Interpretação em mil caracteres do EVM paralelo: superando o serial, como quebrar o gargalo de desempenho do Blockchain?

O desempenho tornou-se um gargalo para o desenvolvimento adicional da indústria Blockchain. As redes Blockchain criaram uma nova base de confiança descentralizada para transações entre indivíduos e empresas.

A primeira geração de redes de blockchain, representada pelo Bitcoin, inaugurou um novo modelo de transação de moeda eletrônica descentralizada através da contabilidade distribuída, revolucionando assim uma nova era. A segunda geração de redes de blockchain, representada pelo Ethereum, aproveitou a imaginação ao propor a realização de aplicações descentralizadas (dApp) através de máquinas de estado distribuídas.

Desde então, a rede Blockchain iniciou sua própria história de desenvolvimento acelerado ao longo de mais de uma década, desde a infraestrutura Web3 até várias verticais representadas por DeFi, NFT, redes sociais e GameFi, surgindo inúmeras inovações tanto tecnológicas quanto de modelos de negócios. O florescimento da indústria requer a contínua atração de novos usuários para participar da construção do ecossistema de aplicações descentralizadas, o que, por sua vez, impõe exigências mais altas à experiência do produto.

E o Web3, como uma nova forma de produto "sem precedentes", não só deve inovar na satisfação das necessidades dos usuários (necessidades funcionais), mas também considerar como equilibrar a segurança e o desempenho (necessidades não funcionais). Desde o seu nascimento, foram propostas várias soluções para tentar resolver os problemas de desempenho.

Essas soluções podem ser amplamente divididas em duas categorias: uma é a solução de escalabilidade em cadeia, como sharding e gráfico acíclico direcionado (DAG); a outra é a solução de escalabilidade fora da cadeia, como Plasma, Lightning Network, sidechains e Rollups. No entanto, isso ainda está muito aquém do rápido crescimento das transações em cadeia.

Especialmente após a DeFi Summer de 2020 e a contínua explosão dos inscritos no ecossistema Bitcoin no final de 2023, a indústria precisa urgentemente de novas soluções de aumento de desempenho para atender aos requisitos de "alto desempenho, baixas taxas". Os blocos paralelos nasceram nesse contexto.

Visão Geral da Narrativa EVM Paralela

A narrativa do EVM paralelo marca a formação de um cenário competitivo de duas forças no campo das blockchains paralelas. O processamento de transações na Ethereum é sequencial, as transações devem ser executadas uma após a outra, resultando em uma baixa utilização de recursos. Se a forma de processamento sequencial for alterada para processamento paralelo, isso trará um enorme aumento de desempenho.

Concorrentes do Ethereum como Solana, Aptos e Sui possuem capacidade de processamento paralelo integrada e seus ecossistemas estão se desenvolvendo muito bem, com a capitalização de mercado dos tokens atingindo 45 bilhões, 3,3 bilhões e 1,9 bilhões de dólares, respectivamente, formando o grupo paralelo não EVM. Diante do desafio, o ecossistema Ethereum também não fica atrás, levantando-se para capacitar a EVM, formando assim o grupo paralelo EVM.

Uma plataforma de negociação anunciou de forma destacada na sua proposta de atualização da versão v2 que se tornará a "primeira Blockchain EVM paralela", com uma capitalização de mercado atual de 2,1 bilhões de dólares e prevê-se um desenvolvimento ainda maior. A nova Blockchain pública EVM paralela Monad, que está em alta no marketing, é muito valorizada pelo capital, e seu potencial não deve ser subestimado. A Blockchain pública L1 Canto, com uma capitalização de mercado de 170 milhões de dólares e infraestrutura pública gratuita incluída, também anunciou sua proposta de atualização para EVM paralela.

Além disso, vários projetos L2 que ainda estão em estágios iniciais também estão oferecendo melhorias de desempenho interecossistêmicas através da integração das capacidades de várias cadeias L1. Além do Neon, que alcançou um valor de mercado circulante de 69 milhões de dólares, outros projetos ainda carecem de dados relevantes. Acredita-se que mais projetos L1 e L2 irão se juntar à batalha de blockchains paralelas no futuro.

Não só a narrativa EVM paralela tem um grande espaço de crescimento no mercado, como também o setor de blockchains paralelos, ao qual pertence a narrativa EVM paralela, ainda tem um grande espaço de crescimento no mercado, portanto, as perspectivas do mercado são amplas.

Atualmente, o valor de mercado total em circulação do L1 e L2 é de 7521,23 bilhões de dólares, e o valor de mercado em circulação das Blockchains paralelas é de 525,39 bilhões de dólares, representando apenas cerca de 7%. Dentre estes, o valor de mercado em circulação dos projetos relacionados à narrativa EVM paralela é de 23,39 bilhões de dólares, representando apenas 4% do valor de mercado em circulação das Blockchains paralelas.

Classificação de Projetos Narrativos EVM Paralelos

A indústria geralmente classifica as redes Blockchain em 4 camadas de estrutura:

1. Layer 0 (Rede): Blockchain de camada base, que processa protocolos de comunicação de rede básicos.
2. Camada 1 (Infraestrutura): Rede descentralizada que depende de vários mecanismos de consenso para validar transações
3. Layer 2 (Escalonamento): depende de vários protocolos de segunda camada do Layer 1, visando resolver várias limitações do Layer 1, especialmente a escalabilidade.
4. Layer 3 (Aplicação): Dependente do Layer 2 ou Layer 1, usado para construir várias aplicações descentralizadas (dApp)

Os projetos de narrativa EVM paralela dividem-se principalmente em blockchain monolítica e blockchain modular, com a blockchain monolítica subdividida em L1 e L2. A partir do número total de projetos e do desenvolvimento de alguns trilhos principais, pode-se observar que os ecossistemas das blockchain públicas L1 EVM paralelas ainda apresentam um grande espaço para desenvolvimento em comparação com o ecossistema Ethereum.

