EVM:イーサリアムの核心コンポーネント

EVMはイーサリアムのコアであり、スマートコントラクトの実行と取引の処理を担当しています。これは計算エンジンであり、計算とストレージの抽象を提供し、Java仮想マシンに似ています。EVMは独自のバイトコード命令セットを実行し、通常はSolidityによってコンパイルされます。

EVMは準チューリング完全な状態機械です。"準"というのは、すべての実行ステップが有限のリソースであるGasを消費するため、与えられたスマートコントラクトの実行は限られた計算ステップ内に制限され、無限ループによってイーサリアムプラットフォーム全体が停止する可能性を回避します。

EVMにはスケジューリング機能がなく、イーサリアムの実行モジュールはブロックからトランザクションを取り出し、EVMが順次実行します。実行中に最新の世界状態が変更され、1つのトランザクションの実行が完了した後に状態が累積され、ブロック完了後の最新の世界状態に達します。次のブロックの実行は、前のブロックの実行後の世界状態に厳密に依存するため、イーサリアムのトランザクションの線形実行プロセスは並行実行の最適化をうまく行うことができません。

この意味では、イーサリアムプロトコルは取引を順番に実行することを定めています。順番に実行することで、取引とスマートコントラクトが決定的な順序で実行され、安全性が保証されますが、高負荷に直面した場合、ネットワークの混雑や遅延を引き起こす可能性があります。これが、イーサリアムに大きなパフォーマンスのボトルネックがあり、Layer2 Rollup拡張が必要な理由でもあります。

! 並列EVM:高性能レイヤー1マインドスワッピング

高性能なレイヤー 1 並列処理

ほとんどの高性能Layer1は、イーサリアムが並列処理できない欠点を基に、自らの最適化方案を設計しています。ここでは実行層の最適化、つまり仮想マシンと並列実行についてのみ話します。

バーチャルマシン

EVMは256ビットの仮想マシンとして設計されており、その目的はイーサリアムのハッシュアルゴリズムをより簡単に処理することです。これにより、明確に256ビットの出力が生成されます。しかし、EVMを実行するコンピュータは、256ビットのバイトをローカルアーキテクチャにマッピングしてスマートコントラクトを実行する必要があるため、全体のシステムは非常に非効率的で実用的ではなくなります。したがって、仮想マシンの選択においては、高性能Layer1はEVMではなく、WASM、eBPFバイトコード、またはMoveバイトコードに基づく仮想マシンをより多く採用しています。

WASMは、サイズが小さく、読み込みが速く、移植性があり、サンドボックスのセキュリティメカニズムに基づくバイトコード形式です。開発者は、さまざまなプログラミング言語を使用してスマートコントラクトを書き、それをWASMバイトコードにコンパイルして実行できます。WASMは、EOS、Dfinity、Polkadotなどを含む多くのブロックチェーンプロジェクトに標準として採用されています。イーサリアムも将来的にWASMを統合する予定であり、それによりイーサリアムの実行層がより効率的でシンプルになり、完全な分散型計算プラットフォームとして適しています。

eBPFの前身はBPFであり、元々はネットワークデータパケットの効率的なフィルタリングに使用されていましたが、進化の過程でeBPFが形成され、より豊富な命令セットを提供し、ソースコードを変更することなくオペレーティングシステムのカーネルに対して動的な介入とその挙動の変更を可能にします。その後、この技術はカーネルから外に出て、ユーザーモードのeBPFランタイムが発展し、高性能、安全性、および移植性を持つようになりました。あるブロックチェーン上で実行されるスマートコントラクトは、すべてSBF(を基にしたeBPF)バイトコードにコンパイルされ、そのブロックチェーンネットワーク上で実行されます。

Moveは柔軟性、安全性、検証可能性に重点を置いた新しいスマートコントラクトプログラミング言語です。Move言語は、資産と取引における安全性の問題を解決することを目的としており、資産と取引を厳密に定義し、制御できるようにします。Moveのバイトコード検証器は静的分析ツールであり、Moveバイトコードを分析し、必要なタイプ、メモリ、およびリソースの安全ルールを遵守しているかどうかを判断します。これは、スマートコントラクトレベルで実装し、実行時にチェックする必要はありません。いくつかの新興のパブリックチェーンはMoveを継承するか、独自のカスタマイズ版を通じてスマートコントラクトを作成しています。

