EVM: El núcleo de Ethereum

EVM (máquina virtual de Ethereum) es el núcleo de Ethereum y es responsable de ejecutar contratos inteligentes y procesar transacciones.

Por lo general, una máquina virtual se usa para virtualizar una computadora real, generalmente mediante un "hipervisor" (como VirtualBox) o una instancia completa del sistema operativo (como KVM para Linux). Deben proporcionar respectivamente abstracciones de software del hardware real, las llamadas al sistema y otras funciones del kernel.

El EVM opera en un dominio más limitado: es simplemente un motor informático, por lo tanto, proporciona abstracciones para el cálculo y el almacenamiento, similar a la especificación de máquina virtual Java (JVM). Desde una perspectiva de alto nivel, la JVM está diseñada para proporcionar un entorno de tiempo de ejecución que es independiente del sistema operativo o hardware host subyacente, lo que permite la compatibilidad entre una variedad de sistemas. Del mismo modo, el EVM ejecuta su propio conjunto de instrucciones de bytecode, que normalmente son compiladas por Solidity.

EVM es una máquina de estado completa cuasi-Turing. Es "casi" porque todos los pasos de ejecución consumen un recurso limitado Gas, por lo que cualquier ejecución de contrato inteligente se limitará a un número limitado de pasos de cálculo, evitando posibles errores en el proceso de ejecución. Un bucle infinito, haciendo que toda la plataforma Ethereum se detenga.

EVM no tiene una función de programación. El módulo de ejecución de Ethereum saca las transacciones una por una del bloque, y EVM es responsable de ejecutarlas en secuencia. El último estado mundial se modificará durante el proceso de ejecución. Después de ejecutar una transacción, el estado se acumulará para alcanzar el último estado mundial después de que se complete el bloque. La ejecución del siguiente bloque depende estrictamente del estado mundial después de la ejecución del bloque anterior, por lo que el proceso de ejecución lineal de las transacciones de Ethereum no puede estar bien optimizado para la ejecución paralela.

En este sentido, la Ethereum protocolo estipula que las transacciones se ejecuten en secuencia. Si bien la ejecución secuencial asegura que las transacciones y los contratos inteligentes se puedan ejecutar en un orden determinista, garantizando la seguridad, puede provocar congestión de la red y latencia cuando se enfrenta a una alta carga. Esta es la razón por la que Ethereum tiene importantes cuellos de botella de rendimiento y requiere Layer2 Rollup para la expansión de la capacidad.

Paralelismo de capa 1 de alto rendimiento

La mayoría de las capas 1 de alto rendimiento diseñan sus propias soluciones de optimización basadas en la incapacidad de Ethereum para manejar el procesamiento paralelo. Aquí solo hablamos de la optimización de la capa de ejecución, es decir, máquinas virtuales y ejecución paralela.

Máquina virtual

El EVM está diseñado como una máquina virtual de 256 bits en orden para facilitar el procesamiento del algoritmo hash de Ethereum, y producirá explícitamente una salida de 256 bits. Sin embargo, la computadora que realmente ejecuta la EVM necesita asignar bytes de 256 bits a la estructura local para ejecutar el contrato inteligente, lo que hace que todo el sistema sea muy ineficiente y poco práctico. Por lo tanto, en términos de selección de máquinas virtuales, la capa 1 de alto rendimiento utiliza máquinas virtuales basadas en WASM, eBPF bytecode o Move bytecode en lugar de EVM.

WASM es un formato de código de bytes compacto, portátil y de carga rápida basado en un mecanismo de seguridad sandbox. Los desarrolladores pueden usar múltiples lenguajes de programación (C / C ++, Rust, Go, AssemblyScript, JavaScript, etc.) para escribir contratos inteligentes, luego compilarlos en código de bytes WASM y ejecutarlos. WASM ha sido aceptado como estándar por muchos proyectos de blockchain, incluidos EOS, Dfinity, Polkadot (Gear), Cosmos (CosmWasm), Near, etc. Ethereum también integrará WASM en el futuro para garantizar que la capa de ejecución de Ethereum sea más eficiente, simple y adecuada como una plataforma informática totalmente descentralizada.

eBPF, anteriormente conocido como BPF (Berkeley Packet Filter), se utilizó inicialmente para el filtrado eficiente de paquetes de datos de red. Después de la evolución, formó eBPF, proporcionando un conjunto de instrucciones más rico, permitiendo la intervención dinámica y la modificación del kernel del sistema operativo sin cambiar el código fuente. Más tarde, esta tecnología evolucionó desde el kernel para desarrollar un tiempo de ejecución eBPF en modo de usuario, que es de alto rendimiento, seguro y portátil. Todos los contratos inteligentes ejecutados en Solana se compilan en bytecode SBF (basado en eBPF) y se ejecutan en su red blockchain.

