EVM: O núcleo de Ethereum

EVM (Máquina Virtual Ethereum) é o núcleo do Ethereum e é responsável pela execução de contratos inteligentes e processamento de transações.

Uma máquina virtual é normalmente usada para virtualizar um computador real, normalmente por um "hipervisor" (como o VirtualBox) ou uma instância inteira do sistema operacional (como o KVM para Linux). Eles devem, respectivamente, fornecer abstrações de software do hardware real, chamadas do sistema e outras funções do kernel.

O EVM opera em um domínio mais limitado: é meramente um mecanismo de computação, portanto, fornece abstrações para computação e armazenamento, semelhante à especificação Java Máquina virtual (JVM). De uma perspectiva de alto nível, a JVM foi projetada para fornecer um ambiente de tempo de execução independente do sistema operacional ou hardware do host subjacente, permitindo assim a compatibilidade entre uma variedade de sistemas. Da mesma forma, o EVM executa seu próprio conjunto de instruções bytecódigo, que normalmente são compiladas pelo Solidity.

EVM é uma máquina de estados completa quase Turing. É "quase" porque todas as etapas de execução consomem um recurso limitado de gás, então qualquer execução de contrato inteligente será limitada a um número limitado de etapas de cálculo, evitando possíveis erros no processo de execução. Um loop infinito, fazendo com que toda a plataforma Ethereum pare.

EVM não tem uma função de agendamento. O módulo de execução do Ethereum retira as transações uma a uma do bloco, e EVM é responsável por executá-las em sequência. O estado mundial mais recente será modificado durante o processo de execução. Depois que uma transação é executada, o estado será acumulado para atingir o estado mundial mais recente após a conclusão do bloco. A execução do próximo bloco depende estritamente do estado mundial após a execução do bloco anterior, de modo que o processo de execução linear das transações de Ethereum não pode ser bem otimizado para execução paralela.

Nesse sentido, o Ethereum protocolo estipula que as transações sejam executadas em sequência. Embora a execução sequencial garanta que as transações e contratos inteligentes possam ser executadas de forma determinística ordem, garantindo a segurança, ela pode levar a Congestionamento de rede e latência quando confrontada com cargas elevadas. É por isso que Ethereum tem gargalos de desempenho significativos e requer o Layer2 Rollup para expansão de capacidade.

Paralelismo de camada de alto desempenho1

A maioria dos Layer 1 de alto desempenho projeta suas próprias soluções de otimização com base na incapacidade do Ethereum de lidar com processamento paralelo. Aqui falamos apenas da otimização da camada de execução, ou seja, máquinas virtuais e execução paralela.

Máquina virtual

O EVM foi projetado como uma máquina virtual de 256 bits no ordem para facilitar o processamento do algoritmo de hash do Ethereum e produzirá explicitamente a saída de 256 bits. No entanto, o computador que realmente executa o EVM precisa mapear bytes de 256 bits para a estrutura local para executar o contrato inteligente, tornando todo o sistema muito ineficiente e impraticável. Portanto, em termos de seleção de máquina virtual, a Camada 1 de alto desempenho usa máquinas virtuais baseadas em WASM, eBPF bytecódigo ou Move bytecódigo em vez de EVM.

O WASM é um formato de código de byte compacto, de carregamento rápido e portátil baseado em um mecanismo de segurança de área restrita. Os desenvolvedores podem usar várias linguagens de programação (C/C++, Rust, Go, AssemblyScript, JavaScript, etc.) para escrever contratos inteligentes, compilá-las em código de bytes WASM e executá-las. O WASM foi aceito como padrão por muitos projetos de blockchain, incluindo EOS, Dfinity, Polkadot (Gear), Cosmos (CosmWasm), Near, etc. Ethereum também integrará o WASM no futuro para garantir que a camada de execução do Ethereum seja mais eficiente, simples e adequada como uma plataforma de computação totalmente descentralizada.

O eBPF, anteriormente conhecido como BPF (Berkeley Packet Filter), foi inicialmente usado para filtragem eficiente de pacotes de dados de rede. Após a evolução, formou-se o eBPF, fornecendo um conjunto de instruções mais rico, permitindo a intervenção dinâmica e modificação do kernel do sistema operacional sem alterar o código-fonte. Mais tarde, essa tecnologia evoluiu do kernel para desenvolver um tempo de execução eBPF em modo de usuário, que é de alto desempenho, seguro e portátil. Todos os contratos inteligentes executados em Solana são compilados em SBF (baseado em eBPF) bytecódigo e executados em sua rede blockchain.

