匯總九篇並行 EVM 研究：討論焦點是什么？

2024-08-22 00:08:16

撰文：0xNatalie

來源：ChainFeeds

TL;DR

並行 EVM 吸引了頂尖風投的關注，不少項目紛紛开始探索這一方向，比如 Monad、MegaETH、Artela、BNB、Sei Labs、Polygon 等。
並行 EVM 不僅僅是為了實現並行化處理，還涉及對 EVM 各個組件的全面性能優化。通過這些優化，為更復雜和高效的區塊鏈應用提供支持。
並行 EVM 需要在开源生態中實現差異化，同時平衡去中心化和高性能的需求，還要解決潛在的安全問題和市場接受度的挑战。由於引入了多线程編程的復雜性，並行 EVM 面臨着協調多個交易同時進行的難題，因此必須找到有效的解決方案，以確保系統的穩定性和安全性。
未來，並行 EVM 將推動鏈上中央限價訂單簿（CLOB）和可編程中央限價訂單簿（pCLOB）的實現，這將大大增強 DeFi 活動的效率，預計 DeFi 生態將顯著增長。
通過將其他高性能虛擬機（AltVM）引入以太坊生態系統，性能和安全性將得到顯著提升，這種集成能夠充分利用各個虛擬機的優勢，推動以太坊的進一步發展。

今年，並行 EVM 吸引了諸如 Paradigm、Dragonfly 等頂尖風投公司的押注，引起了市場的廣泛關注。並行 EVM 是對傳統 EVM 的優化升級。傳統的 EVM 是串行處理的，也就是交易必須一個接一個地順序執行。這種方式在交易高峯期容易導致交易擁堵和處理延遲，影響用戶體驗。並行 EVM 則通過引入並行處理技術，允許多個獨立的交易同時執行，從而大幅提升交易處理速度。隨着全鏈遊戲、账戶抽象錢包等復雜應用的出現，對區塊鏈性能的需求不斷增加。為了支持更廣泛的用戶，區塊鏈網絡必須具備快速高效地處理大量交易的能力。因此，並行 EVM 作為解決方案，對於不斷發展的 Web3 應用至關重要。

然而，實施並行 EVM 面臨以下的共性挑战，這些挑战需要精確的技術解決方案來確保系統的穩定運行：

數據一致性：在並行 EVM 中，因為多個交易同時發生，多個操作可能需要同時讀取或修改账戶的信息。為了確保每個操作都能正確地反映在最終的狀態中，需要採用有效的鎖定機制或事務處理機制，以確保在狀態修改時保持數據一致性。
狀態訪問效率：並行 EVM 需要能夠快速訪問和更新狀態，這要求系統具有高效的狀態存儲和檢索機制。通過優化存儲結構和訪問路徑，比如採用更先進的數據索引技術和緩存策略，可以顯著減少數據訪問的延遲，提高整體的系統性能。
交易衝突檢測：在並行執行中，多個交易可能依賴於相同的數據狀態，交易的順序和依賴關系管理變得復雜。為此，必須設計復雜的調度算法來識別和管理並行交易之間的依賴關系，檢測潛在衝突，並決定如何處理，確保並行執行的交易結果與串行執行一致。

例如，MegaETH 將交易執行任務從全節點中解耦，將不同任務分配給專業化節點，以優化整體系統性能；Artela 通過預測性樂觀執行和異步預加載技術，利用 AI 分析交易之間的依賴關系，並提前將所需的交易狀態加載到內存中，以提高狀態訪問效率；BNB 鏈开發了專用的衝突檢測器與重新執行機制，提升系統對交易依賴關系的管理能力，減少不必要的重新執行，等等。

