并行EVM创新：提升区块链性能的新方向

2025-08-04 23:01:49

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以太坊虚拟机EVM

EVM vs. Solidity

区块链开发者必须掌握编写智能合约的技能。他们可以使用Solidity或其他高级语言来实现业务逻辑。但EVM无法直接解释Solidity代码,需要将其编译成虚拟机可执行的低级语言(操作码/字节码)。有工具可以自动完成这种转换,减轻了开发者理解编译过程的负担。

虽然转换会带来一些额外开销,但有低级编码经验的工程师可以直接在Solidity中使用操作码编写程序逻辑,以达到最高效率并减少gas消耗。比如某交易平台的协议就大量使用了内联汇编来最小化用户的gas开销。

EVM性能的差异性:标准与实现

EVM(执行层)是编译后的智能合约操作码最终计算和处理的地方。EVM定义的字节码是行业标准。无论是用于以太坊Layer 2网络还是其他独立区块链,与EVM标准的兼容性都允许开发者高效地在多个网络上部署智能合约。

尽管符合EVM字节码标准使虚拟机成为EVM,但实现方法可以有很大差异。例如,以太坊的某客户端用Go实现了EVM标准,而以太坊基金会的另一个团队则维护了一个C++实现。这种多样性允许不同的工程优化和定制实现。

并行EVM技术

历史上,区块链社区主要关注共识算法的创新,一些项目更因其共识机制而闻名,而非其执行层。虽然这些项目对执行层有所创新,但它们的性能往往被误认为仅来自共识算法。

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,类似于最弱环节原理。对于仅改进共识算法的EVM区块链,提升性能需要更强大的节点。例如,某智能链在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。虽然某Layer 2网络理论上支持高达1000 TPS,但实际性能往往不及预期。

并行处理的需求

大多数区块链系统中,交易是按顺序执行的,类似单核CPU。这种方法简单且复杂度低,但不足以支撑互联网级用户基础。转向多核CPU并行虚拟机可以同时处理多笔交易,大大提高吞吐量。

并行执行带来了工程挑战,如处理并发交易写入同一智能合约。需要设计新机制解决这些冲突。并行执行不相关的智能合约可以按并行处理线程数成比例提高吞吐量。

并行EVM的创新

并行EVM代表了一系列旨在优化区块链系统执行层的创新。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。这种方法从相同初始状态开始交易,跟踪输入输出,生成每笔交易的临时结果。通过检查下一笔交易的输入是否与当前处理中交易的输出相关来决定是否执行下一笔交易。这种方法显著提升了交易处理性能,减少了系统延迟。
延迟执行:在共识机制中,节点无需主节点或验证节点执行交易就能达成对交易的正式排序。起初,主节点对交易排序并在节点间达成共识。不立即执行交易,而是将执行推迟到独立通道,最大限度利用区块时间,提升整体执行效率。
自定义状态数据库:通过直接将Merkle树存储在SSD上优化状态存储和访问。这种直接存储方法最小化读取放大效应,提高状态访问速度,使智能合约执行更快、更高效。通过减少传统数据库的低效,确保并行交易执行期间快速检索状态变量。
高性能共识机制:对某共识机制的改进版本,支持数百个全球分布节点间的同步,具有线性通信复杂度。使用流水线投票阶段,使投票过程的不同阶段可以重叠进行,减少延迟,增加共识效率。这一修改显著提升了网络处理大规模分布式操作的能力。

挑战

并行EVM的技术挑战

顺序交易执行的瓶颈与CPU和状态读/写过程相关。并行执行引入了潜在的状态冲突,需要执行前或执行后的冲突检查。例如,如果虚拟机支持四个并行线程,每个线程处理一个交易,当所有交易都与同一个交易池交互时,就会发生冲突。这种情况需要仔细的冲突检测和解决机制,以确保高效的并行处理。

除了实现并行EVM的技术差异外,各团队通常重新设计并增强状态数据库的读/写性能,并开发兼容的共识算法。

挑战与考量

并行EVM的两个主要挑战是以太坊的长期工程价值捕获和节点集中化。虽然目前开发阶段尚未完全开源,以保护知识产权,但这些细节最终将在测试网和主网启动时披露,面临被以太坊或其他区块链吸收的风险。快速的生态系统发展将是保持竞争优势的关键。

节点集中化对所有高性能区块链都是挑战,需要在"区块链三难困境"——无许可、无需信任的操作和高性能需求之间取得平衡。"每硬件需求的TPS"等指标可以帮助比较区块链在特定硬件条件下的效率,因为较低的硬件需求可以启用更多去中心化的节点。

并行EVM的格局

并行EVM格局包括多个项目,有些是Layer 1区块链,有些可能是Layer 2解决方案。还有一些是基于其他网络的EVM兼容解决方案,以及开源客户端。

并行EVM的主要条件是EVM兼容网络。一些非EVM网络虽然采用并行执行,但不被视为并行EVM项目。

目前,现有的并行EVM网络可以分为三种类型:

通过并行执行技术升级的EVM兼容Layer 1网络:这些网络最初不采用并行执行,通过技术迭代升级以支持并行EVM。
从一开始就采用并行执行技术的EVM兼容Layer 1网络。
采用非EVM并行执行技术的Layer 2网络:这些包括扩展导向的Layer 2 EVM兼容链。这些网络将EVM抽象成可插拔的执行模块,允许根据需要选择最佳的"VM执行层",从而实现并行能力。