Move é uma nova linguagem de programação de contrato inteligente projetada pela Diem, com foco em flexibilidade, segurança e verificabilidade. A linguagem Move tem como objetivo resolver questões de segurança em ativos e transações, tornando os ativos e transações estritamente definidos e controlados. O verificador de bytecódigo do Move é uma ferramenta de análise estática que analisa o Move bytecódigo e determina se ele está em conformidade com as regras de segurança de tipo, memória e recursos necessários, sem implementar no nível de contrato inteligente e verificar em tempo de execução. Aptos herdou Diem Move, enquanto Sui escreve seu contratos inteligentes através de sua própria versão personalizada de Sui Move.

Execução paralela

A execução paralela em blockchain significa processar transações não relacionadas ao mesmo tempo. Trate transações não relacionadas como eventos que não afetam uns aos outros. Por exemplo, se duas pessoas negociam tokens em exchanges diferentes, suas transações podem ser processadas simultaneamente. No entanto, se forem negociadas na mesma plataforma, as transações podem precisar ser executadas em um ordem específico.

O principal desafio na execução paralela é determinar quais transações não estão relacionadas e quais são independentes. A maioria dos Layer1 de alto desempenho depende de duas abordagens: métodos de acesso de estado e modelos paralelos otimistas.

Os métodos de acesso ao estado precisam saber com antecedência qual parte do estado do blockchain cada transação pode acessar, de modo a analisar quais transações são independentes. Soluções representativas são Solana e Sui.

Além Solana, os programas (contratos inteligentes) são sem monitoração de estado, pois não podem acessar (ler ou gravar) qualquer estado persistente durante todo o processo de transação. Para acessar ou manter o estado, os programas precisam usar contas. Cada transação em Solana deve especificar quais contas serão acessadas durante a execução da transação, para que o tempo de execução de processamento de transações possa agendar transações não sobrepostas para execução paralela, garantindo a consistência dos dados ao mesmo tempo.

No Sui Move, cada contrato inteligente é um módulo, composto por definições de função e estrutura. As estruturas são instanciadas em funções e podem ser passadas para outros módulos através de chamadas de função. As instâncias de estrutura armazenada em tempo de execução atuam como objetos. Sui tem três tipos diferentes de objetos: objetos proprietários, objetos compartilhados e objetos imutáveis. A estratégia de paralelização de Sui é semelhante à de Solana, já que as transações também precisam especificar quais objetos operar.

O modelo paralelo otimista opera sob o pressuposto de que todas as transações são independentes, verificando retrospectivamente essa suposição e fazendo ajustes quando necessário. Uma solução representativa é o Aptos.

O Aptos usa o método Bloquear-STM (Bloquear Software Transactional Memory) para aplicar a execução paralela otimista. No Bloquear-STM, as transações são primeiro definidas em um determinado ordem dentro do bloco e, em seguida, divididas entre diferentes threads de processamento para execução simultânea. Ao processar essas transações, o sistema rastreia os locais de memória alterados por cada transação. Após cada rodada de processamento, o sistema verifica todos os resultados da transação. Se ele descobrir que uma transação tocou um local de memória alterado por uma transação anterior, ele apaga seu resultado e o executa novamente. Esse processo continua até que todas as transações no bloco tenham sido processadas.

Parallel EVM

O EVM paralelo foi trazido pela primeira vez em 2021, na época se referia a um EVM que suporta o processamento de várias transações simultaneamente, visando melhorar o desempenho e a eficiência dos EVM existentes. Soluções representativas incluem o EVM paralelo da Polygon baseado em Bloquear-STM e o EVM paralelo desenvolvido em conjunto pela BSC e NodeReal.

No entanto, no final de 2023, Georgios Konstantopoulos, CTO da Paradigm, e Haseeb Qureshi da Dragonfly, coincidentemente mencionaram EVM paralelos enquanto analisavam as tendências para 2024, iniciando uma onda de Layer1s compatíveis com EVM que adotaram tecnologia de execução paralela, incluindo Monand e Sei V2.

Hoje em dia, o Neon, a solução EVM compatível no Solana, o Layer2 Rollup Eclipse do SVM da Ethereum (Solana Máquina virtual), o Layer2 Rollup Lumio do Ethereum's Move Máquina virtual e a camada de execução modular Layer1 Fuel foram todos marcados com EVM paralelos, tornando-o bastante confuso.

Acho que existem apenas as três categorias a seguir que podem ser razoavelmente definidas como paralelas EVM:

1. Não há atualização de execução paralela de Layer1 compatível com EVM usando tecnologia de execução paralela, como BSC, Polygon;
2. Layer1 compatível com EVM usando tecnologia de execução paralela, como Monand, Sei V2 e Artela;
3. Soluções compatíveis com EVM para a Camada 1 não compatível com EVM que usam tecnologia de execução paralela, como Solana Neon.