為深入了解並行 EVM 的發展方向，以下精選九篇關於此主題的優質文章，提供了不同鏈的具體實施方案、生態綜合研究、未來前景等全面視角。

MegaETH: Unveiling the First Real-Time Blockchain

作者：MegaETH，日期：2024.6.27

MegaETH 是一個 EVM 兼容的 Layer 2，旨在實現接近 Web2 服務器的實時性能。其目標是推動以太坊 L2 的性能達到硬件極限。MegaETH 提供高交易吞吐量、充足的計算能力和毫秒級響應時間，允許开發者構建和組合復雜的應用程序，而不受性能限制。

MegaETH 通過將交易執行任務從全節點中分離並引入並行處理技術來提升性能。其架構由三個主要角色組成：定序器、驗證者和全節點。

定序器（Sequencer）：定序器的職責是對用戶提交的交易進行排序和執行。定序器在執行交易後，會通過點對點（p2p）網絡將交易的狀態變化（狀態差異）發送給全節點。
全節點（Full Node）：全節點接收到狀態差異後，直接應用這些差異來更新自己的本地區塊鏈狀態，而不需要重新執行交易。這大大減少了計算資源的消耗，提高了系統的整體效率。
驗證者（Prover）：驗證者使用無狀態驗證方案對區塊進行驗證。不需要按順序逐個驗證，而是可以同時驗證多個區塊。這種方法進一步提高了驗證效率和速度。

這種節點專業化的設計允許不同類型的節點根據各自的功能需求設定獨立的硬件要求。例如，定序器需要高性能服務器來處理大量交易，而全節點和驗證者則可以使用相對低配置的硬件。

Presenting Artela Scalability Whitepaper - Parallel Execution Stack and Elastic Block Space

作者：Artela，日期：2024.6.20

Artela 通過引入多項關鍵技術，大幅提升了區塊鏈的並行執行效率和整體性能：

並行執行：通過預測交易依賴性並對交易進行分組，利用多個 CPU 核心並行處理，提高計算效率。
並行存儲：優化存儲層，支持並行數據處理，避免存儲瓶頸，提升系統整體性能。
彈性計算：支持多臺計算機協同工作，實現彈性計算節點和區塊空間，為 dApps 提供更高的交易吞吐量和可預測的性能。

具體而言，Artela 的預測性樂觀執行利用 AI 智能分析交易與合約之間的依賴關系，預測可能發生衝突的交易，並將其分組，從而減少衝突和重復執行。系統動態地累積並存儲歷史交易的狀態訪問信息，以供預測算法使用。通過異步預加載，系統將所需的交易狀態提前加載到內存中，避免在執行過程中出現 I/O 瓶頸。同時，並行存儲通過將狀態承諾與存儲操作分離，優化了 Merkelization 和 I/O 性能。這種分離處理方式使並行與非並行操作能夠獨立管理，進一步提升了系統的並行化效率。

此外，Artela 基於彈性計算構建了彈性區塊空間（EBS）。傳統區塊鏈中，所有 dApp 共享同一個區塊空間，導致高流量 dApp 之間資源競爭，造成不穩定的 gas 費用和不可預測的性能。彈性區塊空間為 dApp 提供專屬且動態可擴展的區塊空間，確保性能的可預測性。dApp 可根據需求申請專屬區塊空間，隨着區塊空間的增加，驗證者可通過增加彈性執行節點擴展處理能力，確保資源高效利用，適應不同的交易量。

Road to High Performance: Parallel EVM for BNB Chain

作者：BNB Chain，日期：2024.2.16

在 BNB 鏈上，團隊採取了多個步驟來實現並行 EVM，以提高交易處理能力和可擴展性。以下是 BNB 鏈在實現並行 EVM 過程中所做的主要工作：

並行 EVM v1.0

在 2022 年初，BNB 鏈社區推動了並行 EVM 的執行，核心組件包括：

調度器：負責將交易分配到不同线程進行並行執行，從而優化吞吐量。
並行執行引擎：利用並行處理在專用线程上獨立執行交易，大大減少處理時間。
本地狀態數據庫：每個线程（獨立執行指令的基本單位）維護自己的「线程本地」狀態數據庫，以高效記錄執行期間的狀態訪問信息。
衝突檢測與重新執行：確保數據完整性，通過檢測和管理交易依賴關系，發生衝突時重新執行交易以確保結果准確。
狀態提交機制：一旦交易執行完成，結果將無縫提交到全局狀態數據庫，更新區塊鏈的整體狀態。