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並列実行

ブロックチェーンにおける並行実行は、無関係な取引を同時に処理することを意味します。無関係な取引を互いに影響しない出来事と見なします。例えば、2人が異なる取引プラットフォームでトークンを取引している場合、彼らの取引は同時に処理できます。しかし、同じプラットフォームで取引を行う場合は、特定の順序で取引を実行する必要があるかもしれません。

並行実行を実現する際の主な課題は、どのトランザクションが無関係であり、どのトランザクションが独立しているかを特定することです。ほとんどの高性能Layer1は、状態アクセス方式と楽観的並行モデルの2つの方法に依存しています。

状態アクセスメソッドは、各トランザクションがブロックチェーンの状態のどの部分にアクセスできるかを事前に知っている必要があり、それによってどのトランザクションが独立しているかを分析します。

特定のパブリックチェーンでは、プログラム(のスマートコントラクト)は無状態です。なぜなら、それらは取引プロセス全体で持続する任意の状態に自らアクセスできないからです。状態にアクセスまたは保持するためには、プログラムはアカウントを使用する必要があります。各取引は、取引実行中にどのアカウントにアクセスするかを指定する必要があり、これにより取引処理ランタイムは重複しない取引を並行して実行でき、同時にデータの整合性が保証されます。

特定のパブリックブロックチェーンでは、各スマートコントラクトはモジュールであり、関数と構造体の定義で構成されています。構造体は関数内でインスタンス化され、関数呼び出しを介して他のモジュールに渡すことができます。実行時にストレージに保存される構造体インスタンスはオブジェクトとして存在し、所有者オブジェクト、共有オブジェクト、変更不可オブジェクトの3種類の異なるタイプのオブジェクトがあります。並列化戦略は前述のパブリックブロックチェーンと似ており、トランザクションも操作するオブジェクトを指定する必要があります。

楽観的並行モデルは、すべての取引が独立しているという仮定の下で動作し、単にこの仮定を回顧的に検証し、必要に応じて調整を行います。

ある一部のパブリックチェーンは、Block-STM(ブロックソフトウェアトランザクションメモリ)の方法を使用して楽観的並列実行を適用します。Block-STMでは、トランザクションはまずブロック内で特定の順序に設定され、その後異なる処理スレッド間で分割されて同時に実行されます。これらのトランザクションを処理する際、システムは各トランザクションによって変更されたメモリの位置を追跡します。各ラウンドの処理後、システムはすべてのトランザクションの結果をチェックします。もし特定のトランザクションが以前のトランザクションによって変更されたメモリの位置に触れた場合、その結果は消去され、再び実行されます。このプロセスは、ブロック内のすべてのトランザクションが処理されるまで続きます。

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パラレルEVM

並行EVMは2021年に提起され、当時は同時に複数のトランザクションを処理するEVMを指しており、既存のEVMの性能と効率を改善することを目的としていました。代表的な提案には、あるプラットフォームがBlock-STMに基づいて実装した並行EVMや、いくつかのパブリックチェーンとの共同開発による並行EVMがあります。

しかし、2023年末に業界の著名人たちが2024年のトレンドを展望する際に、並列EVMに再び言及し、MonandやSeiを含む並列実行技術を採用したEVM互換Layer1が注目を集めました。

現在、いくつかのパブリックブロックチェーン上のEVM互換ソリューション、イーサリアムSVMのLayer2 Rollup、イーサリアムMove仮想マシンのLayer2 Rollup、モジュラー実行層Layer1などが次々と並行EVMというラベルを貼られ、目を眩ませています。

合理的能定義できる並行EVMは以下の三種類のみである:

1. 並行実行技術を採用していないEVM互換のLayer1の並行実行アップグレード;