Escusado será dizer que BSC e Polygon são os Layer 1 mais compatíveis com EVM. Aqui está uma breve introdução a Monand, Sei V2, Artela e Solana Neon.

O Monad é um Layer 1 compatível com EVM de alto desempenho usando um mecanismo de PoS, projetado para melhorar significativamente a escalabilidade e a velocidade de transação por meio da execução paralela. A Monad Labs foi fundada por Keone Hon, ex-chefe de pesquisa da Jump Trading. As mônadas permitem que as transações sejam executadas em paralelo dentro de um bloco para aumentar a eficiência. Ele usa um modelo de paralelismo otimista e começa a executar uma nova transação antes que a execução da etapa anterior seja concluída. Para lidar com resultados incorretos, a Monad rastreia entrada/saída e executa novamente transações inconsistentes. Os analisadores de código estáticos podem prever dependências, evitar paralelismo ineficaz e reverter para o modo simples em tempos de incerteza. Essa execução paralela aumenta a taxa de transferência e, ao mesmo tempo, reduz a probabilidade de falha da transação.

Sei é um Layer1 desenvolvido com base no SDK do Cosmos, uma cadeia pública especialmente projetada para DeFi. Os membros da equipe da Sei têm experiência em tecnologia e finanças tradicionais, tendo trabalhado em empresas como Robinhood, Databricks, Airbnb e Goldman Sachs. O Sei V2 é uma grande atualização para a rede Sei, com o objetivo de ser o primeiro EVM totalmente paralelo. Assim como Monand, o Sei V2 usará paralelização otimista. Isso permite que o blockchain execute transações simultaneamente sem que os desenvolvedores definam dependências. Quando ocorrem conflitos, o blockchain rastreia as partes de armazenamento tocadas de cada transação e reexecuta essas transações em ordem. Esse processo continua recursivamente até que todos os conflitos não resolvidos sejam resolvidos.

Artela é uma rede blockchain escalável que permite aos desenvolvedores construir aplicativos descentralizados ricos em recursos (dApps), com membros principais da AntChain. O EVM++ da Artela representa uma EVM paralela de alta escalabilidade + alto desempenho. Ele será implementado em duas etapas, sendo que a primeira delas terá como foco a execução paralela. Baseado na execução paralela, por meio da computação elástica, ele garante que o poder de computação do nó da rede seja escalável, eventualmente alcançando espaço de bloco elástico. Sua execução paralela agrupará transações de acordo com a análise de conflito de dependência de transação para apoiar execução paralela.

Solana Neon é uma solução desenvolvida pela Neon Labs para executar transações EVM em Solana. O Neon EVM é, na verdade, um contrato inteligente em Solana, que implementa um intérprete de EVM dentro do contrato, compilado em bytecódigo SBF. A Neon EVM implementa internamente um conjunto de modelos de transação de Ethereum e modelos de conta, e os usuários só precisam pagar taxas EVM GAS para enviar transações. As taxas da rede Solana são pagas pelo Neon Proxy. Solana exige que as transações forneçam um conta lista obrigatoriamente, incluindo transações encapsuladas, de modo que as responsabilidades do Proxy Neon incluem a geração desse conta lista, e também ganha a capacidade de execução paralela de transações do Solana.

Além disso, semelhante ao Solana Neon, outras soluções que funcionam EVM como um contrato inteligente para alcançar EVM compatibilidade incluem Near Aurora e EOS EVM+. Teoricamente, Aptos e Sui também poderiam usar essa solução para obter compatibilidade de EVM não intrusiva, mas não encontrei informações relevantes (talvez Pontem esteja fazendo isso?). Se houver projetos em andamento, entre em contato comigo para suplementação. EVM compatibilidade permite que os desenvolvedores migrem facilmente seus aplicativos Ethereum para a cadeia sem fazer modificações significativas, o que é uma ótima direção para a construção do ecossistema Aptos e Sui.

Conclusão

O tema da tecnologia paralela em blockchain já é um tópico comum, com narrativas ressurgindo de tempos em tempos. No entanto, atualmente, o foco principal está nas modificações e imitações do modelo de execução otimista, representado pelo mecanismo Bloquear-STM de Aptos. No entanto, sem avanços substanciais, o calor é difícil de sustentar.

Olhando para o futuro, podemos esperar que mais projetos emergentes da Layer1 se juntem à corrida por EVMs paralelos. Além disso, alguns projetos Layer1 existentes podem implementar EVM atualizações paralelas ou soluções compatíveis com EVM. Esses dois caminhos levam a um resultado semelhante, potencialmente gerando mais narrativas relacionadas à performance.

No entanto, em comparação com a narrativa de EVM de alto desempenho, estou mais esperançoso para um cenário de blockchain diversificado, onde narrativas semelhantes a WASM, SVM e Move VM emergem.

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