並行 EVM v2.0

在並行 EVM 1.0 的基礎上，BNB 鏈社區引入了一系列性能提升的創新：

Streaming Pipeline：提高執行效率，使交易在並行引擎中平穩處理。
Universal Unconfirmed State Access：通過優化狀態信息訪問，在某個交易執行完畢但未正式確認之前，允許其他交易臨時使用其結果，減少交易間的等待時間。
衝突檢測器 2.0：增強的衝突檢測機制，提高了性能和准確性，確保數據完整性，同時減少不必要的重新執行。
調度器增強：調度器現在利用靜態和動態調度策略，更高效地分配工作負載和優化資源利用。
內存優化：通過共享內存池和輕量復制技術，顯著減少內存佔用，進一步提升系統性能。

並行 EVM v3.0

在並行 EVM 2.0 取得性能提升之後，BNB 鏈社區積極开發並行 EVM 3.0，目標如下：

減少或消除重新執行：通過引入基於提示（Hints）的調度器，利用外部提示提供者分析交易並生成潛在狀態訪問衝突的預測。通過這些提示，可以更好地安排交易，減少衝突，從而降低重新執行的需要。
模塊化：將代碼分解為獨立模塊，提高可維護性並便於適應不同環境。
代碼庫重構：對齊最新的 BSC/opBNB 代碼庫，確保兼容性並簡化集成。
徹底測試和驗證：在各種場景和工作負載下進行廣泛測試，確保解決方案的穩定性和可靠性。

Sei’s Parallel Stack

作者：Sei，日期：2024.3.13

Sei Labs 創建了一個名為 Parallel Stack 的开源框架，旨在構建支持並行處理技術的 Layer 2 解決方案。Parallel Stack 的核心優勢在於其並行處理能力，利用現代硬件的進步來降低交易費用。該框架採用模塊化設計，允許开發者根據特定需求添加或修改功能模塊，從而適應不同的應用場景和性能要求。Parallel Stack 能夠與現有的以太坊生態系統無縫整合。使用 Parallel Stack 的應用和开發者無需做大量的修改或適應工作，就能直接利用以太坊現有的基礎設施和工具。

為了確保交易和智能合約的安全執行，Parallel Stack 引入了多種安全協議和驗證機制，包括交易籤名驗證、智能合約審計和異常交易檢測系統。為了方便开發者在 Parallel Stack 上構建和部署應用，Sei Labs 提供了一套完整的开發者工具和 API，旨在支持开發者充分利用 Parallel Stack 的高性能和可擴展性，推動以太坊生態系統的進一步發展。

Innovating the Main Chain: a Polygon PoS Study in Parallelization

作者：Polygon Labs，日期：2022.12.1

Polygon PoS 鏈通過引入並行 EVM 升級，使其交易處理速度提高了一倍，這得益於最小化元數據法。

Polygon 借鑑了 Aptos Labs 开發的 Block-STM 引擎的原理，开發了最小元數據方法以滿足 Polygon 的需求。Block-STM 引擎是一種創新的並行執行機制，它假設所有交易之間不存在衝突。在交易執行過程中，Block-STM 引擎監控每個交易的內存操作，識別並標記依賴關系，並重新安排有衝突的交易進行驗證，確保結果的正確性。

最小元數據方法在區塊中記錄所有交易的依賴關系，並存儲在有向無環圖（DAG）中。區塊提議者和驗證者先執行交易，記錄依賴關系並將其附加為元數據。當區塊傳播到網絡中的其他節點時，依賴關系信息已包含在內，減少了重新驗證的計算和 I/O 負擔，提高了驗證效率。通過最小元數據方法，記錄依賴關系還優化了交易執行路徑，最大限度地減少了衝突。

