Interprétation en dix mille caractères du EVM parallèle : au-delà du séquentiel, comment surmonter les goulots d'étranglement de performance de la Blockchain ?

La performance est devenue un goulot d'étranglement pour le développement futur de l'industrie Blockchain. Les réseaux Blockchain créent une nouvelle base de confiance décentralisée pour les transactions entre individus et entreprises.

La première génération de réseaux Blockchain, représentée par le Bitcoin, a inauguré un nouveau modèle de transaction de monnaie électronique décentralisée grâce à la comptabilité distribuée, révolutionnant ainsi une nouvelle ère. La deuxième génération de réseaux Blockchain, représentée par Ethereum, exploite pleinement l'imagination en proposant de réaliser des applications décentralisées (dApp) par le biais de machines d'état distribuées.

Depuis lors, le réseau Blockchain a commencé sa propre histoire de développement rapide de plus d'une décennie, allant des infrastructures Web3 à divers secteurs représentés par le DeFi, les NFT, les réseaux sociaux et le GameFi, donnant naissance à d'innombrables innovations tant technologiques que commerciales. La prospérité de l'industrie nécessite d'attirer constamment de nouveaux utilisateurs pour participer à la construction de l'écosystème des applications décentralisées, ce qui, à son tour, impose des exigences plus élevées en matière d'expérience produit.

Web3, en tant que nouvelle forme de produit "sans précédent", doit non seulement innover pour satisfaire les besoins des utilisateurs (besoins fonctionnels), mais aussi réfléchir à la manière d'équilibrer la sécurité et la performance (besoins non fonctionnels). Depuis sa création, diverses solutions ont été proposées pour tenter de résoudre les problèmes de performance.

Ces solutions peuvent être essentiellement classées en deux catégories : d'une part, les solutions d'extension on-chain, comme le sharding et le DAG ; d'autre part, les solutions d'extension off-chain, comme Plasma, le Lightning Network, les sidechains et les Rollups. Mais cela ne suit de loin pas le rythme de la croissance rapide des transactions on-chain.

Surtout après avoir vécu l'été DeFi de 2020 et l'explosion continue des inscriptions dans l'écosystème Bitcoin à la fin de l'année 2023, l'industrie a un besoin urgent de nouvelles solutions d'amélioration des performances pour répondre aux exigences de "haute performance, faibles frais". Les blockchains parallèles sont nées dans ce contexte.

Aperçu de la narration EVM parallèle

La narration EVM parallèle marque la formation d'un paysage concurrentiel à deux forces dans le domaine des Blockchains parallèles. Le traitement des transactions par Ethereum est séquentiel, les transactions doivent être exécutées une après l'autre, ce qui entraîne une faible utilisation des ressources. Si la méthode de traitement séquentiel était remplacée par un traitement parallèle, cela entraînerait une amélioration massive des performances.

Les concurrents d'Ethereum tels que Solana, Aptos et Sui disposent tous de capacités de traitement parallèle et leur écosystème s'est bien développé, avec une capitalisation boursière respective des tokens atteignant 45 milliards, 3,3 milliards et 1,9 milliard de dollars. Ils forment le camp non EVM parallèle. Face à ce défi, l'écosystème d'Ethereum ne reste pas en reste et s'active pour donner de l'énergie à l'EVM, formant ainsi le camp EVM parallèle.

Une plateforme de trading a annoncé en grande pompe dans sa proposition de mise à niveau de la version v2 qu'elle deviendrait "la première Blockchain EVM parallèle", avec une capitalisation boursière actuelle de 2,1 milliards de dollars, et des perspectives de développement encore plus grandes. La nouvelle Blockchain publique EVM parallèle Monad, actuellement en tête des tendances marketing, est très prisée par les investisseurs, et son potentiel ne doit pas être sous-estimé. De plus, la Blockchain publique L1 Canto, avec une capitalisation boursière de 170 millions de dollars et des infrastructures publiques gratuites intégrées, a également annoncé sa proposition de mise à niveau EVM parallèle.

En outre, de nombreux projets L2 encore à un stade précoce améliorent les performances inter-écosystèmes en intégrant les capacités de plusieurs chaînes L1. En dehors de Neon, qui a atteint une capitalisation boursière en circulation de 69 millions de dollars, d'autres projets manquent encore de données pertinentes. On peut croire que davantage de projets L1 et L2 viendront rejoindre le champ de bataille des blockchains parallèles à l'avenir.

Non seulement le récit EVM parallèle a encore un grand potentiel de croissance sur le marché, mais le secteur des blockchains parallèles auquel appartient ce récit EVM parallèle a également un grand potentiel de croissance sur le marché, donc les perspectives de marché sont vastes.

La capitalisation boursière totale des L1 et L2 est actuellement de 7521,23 milliards de dollars, tandis que la capitalisation boursière des blockchains parallèles est de 525,39 milliards de dollars, représentant seulement environ 7 %. Parmi ceux-ci, la capitalisation boursière des projets liés à la narration EVM parallèle est de 23,39 milliards de dollars, ne représentant que 4 % de la capitalisation boursière des blockchains parallèles.

