并行EVM技术:区块链执行层的创新与挑战

2025-07-14 03:37:39

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以太坊虚拟机EVM

EVM与Solidity

智能合约开发是区块链工程师的基本技能。开发者通常使用Solidity或其他高级语言来实现业务逻辑。但EVM无法直接解析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)。目前已有工具可以自动完成这一转换过程,减轻了开发者理解编译细节的负担。

虽然编译会引入一些额外开销,但熟悉低级编码的工程师可以直接在Solidity中使用操作码编写程序逻辑,以实现最高效率并降低gas消耗。例如,某知名NFT交易平台的交易协议就广泛使用内联汇编来最小化用户的gas开销。

EVM性能差异:标准与实现

EVM(又称"执行层")是编译后的智能合约操作码最终执行的地方。EVM定义的字节码已成为行业标准。无论是用于以太坊Layer 2网络还是其他独立区块链,与EVM标准的兼容性都使开发者能够高效地在多个网络上部署智能合约。

尽管遵循EVM字节码标准使虚拟机成为EVM,但具体实现方式可能大不相同。比如,以太坊的某客户端用Go语言实现了EVM标准,而以太坊基金会的另一团队则维护着C++实现。这种多样性为不同的工程优化和定制实现提供了可能。

并行EVM技术

历史上,区块链社区主要关注共识算法的创新,一些知名项目更多因其共识机制而闻名,而非执行层。虽然这些项目在执行层也有创新,但其性能常被误认为仅源自共识算法。

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相结合,类似于木桶理论。对于仅改进共识算法的EVM区块链,提升性能往往需要更强大的节点硬件。例如,某知名智能链在2000 TPS的gas限制下处理区块,需要配置远高于以太坊全节点的机器。虽然某Layer 2扩容方案理论上支持高达1000 TPS,但实际性能常常低于预期。

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,下一次计算要等当前计算完成后才能开始。这种方法虽然简单且系统复杂度低,但难以扩展到互联网级用户基础。转向多核CPU并行虚拟机可以同时处理多笔交易,大幅提高吞吐量。

并行执行带来了一些工程挑战,如处理并发交易写入同一智能合约的情况。需要设计新机制来解决这些冲突。对不相关的智能合约进行并行执行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。
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顺序共识。执行被推迟到独立通道中,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。
高性能共识机制:基于HotStuff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,提高共识效率。

挑战与考量

并行EVM面临两大主要挑战: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一个挑战,需要在"区块链三难困境"中取得平衡。"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。一些项目基于其他网络,还有开源客户端的开发。

目前,现有的并行EVM网络可分为三类:

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。