EVM 的並行化有何意義？或是 EVM 霸權下的終局？

作者：ChainFeeds 創始人 Zhixiong Pan，日期：2024.3.28

並行 EVM 技術受到了包括 Paradigm、Jump 和 Dragonfly 在內的一些頂級風險資本的重視和投資。這些資本看好並行 EVM 突破現有區塊鏈技術的性能限制，實現更高效的事務處理和更廣泛的應用可能性。

並行 EVM 雖然字面意思僅代表了「並行化」，但實際上它涵蓋的技術改進遠不止於此。並行 EVM 不僅僅是讓多個交易或任務可以同時進行處理，還包括對以太坊 EVM 的各個組件進行深入的性能優化。比如改進數據存取速度、提高計算效率、優化狀態管理等多個方面。因此，它的努力很可能代表着 EVM 標准下的性能極限。

除了技術上的挑战，並行 EVM 還面臨着生態構建和市場接受度的難題。需要在开源生態中創造差異化，在去中心化和高性能之間找到適當的平衡。市場接受度方面，需要向行業內外證明其並行化能力真正帶來的性能提升和成本效益，特別是在現有的大量以太坊應用和智能合約已經穩定運行的背景下，轉向新平臺的誘因需要非常突出。此外，並行 EVM 的推廣還需要解決潛在的安全問題和可能出現的新的技術缺陷，確保系統的穩定性和用戶資產的安全，這些都是推動新技術廣泛採納的重要因素。

Death, Taxes, and EVM Parallelization

作者：Reforge Research，日期：2024.4.1

隨着並行 EVM 的推出，鏈上中央限價訂單簿（Central Limit Order Books, CLOB）的可行性得到了提升，預計 DeFi 活動將顯著增加。

在 CLOB 中，訂單根據價格和時間優先級排序，確保市場的公平性和透明性。然而，在以太坊等區塊鏈平臺上實現 CLOB 時，由於平臺處理能力和速度的限制，往往會導致高延遲和高交易成本。引入並行 EVM 後，極大地增強了網絡的處理能力和效率，使得 DeFi 交易平臺能夠實現更快速和更高效的訂單匹配和執行。CLOB 也就變得可行。

在此基礎上，可編程中央限價訂單簿（pCLOB）進一步擴展了 CLOB 的功能。pCLOB 不僅提供基本的买賣訂單匹配功能，還允許开發者在訂單的提交和執行過程中嵌入自定義的智能合約邏輯。這些自定義邏輯可以用於額外的驗證、執行條件的判定、以及交易費用的動態調整。通過在訂單簿中嵌入智能合約，pCLOB 提供了更高的靈活性和安全性，支持更復雜的交易策略和金融產品。通過利用並行 EVM 所提供的高性能和高並行處理能力，pCLOB 能夠在去中心化環境中實現類似傳統金融交易平臺的復雜和高效的交易功能。

然而，盡管並行 EVM 為區塊鏈性能帶來了顯著提升，現有的以太坊虛擬機（EVM）和智能合約的安全性仍存在不足，容易受到黑客攻擊。為了解決這些問題，作者建議採用雙虛擬機（dual VM）架構。在這種架構中，除了 EVM 之外，還引入一個獨立的虛擬機（如 CosmWasm），用於實時監控 EVM 智能合約的執行情況。這個獨立虛擬機的功能類似於操作系統中的殺毒軟件，能夠進行高級檢測和防護，從而減少黑客攻擊的風險。在未來，像 Arbitrum Stylus 和 Artela 這樣的新興解決方案被認為有望成功實現這種雙虛擬機架構。通過這種架構，這些新系統可以從一开始就更好地嵌入實時保護和其他關鍵的安全功能。

What will be the next step towards enhanced scalability while maintaining EVM compatibility?