2. 並列実行技術を備えたEVM互換のレイヤー1。

3. パラレル実行技術を採用した非EVM互換のLayer1のEVM互換ソリューション。

いくつかの主要なEVM互換のLayer1は言うまでもありませんが、ここではいくつかの新興プロジェクトを簡単に紹介します。

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Monadは、PoSメカニズムを採用したEVM互換の高性能Layer1であり、並列実行を通じてスケーラビリティと取引速度を大幅に向上させることを目的としています。Monadは、効率を向上させるために、ブロック内で取引を並行して実行することを可能にします。新しい取引の実行は、前の実行が完了する前に始まる楽観的並列モデルを使用しています。不正確な結果に対処するために、Monadは入出力を追跡し、不整合な取引を再実行します。静的コード解析器は依存関係を予測し、無効な並列性を回避し、不確実な場合はシンプルモードに戻ることができます。この並列実行によりスループットが増加し、取引失敗の可能性が減少します。

SeiはCosmos SDKを基に開発されたLayer1で、DeFIのために特化したパブリックチェーンです。Sei V2はSeiネットワークの大規模なアップグレードで、完全に並行したEVMになることを目指しています。Monadと同様に、Sei V2は楽観的並行処理を使用します。これにより、ブロックチェーンはトランザクションを同時に実行でき、開発者が依存関係を定義する必要がありません。衝突が発生した場合、ブロックチェーンは各トランザクションが触れたストレージ部分を追跡し、これらのトランザクションを順番に再実行します。このプロセスは、すべての未解決の衝突が解決されるまで再帰的に続きます。

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Artelaは、開発者が機能豊富な分散型アプリケーションを構築できるスケーラブルなブロックチェーンネットワークです。Artelaが発表したEVM++は、高いスケーラビリティと高性能の並列EVMを表しており、2つの段階で実現されます。第一段階では、並列実行を中心に設計され、並列実行を基にして、弾力的な計算によってネットワークノードの計算能力をスケーラブルに保つことが保証され、最終的に弾力的なブロックスペースを実現します。並列実行は、トランザクションの依存関係の競合分析に基づいてトランザクションをグループ化し、並列実行をサポートします。

あるパブリックチェーン上のEVM互換ソリューションは、そのパブリックチェーン上でEVM取引を実行するためのソリューションです。このEVMは実際にはパブリックチェーン上のスマートコントラクトであり、そのコントラクト内にはEVMインタープリターが実装されており、SBFバイトコードにコンパイルされます。このEVM内部にはイーサリアム取引モデルとアカウントモデルのセットが実装されており、ユーザーはEVM GAS料金を支払うだけで取引を送信できます。パブリックチェーンネットワークの料金はProxyによって支払われます。パブリックチェーンは取引にアカウントリストを提供することを強制しており、ラッピング取引も例外ではありません。したがって、Proxyの責任にはこのアカウントリストの生成が含まれ、同時にパブリックチェーンの取引並行実行能力も得ています。

EVMをスマートコントラクトとして実行し、EVM互換のソリューションを実現する類似のプロジェクトは他にもいくつかあり、理論的には新興のパブリックチェーン上でもこのソリューションを採用して非侵襲的なEVM互換を実現することができ、現在そのような作業を行っているチームもあります。このプロジェクトは、任意の分散環境でMoveに基づくインフラストラクチャ、アプリケーション、ブロックチェーンを構築および展開するためのモジュラーフレームワークです。モジュールはEVMオペコードをシームレスにMoveオペコードに変換でき、これによりSolidityプロジェクトは一行のMoveコードを書くことなくMoveのパフォーマンスとセキュリティの利点を活用できます。

EVM互換性により、開発者は大規模な変更を行うことなく、彼らのイーサリアムアプリケーションをチェーン上に簡単に移行することができ、エコシステムを構築するための良い方向性です。

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まとめ

ブロックチェーンの並行技術はすでに古い話題になっており、叙述は一定の間隔で顔を出しますが、現在のところ主にAptosのBlock-STMメカニズムを代表とする楽観的な実行モデルの改造と模倣に留まっており、実質的な突破口はなく、熱気は持続しにくいです。

未来を見据えると、さらに多くの新興Layer1プロジェクトがEVMの競争に参加することになるでしょう。また、古いLayer1のいくつかはEVMの並行アップグレードまたはEVM互換のソリューションを実現することにもなります。この二つの方向は異なれど、同じ目的を持っており、性能向上に関連する新しい物語がさらに生まれることでしょう。

しかし、高性能EVMの物語に比べて、ブロックチェーンが多様性を持ち、WASM、SVM、Move VMのような物語が登場することは、より期待されるかもしれません。

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