEVMの技術的課題

順序取引の実行のボトルネックは、CPUと状態の読み書きプロセスに関連しています。並列実行は潜在的な状態の競合を引き起こし、実行前または実行後の競合チェックが必要です。例えば、仮想マシンが4つの並列スレッドをサポートし、各スレッドが1つの取引を処理する場合、すべての取引が同じ取引プールと相互作用すると、競合が発生します。このような状況には、高効率の並列処理を確保するために、慎重な競合検出と解決メカニズムが必要です。

並行EVMの技術的差異を実現することに加えて、各チームは通常、状態データベースの読み取り/書き込み性能を再設計・強化し、互換性のあるコンセンサスアルゴリズムを開発します。

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チャレンジと考慮

並行EVMの二つの主要な課題は、イーサリアムの長期的なエンジニアリング価値の捕捉とノードの集中化です。現在の開発段階は知的財産権を保護するために完全にはオープンソース化されていませんが、これらの詳細は最終的にテストネットとメインネットの立ち上げ時に公開される予定で、イーサリアムや他のブロックチェーンに吸収されるリスクに直面しています。迅速なエコシステムの発展が競争優位を維持するための鍵となるでしょう。

ノードの集中化はすべての高性能ブロックチェーンにとっての課題であり、"ブロックチェーンの三大難題"である非許可、信頼不要の操作、高性能のニーズの間でバランスを取る必要があります。"各ハードウェア要件のTPS"などの指標は、特定のハードウェア条件下でのブロックチェーンの効率を比較するのに役立ちます。なぜなら、より低いハードウェア要件は、より多くの非中央集権的なノードを有効にすることができるからです。

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パラレルEVMの構図

並行EVMパターンには複数のプロジェクトが含まれており、中にはLayer 1ブロックチェーンもあれば、Layer 2ソリューションもあります。また、他のネットワークに基づくEVM互換ソリューションやオープンソースクライアントも存在します。

並行EVMの主な条件はEVM互換ネットワークです。一部の非EVMネットワークは並行実行を採用していますが、並行EVMプロジェクトとは見なされません。

現在、既存の並行EVMネットワークは三つのタイプに分けられます:

1. 並行実行技術でアップグレードされたEVM互換Layer 1ネットワーク: これらのネットワークは当初、並行実行を採用しておらず、技術の反復的なアップグレードを通じて並行EVMをサポートするようになりました。

2. 最初から並列実行技術を備えたEVM互換のレイヤー1ネットワーク。

3. 非EVM並行実行技術を採用したLayer 2ネットワーク: これらには、拡張指向のLayer 2 EVM互換チェーンが含まれます。これらのネットワークはEVMをプラグイン可能な実行モジュールに抽象化し、必要に応じて最適な「VM実行層」を選択できるようにすることで、並行能力を実現しています。

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まとめ

ブロックチェーン技術の発展に伴い、実行層とコンセンサスアルゴリズムに注目することも重要であり、高性能を実現します。並列EVMなどの革新は、スループットと効率を向上させ、ブロックチェーンをより拡張可能にし、幅広いユーザー層をサポートできる有望なソリューションを提供します。これらの技術の発展と実装は、ブロックチェーンエコシステムの未来を形成し、この分野のさらなる進歩と応用を促進します。

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