作者：SevenX Ventures 研究員 Grace Deng，日期：2024.4.5

新的 Layer 1 如 Solana 和 Sui 通過使用全新的虛擬機（VM）和編程語言，並採用並行執行、新的共識機制和數據庫設計，從而提供了比傳統 Layer 2 和 Layer 1 更高的性能。然而，這些系統不兼容 EVM，導致流動性不足和用戶及开發者面臨更高的門檻。但像 BNB 和 AVAX 這樣的 EVM 兼容 Layer 1 區塊鏈，盡管在共識層面進行了改進，但執行引擎的修改較少，因此性能提升有限。

並行 EVM 可以在不犧牲 EVM 兼容性的前提下提升性能。例如，Sei V2 通過採用樂觀並發控制（OCC）和引入新的狀態樹（IAVL trie）來提高讀寫效率；Canto Cyclone 通過使用最新的 Cosmos SDK 和 ABCI 2.0 技術以及內存中的 IAVL 狀態樹來優化狀態管理系統；而 Monad 則提出了一個結合高吞吐量、去中心化和 EVM 兼容性的全新 Layer 1 方案，採用 OCC、新的並行訪問數據庫和基於 Hotstuff 的 MonadBFT 共識機制。

除此之外，還可以考慮將其他高性能虛擬機（AltVM）集成到以太坊生態系統中，特別是那些支持 Rust 开發的虛擬機，如 Solana 的 Sealevel 或 Near 的 WASM-based VM。這樣不僅可以解決 EVM 不兼容的弊端，還可以將 Rust 开發人員引入以太坊生態系統，提升整體性能和安全性，同時开拓新的技術可能性。

萬字解讀並行 EVM ：如何突破區塊鏈性能瓶頸？

作者：Gryphsis Academy，日期：2024.4.5

並行 EVM 主要是對執行層的性能優化。分為 Layer 1 解決方案和 Layer 2 解決方案兩種。Layer 1 的解決方案引入交易並行執行機制，讓交易在虛擬機中盡量並行執行。Layer 2 的解決方案本質上是利用已經並行化的 Layer 1 虛擬機實現某種程度上的鏈下執行 + 鏈上結算。未來，Layer 1 賽道可能形成並行 EVM 和並行非 EVM 的兩大陣營，Layer 2 賽道則會朝着區塊鏈虛擬機模擬器或模塊化區塊鏈的方向發展。

並行執行機制主要分為以下三類：

消息傳遞模型：每個執行者（actor）只能訪問自己的私有數據，需要訪問其他數據時通過消息傳遞。
共享內存模型：採用內存鎖來控制對共享資源的訪問，分為內存鎖模型和樂觀並行化。
嚴格狀態訪問列表：基於 UTXO 模型，提前計算每個交易要訪問的账戶地址，形成訪問列表。

不同項目在實現並行執行機制時採取了不同的策略：

Sei v2：由內存鎖模型轉向樂觀並行化模型，優化潛在的數據爭用。
Monad：引入超標量流水线技術和改進的樂觀並行機制，實現高達 10000 TPS 的性能。
Canto：採用 Cyclone EVM 引入樂觀並行化，並在去中心化金融基礎設施上進行創新。
Fuel：作為模塊化以太坊 rollup 操作系統，採用 UTXO 模型和樂觀並行化機制，提高交易吞吐量。
Neon、Eclipse 和 Lumio：通過整合多種 Layer 1 鏈的能力提供跨生態性能提升，採用雙虛擬機支持的策略。

雖然並行 EVM 提供了一種有效的解決方案，但同時也帶來了新的安全挑战。並行執行引入了多线程編程，增加了系統的復雜性。多线程編程容易出現競態條件、死鎖（dead lock）、活鎖（live lock）和飢餓（starvation）等問題，影響系統的穩定性和安全性。同時引入了新的安全隱患，如惡意交易可能利用系統的並行執行機制，制造數據不一致或發起競爭攻擊。