Move es un nuevo lenguaje de programación de contratos inteligentes diseñado por Diem, que se centra en la flexibilidad, la seguridad y la verificabilidad. El lenguaje Move tiene como objetivo resolver problemas de seguridad en activos y transacciones, haciendo que los activos y las transacciones estén estrictamente definidos y controlados. El verificador de bytecode de Move es una herramienta de análisis estático que analiza el bytecode de Move y determina si cumple con las reglas de seguridad de tipo, memoria y recursos requeridas, sin implementarlo a nivel de contrato inteligente y verificarlo en tiempo de ejecución. Aptos heredó Diem Move, mientras que Sui escribe sus contratos inteligentes a través de su propia versión personalizada de Sui Move.

Ejecución paralela

La ejecución paralela en blockchain significa procesar transacciones no relacionadas al mismo tiempo. Trate las transacciones no relacionadas como eventos que no se afectan entre sí. Por ejemplo, si dos personas intercambian tokens en diferentes exchanges, sus transacciones se pueden procesar simultáneamente. Sin embargo, si se negocian en la misma plataforma, es posible que las transacciones deban ejecutarse en un orden específico.

El principal desafío para lograr una ejecución paralela es determinar qué transacciones no están relacionadas y cuáles son independientes. La mayoría de las capas 1 de alto rendimiento se basan en dos enfoques: métodos de acceso de estado y modelos paralelos optimistas.

Los métodos de acceso al estado necesitan saber de antemano a qué parte del estado de la cadena de bloques puede acceder cada transacción, para analizar qué transacciones son independientes. Las soluciones representativas son Solana y Sui.

En Solana, los programas (contratos inteligentes) no tienen estado, ya que no pueden acceder (leer o escribir) a ningún estado persistente durante todo el proceso de transacción. Para acceder o mantener el estado, los programas deben usar cuentas. Cada transacción en Solana debe especificar a qué cuentas se accederá durante la ejecución de la transacción, por lo que el tiempo de ejecución de procesamiento de transacciones puede programar transacciones no superpuestas para la ejecución paralela, lo que garantiza la coherencia de los datos al mismo tiempo.

En Sui Move, cada contrato inteligente es un módulo, compuesto por definiciones de funciones y estructuras. Las estructuras se instancian en funciones y se pueden pasar a otros módulos a través de llamadas a funciones. Las instancias de estructura almacenadas en tiempo de ejecución actúan como objetos. Sui tiene tres tipos diferentes de objetos: objetos propietarios, objetos compartidos y objetos inmutables. La estrategia de paralelización de Sui es similar a la de Solana, ya que las transacciones también necesitan especificar qué objetos operar.

El modelo paralelo optimista opera bajo el supuesto de que todas las transacciones son independientes, verificando retrospectivamente este supuesto y haciendo ajustes cuando sea necesario. Una solución representativa es Aptos.

Aptos utiliza el método Bloquear-STM (Bloquear memoria transaccional de software) para aplicar la ejecución paralela optimista. En Bloquear-STM, las transacciones se establecen primero en un orden determinado dentro del bloque, y luego se dividen entre diferentes subprocesos de procesamiento para su ejecución simultánea. Mientras se procesan estas transacciones, el sistema realiza un seguimiento de las ubicaciones de memoria modificadas por cada transacción. Después de cada ronda de procesamiento, el sistema verifica todos los resultados de la transacción. Si encuentra que una transacción tocó una ubicación de memoria cambiada por una transacción anterior, borra su resultado y la vuelve a ejecutar. Este proceso continúa hasta que se hayan procesado todas las transacciones del bloque.

Parallel EVM

Parallel EVM se planteó por primera vez en 2021, en ese momento se refería a un EVM que admite el procesamiento de múltiples transacciones simultáneamente, con el objetivo de mejorar el rendimiento y la eficiencia de la EVM existente. Las soluciones representativas incluyen la EVM paralela de Polygon basada en Bloquear-STM y la EVM paralela desarrollada conjuntamente por BSC y NodeReal.

Sin embargo, a fines de 2023, Georgios Konstantopoulos, CTO de Paradigm, y Haseeb Qureshi de Dragonfly, casualmente mencionaron EVM paralelo mientras observaban las tendencias para 2024, encendiendo una ola de Layer1 compatibles con EVM que adoptaron tecnología de ejecución paralela, incluidos Monand y Sei V2.

Hoy en día, Neon, la solución EVM compatible en Solana, el Layer2 Rollup Eclipse de SVM (Solana Máquina virtual) de Ethereum, el Layer2 Rollup Lumio de Move Máquina virtual de Ethereum y la capa de ejecución modular Layer1 Fuel han sido etiquetados con EVM paralelos, lo que lo hace bastante confuso.

Creo que solo hay las siguientes tres categorías que pueden definirse razonablemente como EVM paralelas:

1. No hay una actualización de ejecución paralela de Layer1 compatible con EVM utilizando tecnología de ejecución paralela, como BSC, Polygon;
2. Layer1 compatible con EVM que utiliza tecnología de ejecución paralela, como Monand, Sei V2 y Artela;
3. Soluciones compatibles con EVM para la capa 1 no compatible con EVM que utilizan tecnología de ejecución paralela, como Solana Neon.