Classification des projets narratifs EVM parallèles

L'industrie divise généralement le réseau Blockchain en 4 couches.

1. Layer 0 (réseau) : Blockchain de couche inférieure, traitant les protocoles de communication réseau de base.
2. Couche 1 (Infrastructure) : Réseau décentralisé qui s'appuie sur divers mécanismes de consensus pour valider les transactions.
3. Layer 2 (extension) : dépendant de divers protocoles de deuxième couche de Layer 1, visant à résoudre diverses limitations de Layer 1, en particulier la scalabilité.
4. Layer 3 (application) : dépendant de Layer 2 ou Layer 1, utilisé pour construire diverses applications décentralisées (dApp)

Le projet narratif EVM parallèle est principalement divisé en blockchain monolithique et blockchain modulaire, la blockchain monolithique étant à son tour divisée en L1 et L2. D'après le nombre total de projets et le développement de plusieurs pistes principales, il est clair que l'écosystème des blockchains publiques L1 EVM parallèles a encore beaucoup d'espace pour se développer par rapport à l'écosystème Ethereum.

Le secteur DeFi a des exigences de "haute vitesse et faibles frais", tandis que le secteur des jeux recherche une "interactivité en temps réel renforcée". Les deux ont des exigences spécifiques en matière de vitesse d'exécution. Un EVM parallèle apportera nécessairement une meilleure expérience utilisateur à ces projets, propulsant le développement de l'industrie vers une nouvelle phase.

L1 est une nouvelle blockchain dotée de capacités d'exécution parallèle intégrées, servant d'infrastructure hautes performances. Dans cette catégorie L1, des projets tels que Sei v2, Monad et Canto conçoivent leur propre EVM parallèle, compatible avec l'écosystème Ethereum et offrant une capacité de traitement des transactions à haut débit.

L2, en intégrant les capacités d'autres chaînes L1, offre une capacité d'extension pour la coopération inter-écosystèmes, c'est l'évidence des rollups. Dans ce groupe L2, Neon est un simulateur EVM sur le réseau Solana, Eclipse utilise Solana pour exécuter des transactions mais fait le règlement sur EVM. Lumio est similaire à Eclipse, sauf qu'il remplace la couche d'exécution par Aptos.

En dehors des solutions de blockchain monolithiques mentionnées ci-dessus, Fuel a proposé sa propre approche de blockchain modulaire. Dans sa deuxième version, elle se positionnera comme un système d'exploitation rollup d'Ethereum, offrant une capacité d'exécution modulaire plus flexible et plus complète.

Fuel se concentre sur l'exécution des transactions, tout en externalisant le reste à une ou plusieurs chaînes de blocs indépendantes, permettant ainsi une combinaison plus flexible : pouvant devenir L2, L1, voire une chaîne latérale ou un canal d'état. Actuellement, l'écosystème Fuel compte 17 projets, principalement axés sur les domaines DeFi, NFT et infrastructure.

Cependant, seul l'oracle inter-chaînes Orally a été mis en application réelle. La plateforme de prêt décentralisée Swaylend et la plateforme de trading de contrats perpétuels SPARK ont été mises sur le testnet, d'autres projets sont encore en cours de développement.

Principe de la technologie EVM parallèle

Pour réaliser l'exécution des transactions décentralisées, le réseau Blockchain doit remplir 4 responsabilités :

• Exécution : Exécuter et vérifier les transactions
• Disponibilité des données : distribution de nouveaux blocs à tous les nœuds du réseau Blockchain
• Mécanisme de consensus : valider les Blocs, parvenir à un consensus
• Règlement : Règlement et enregistrement de l'état final de la transaction

L'EVM parallèle est principalement une optimisation des performances de la couche d'exécution. Cela se divise en deux solutions : une solution de réseau de couche 1 (L1) et une solution de réseau de couche 2 (L2). La solution L1 introduit un mécanisme d'exécution parallèle des transactions, permettant aux transactions d'être exécutées aussi parallèlement que possible dans la machine virtuelle. La solution L2 consiste essentiellement à utiliser la machine virtuelle L1 déjà parallélisée pour réaliser un certain degré de "exécution hors chaîne + règlement sur chaîne".

Pour comprendre les principes techniques de l'EVM parallèle, il faut d'abord décomposer le sujet : comprendre d'abord ce qu'est une machine virtuelle (virtual machine), puis comprendre ce qu'est l'exécution parallèle (parallel execution).

Machine virtuelle

Dans le domaine de l'informatique, une machine virtuelle fait référence à la virtualisation ou à l'émulation d'un système informatique.

Les machines virtuelles se divisent en deux types : l'une s'appelle machine virtuelle système (system virtual machine), qui peut virtualiser une machine physique en plusieurs machines, exécutant plusieurs systèmes d'exploitation, afin d'améliorer l'utilisation des ressources. L'autre s'appelle machine virtuelle de processus (process virtual machine), qui fournit une abstraction pour certains langages de programmation de haut niveau, permettant aux programmes informatiques écrits dans ce langage de s'exécuter de manière indépendante de la plateforme sur différentes plateformes.

