并行EVM:超越串行,突破区块链性能瓶颈

区块链网络为个人和企业进行交易创造了一种新的、去中心化的信任基础。随着行业的蓬勃发展,对产品体验提出了更高的要求,尤其是在性能方面。经历了2020年DeFi Summer以及2023年年末比特币生态中铭文的持续爆发,业界迫切需要新的性能提升方案来满足"高性能、低费率"的要求。并行区块链就是在这样的背景下诞生的。

并行EVM叙事标志着并行区块链领域形成了两强相争的竞争格局。以太坊对交易的处理是串行的,交易要按顺序一个接一个的执行,资源的利用率不高。如果将串行处理的方式变为并行处理将带来性能的巨大提升。以太坊竞争对手如Solana、Aptos和Sui都是自带并行处理能力的,生态也发展的很不错,它们形成了并行非EVM阵营。面对挑战,以太坊生态也纷纷站出来为EVM赋能,形成了并行EVM阵营。

目前L1和L2整体流通市值为7521.23亿美元,并行区块链流通市值为525.39亿美元,仅占约7%。而其中并行EVM叙事相关项目流通市值23.39亿美元,仅占并行区块链流通市值的4%。可见并行EVM叙事还有很大的市场增长空间,而且并行EVM叙事所属的并行区块链板块也还有很大的市场增长空间,因此市场前景广阔。

并行EVM叙事项目主要分为单体区块链和模块化区块链,单体区块链又分为L1和L2。L1是自带并行执行能力的新公链,是高性能基础设施。以Sei v2、Monad和Canto为代表的项目自行设计并行EVM,兼容以太坊生态并提供高吞吐量交易处理能力。L2通过整合其他L1链的能力,提供跨生态合作的扩容能力,是rollup的显学。Neon是Solana网络上的EVM模拟器,Eclipse利用Solana执行交易但在EVM上做结算。Lumio与Eclipse类似,只是把执行层换成了Aptos。Fuel则提出了自己的模块化区块链思路,专注于执行交易,而将其余部分外包给一个或多个独立层的区块链,从而实现更灵活的组合。

并行EVM主要是对执行层的性能优化。这又分为一层网络(L1)解决方案和二层网络(L2)解决方案两种。L1的解决方案引入交易并行执行机制,让交易在虚拟机中尽量并行执行。L2的解决方案本质上是利用已经并行化的L1虚拟机实现某种程度上的"链下执行+链上结算"。

在区块链的语境下,虚拟机是指对分布式状态机进行的虚拟,用于分布式地执行合约,运行dApp。EVM就是一种为Solidity语言设计的进程虚拟机,智能合约首先被编译成opcode字节码,然后由EVM解释执行。

并行执行是指发挥多核处理器的优势,尽可能在同一时间同时执行多个交易,而保证最终状态与串行执行时结果一致。并行执行机制分为消息传递、共享内存、和严格状态访问列表三大类。共享内存又分为内存锁模型和乐观并行化。

消息传递模型中,每一个负责处理交易的执行者都是一个actor,它们都有可以访问自己的私有数据,如果要访问别人的私有数据,只能通过发消息来实现。这种模型的优点在于每个actor都只能访问自己的私有数据,因此就不会出现竞态条件问题。但缺点是每个actor都只能串行地执行,在某些场景中并没有发挥并行优势,而且没有一个全局的有关当前系统状态的信息。

内存锁模型让并行执行的任务在访问共享资源的时候做一个锁的操作,锁住之后对共享资源进行访问,此时别的任务要等待它修改完之后解锁才能再次锁住并访问。这种机制看上去简单,但实现起来很复杂,很考验开发人员对多线程编程的驾驭能力。容易出现死锁、活锁和饥饿等问题。

乐观并行化的核心思想是先假设所有的任务都是相互独立的。先并行执行任务,然后再验证每个任务,如果验证不通过,则把这个任务重新执行一遍,直到所有任务执行完毕。这种模型采用了一种多版本内存数据结构用来记录每一个写入值及其版本信息。每个并行任务的运行分为执行和验证两个阶段。执行速度极快,但复杂的交易执行和验证交给了实现底层机制的核心团队。

严格状态访问列表基于UTXO模型实现并行执行。它会提前计算每个交易要访问的账户地址,形成访问列表。根据访问列表形成交易的多个集合,每个交易集合之间在访问列表上没有交集(没有依赖),因此多个交易集合就可以并行执行了。

无论采用哪种并行执行机制,都提高了技术的复杂性。代码是人写的,是人写的就容易出现错误。并行计算所带来的技术复杂性为安全隐患的滋生提供了温床。从业者需要高度关注其可能存在的安全问题。

Sei是基于开源技术的通用公链,目前流通市值近22亿美元。Sei v2号称第一条并行EVM区块链,本次版本升级将带来对EVM智能合约的向后兼容、对诸如Metamask等常见工具/应用的重用、乐观并行化、SeiDB对存储层的优化、支持以太坊和其他链之间的无缝互操作性等新功能。

Monad被誉为L1赛道的潜在颠覆者。目前项目已经成功实现了上线内部测试网的里程碑任务,正朝着下一步开放公共测试网而努力。Monad为以太坊虚拟机引入了两项机制:一是超标量流水线技术,二是改进的乐观并行机制。目前性能达到10000 TPS并能在1秒的时间出块。

Canto是基于Cosmos SDK打造的、高度去中心化的L1项目。Canto的首要愿景是成为可访问的、透明的、去中心化和免费的DeFi价值平台。Canto在2024年3月18日公布了自己新一轮的技术迭代计划,将进行并行EVM升级:通过实现Cyclone EVM引入乐观并行化。

Fuel是量身定制的模块化"以太坊rollup操作系统"。Fuel使用UTXO作为数据模型,采用这种数据模型有一个优点:其交易输出只有两种状态,要么已花费,永久记录于区块的交易历史中;要么未花费,可用于未来的交易中。进而做到链上每个节点存储状态数据最小化。在此基础上,Fuel检查每一笔交易访问的账户信息,在执行交易之前找出依赖关系,调度无依赖关系的交易并行执行,提高交易处理的吞吐量。

L2解决方案有个共性:它们将两种虚拟机的能力结合起来,提升交易的执行速度。具体地说就是利用并行L1来执行交易,但是与其他链进行兼容(双虚拟机支持)。所不同的是不同的项目采取的兼容机制不一样。Neon、Eclipse和Lumio颇具代表性。

Neon是Solana网络上的EVM模拟器,以智能合约的形式运行。开发人员可以使用诸如Solidity、Vyper这样的语言编写dApp应用,并可以使用MetaMask、Hardhat、Remix等以太坊工具链和兼容的以太坊RPC API、账户、签名和代币标准等。与此同时享受Solana带来的低费率、高交易执行速度以及并行执行的能力。

Eclipse采取了另一种实现思路:通过SVM执行交易,通过EVM结算交易。Eclipse采取模块化区块链的架构,即它只负责交易的执行,而把其他的职责"外包"出去,通过模块化组合形成统一解决方案。Eclipse利用SVM保证了执行速度,通过以太坊的验证和结算保证了安全性。

Lumio采用的是一种与执行层和结算层无关的设计思路,可支持多种虚拟机,兼容各种L1/L2网络。它通过Move VM执行交易,通过EVM结算交易,这样一来就把以太坊生态和Aptos生态连接起来了。然而Lumio的雄心并不止步于此,它的愿景是提供跨虚拟机调用,以最快的速度和最低的费率实现多种区块链流动性的互联。

![万字解读并行EVM ：超越串行，如何突破区块链性能瓶颈？](