No hace falta decir que BSC y Polygon son la capa 1 compatible con EVM más convencional. Aquí hay una breve introducción a Monand, Sei V2, Artela y Solana Neon.

Monad es una capa 1 compatible con EVM de alto rendimiento que utiliza un mecanismo PoS, diseñado para mejorar significativamente la escalabilidad y la velocidad de las transacciones a través de la ejecución paralela. Monad Labs fue fundada por Keone Hon, ex jefe de investigación de Jump Trading. Las mónadas permiten que las transacciones se ejecuten en paralelo dentro de un bloque para aumentar la eficiencia. Utiliza un modelo de paralelismo optimista y comienza a ejecutar una nueva transacción antes de que se complete la ejecución del paso anterior. Para hacer frente a los resultados incorrectos, Monad realiza un seguimiento de la entrada/salida y vuelve a ejecutar las transacciones inconsistentes. Los analizadores de código estático pueden predecir dependencias, evitar el paralelismo ineficaz y volver al modo simple en tiempos de incertidumbre. Esta ejecución paralela aumenta el rendimiento a la vez que reduce la probabilidad de que se produzca un error en la transacción.

Sei es un Layer1 desarrollado en base al SDK de Cosmos, una cadena pública especialmente diseñada para DeFi. Los miembros del equipo de Sei tienen experiencia tanto en tecnología como en finanzas tradicionales, habiendo trabajado en empresas como Robinhood, Databricks, Airbnb y Goldman Sachs. Sei V2 es una actualización importante de la red Sei, con el objetivo de ser la primera EVM completamente paralela. Al igual que Monand, Sei V2 utilizará la paralelización optimista. Esto permite que la cadena de bloques ejecute transacciones simultáneamente sin que los desarrolladores definan ninguna dependencia. Cuando ocurren conflictos, la cadena de bloques rastrea las partes de almacenamiento tocadas de cada transacción y vuelve a ejecutar estas transacciones en orden. Este proceso continúa de forma recursiva hasta que se resuelven todos los conflictos no resueltos.

Artela es una red blockchain escalable que permite a los desarrolladores crear aplicaciones descentralizadas (dApps) ricas en funciones, con miembros principales de AntChain. El EVM++ de Artela representa una EVM paralela de alta escalabilidad + alto rendimiento. Se implementará en dos etapas, la primera de las cuales se centrará en la ejecución paralela. Basado en la ejecución paralela, a través de la computación elástica, garantiza que la potencia de cálculo del nodo de la red sea escalable, logrando finalmente un espacio de bloque elástico. Su ejecución paralela agrupará las transacciones de acuerdo con el análisis de conflictos de dependencia de transacciones para la ejecución paralela de soporte.

Solana Neon es una solución desarrollada por Neon Labs para ejecutar transacciones EVM en Solana. Neon EVM es en realidad un contrato inteligente en Solana, que implementa un intérprete EVM dentro del contrato, compilado en bytecode SBF. Neon EVM implementa internamente un conjunto de modelos de transacciones y modelos de cuentas de Ethereum, y los usuarios solo necesitan pagar tarifas de EVM GAS para enviar transacciones. Las tarifas de la red Solana son pagadas por Neon Proxy. Solana requiere que las transacciones proporcionen un cuenta lista de forma obligatoria, incluidas las transacciones envueltas, por lo que las responsabilidades de Neon Proxy incluyen la generación de este cuenta lista, y también obtiene la capacidad de ejecución paralela de transacciones de Solana.

Además, al igual que Solana Neon, otras soluciones que EVM ejecutan como un contrato inteligente para lograr EVM compatibilidad incluyen Near Aurora y EOS EVM+. Teóricamente, Aptos y Sui también podrían usar esta solución para lograr compatibilidad EVM no intrusiva, pero no he encontrado información relevante (¿tal vez Pontem está haciendo esto?). Si hay proyectos en curso, por favor póngase en contacto conmigo para complementar. La compatibilidad con EVM permite a los desarrolladores migrar fácilmente sus aplicaciones Ethereum a la cadena sin realizar modificaciones significativas, lo cual es una gran dirección para construir el ecosistema Aptos y Sui.

Conclusión

El tema de la tecnología paralela en blockchain ya es un tema común, con narrativas que resurgen de vez en cuando. Sin embargo, en la actualidad, el enfoque principal está en las modificaciones e imitaciones del modelo de ejecución optimista, representado por el mecanismo Bloquear-STM de Aptos. Sin embargo, sin avances sustanciales, el calor es difícil de sostener.

De cara al futuro, podemos esperar que más proyectos emergentes de capa 1 se unan a la carrera por las EVM paralelas. Además, algunos proyectos de capa 1 existentes pueden implementar actualizaciones paralelas de EVM o soluciones compatibles con EVM. Estos dos caminos conducen a un resultado similar, lo que podría generar más narrativas relacionadas con el rendimiento.

Sin embargo, en comparación con la narrativa de EVM de alto rendimiento, tengo más esperanzas de un panorama de blockchain diverso, donde surjan narrativas similares a WASM, SVM y Move VM.

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