JVM est une machine virtuelle de processus conçue pour le langage de programmation Java. Les programmes écrits en langage Java sont d'abord compilés en bytecode Java (un code binaire dans un état intermédiaire), le bytecode Java est interprété et exécuté par la JVM : la JVM envoie le bytecode à l'interpréteur, qui le traduit en code machine sur différentes machines, puis s'exécute sur la machine.

La machine virtuelle de la blockchain est un type de machine virtuelle de processus. Dans le contexte de la blockchain, la machine virtuelle fait référence à la virtualisation d'une machine d'état distribuée, utilisée pour exécuter des contrats de manière distribuée et faire fonctionner des dApps. À l'instar de la JVM, l'EVM est une machine virtuelle de processus conçue pour le langage Solidity, où les contrats intelligents sont d'abord compilés en bytecode opcode, puis interprétés et exécutés par l'EVM.

Les nouvelles blockchains émergentes, en dehors d'Ethereum, utilisent davantage des machines virtuelles basées sur le code binaire WASM ou eBPF lors de la mise en œuvre de leur propre machine virtuelle. WASM est un format de code binaire léger, rapide à charger, portable et basé sur un mécanisme de sécurité sandbox. Les développeurs peuvent utiliser divers langages de programmation (C, C++, Rust, Go, Python, Java, voire TypeScript) pour écrire des contrats intelligents, puis les compiler en code binaire WASM et les exécuter. Les contrats intelligents exécutés sur une blockchain particulière utilisent précisément ce format de code binaire.

eBPF est l'héritier de BPF (Berkeley Packet Filter, filtre de paquets Berkeley), qui était à l'origine utilisé pour le filtrage efficace des paquets de données réseau. Après évolution, il a donné naissance à eBPF, offrant un ensemble d'instructions plus riche.

C'est une technologie révolutionnaire qui permet d'intervenir dynamiquement sur le noyau du système d'exploitation et de modifier son comportement sans modifier le code source. Par la suite, cette technologie est sortie du noyau et a développé un runtime eBPF en mode utilisateur, qui offre des performances élevées, de la sécurité et de la portabilité. Les contrats intelligents exécutés sur Solana sont tous compilés en bytecode eBPF et s'exécutent sur son réseau Blockchain.

Dans d'autres blockchains L1, Aptos et Sui utilisent le langage de programmation de contrats intelligents Move, compilé en un bytecode spécifique exécuté sur la machine virtuelle Move. Monad a conçu sa propre machine virtuelle compatible avec le bytecode opcode EVM (fork Shanghai).

Mécanisme d'exécution parallèle

L'exécution parallèle est une technique de ce type :

1. Être capable de tirer parti des processeurs multicœurs pour traiter plusieurs tâches en même temps, augmentant ainsi le débit du système ;
2. S'assurer que le résultat de la transaction obtenue est identique à celui obtenu en exécutant les transactions en série dans l'ordre.

Le réseau Blockchain utilise couramment le TPS (nombre de transactions traitées par seconde) comme indicateur technique pour mesurer la vitesse de traitement. Le mécanisme d'exécution parallèle est relativement complexe et met également à l'épreuve le niveau technique des développeurs, et il n'est pas facile de l'expliquer clairement. Commençons par un exemple de "banque" pour expliquer ce qu'est l'exécution parallèle.

D'abord, qu'est-ce que l'exécution sérielle ?

Situation 1 : Si nous considérons le système comme une banque et le CPU traitant les tâches comme un guichet, alors l'exécution séquentielle des tâches est comparable à une banque ayant un seul guichet pour traiter les affaires. À ce moment-là, les clients (tâches) venant à la banque doivent faire la queue en file indienne pour effectuer leurs transactions. Pour chaque client, le personnel du guichet doit répéter les mêmes actions (exécuter des instructions) pour traiter les affaires du client. Tant que ce n'est pas leur tour, les clients doivent attendre, ce qui entraîne un allongement du temps de transaction.

Alors, qu'est-ce que l'exécution parallèle ?

Situation 2 : À ce moment-là, la banque voyant qu'il y a trop de monde, a ouvert plusieurs guichets pour traiter les opérations, avec 4 agents au guichet traitant les opérations en même temps, la vitesse est donc environ 4 fois plus rapide qu'auparavant, le temps d'attente des clients a donc été réduit à environ 1/4 du temps initial, la vitesse de traitement des opérations par la banque a donc augmenté.

Que se passe-t-il si deux personnes effectuent un transfert d'argent à une autre personne en même temps sans protection ?

Situation 3 : A, B et C, qui ont respectivement 2 ETH, 1 ETH et 0 ETH sur leurs comptes, maintenant A et B doivent chacun transférer 0,5 ETH à C. Dans un système d'exécution transactionnelle en série, il n'y aura aucun problème (la flèche gauche "\u003c=" représente la lecture du livre de comptes, la flèche droite "=\u003e" représente l'écriture dans le livre de comptes, et ainsi de suite) :

A.transfer(C, 0.5):

1. A <= 2
2. A => 1.5