O setor DeFi tem a demanda por "alta velocidade e baixas taxas", enquanto o setor de jogos tem a demanda por "forte interação em tempo real". Ambos têm certos requisitos em relação à velocidade de execução. O EVM paralelo certamente proporcionará uma melhor experiência ao usuário para esses projetos, impulsionando o desenvolvimento da indústria para uma nova fase.

L1 é uma nova blockchain com capacidade de execução paralela, sendo uma infraestrutura de alto desempenho. Dentro deste grupo L1, projetos como Sei v2, Monad e Canto projetam autonomamente EVMs paralelas, compatíveis com o ecossistema Ethereum e oferecem alta capacidade de processamento de transações.

O L2, ao integrar as capacidades de outras cadeias L1, oferece a capacidade de escalabilidade para a cooperação entre ecossistemas, sendo uma área de destaque em rollups. Dentro deste grupo L2, o Neon é um simulador EVM na rede Solana, enquanto o Eclipse utiliza Solana para executar transações, mas realiza a liquidação na EVM. O Lumio é semelhante ao Eclipse, apenas alterando a camada de execução para Aptos.

Além das soluções de blockchain monolíticas mencionadas acima, a Fuel propôs a sua própria abordagem de blockchain modular. Na segunda versão, irá posicionar-se como um sistema operativo rollup para Ethereum, oferecendo capacidades de execução modular mais flexíveis e abrangentes.

Fuel foca na execução de transações, enquanto terceiriza o restante para uma ou mais blockchains de camadas independentes, permitindo uma combinação mais flexível: pode ser tanto L2 como L1, ou mesmo sidechain ou canais de estado. Atualmente, o ecossistema Fuel possui 17 projetos, principalmente concentrados em DeFi, NFT e infraestrutura.

No entanto, apenas o oráculo cross-chain Orally já foi implementado na prática. A plataforma de empréstimos descentralizados Swaylend e a plataforma de negociação de contratos perpétuos SPARK entraram na rede de testes, enquanto outros projetos ainda estão em desenvolvimento.

Princípios da tecnologia EVM paralela

Para realizar a execução de transações descentralizadas, a rede Blockchain deve cumprir 4 responsabilidades:

• Executar: Executar e validar transações
• Disponibilidade de dados: distribuição de novos blocos para todos os nós da rede de blockchain
• Mecanismo de consenso: validar blocos, alcançar consenso
• Liquidação: Liquidar e registar o estado final da transação

A EVM paralela é principalmente uma otimização de desempenho da camada de execução. Isso se divide em soluções de rede de camada um (L1) e soluções de rede de camada dois (L2). As soluções L1 introduzem um mecanismo de execução paralela de transações, permitindo que as transações sejam executadas de forma paralela na máquina virtual. As soluções L2 são essencialmente a utilização da máquina virtual L1 já paralelizada para implementar uma certa medida de "execução fora da cadeia + liquidação na cadeia".

Portanto, para entender os princípios técnicos do EVM paralelo, é necessário desmembrá-lo: primeiro entender o que é uma máquina virtual (virtual machine) e depois entender o que é a execução paralela (parallel execution).

Máquina Virtual

Na ciência da computação, uma máquina virtual refere-se à virtualização ou emulação de um sistema de computador.

As máquinas virtuais dividem-se em duas categorias: uma chamada máquina virtual de sistema (system virtual machine), que pode virtualizar uma máquina física em várias máquinas, executando vários sistemas operativos, aumentando assim a utilização dos recursos. A outra é chamada máquina virtual de processo (process virtual machine), que fornece uma abstração para certas linguagens de programação de alto nível, permitindo que os programas de computador escritos nessa linguagem sejam executados de forma independente da plataforma em diferentes plataformas.

JVM é uma máquina virtual de processos projetada para a linguagem de programação Java. Os programas escritos em Java são primeiro compilados em bytecode Java (um tipo de código binário em um estado intermediário), e o bytecode Java é interpretado e executado pelo JVM: o JVM envia o bytecode ao interpretador, que o traduz em código de máquina para diferentes máquinas e, em seguida, é executado na máquina.

A máquina virtual de blockchain é um tipo de máquina virtual de processo. No contexto da blockchain, a máquina virtual refere-se à virtualização de uma máquina de estado distribuída, usada para executar contratos de forma distribuída e rodar dApps. Fazendo uma analogia com a JVM, a EVM é uma máquina virtual de processo projetada para a linguagem Solidity, onde os contratos inteligentes são primeiramente compilados em bytecode opcode e depois interpretados e executados pela EVM.

As novas blockchains emergentes além do Ethereum, ao implementar suas próprias máquinas virtuais, adotam mais frequentemente máquinas virtuais baseadas em bytecode WASM ou eBPF. WASM é um formato de bytecode pequeno, rápido de carregar, portátil e baseado em um mecanismo de segurança em sandbox, permitindo que os desenvolvedores escrevam contratos inteligentes em várias linguagens de programação (C, C++, Rust, Go, Python, Java e até TypeScript, entre outras) e depois compilem para bytecode WASM para execução. Um contrato inteligente executado em uma blockchain foi precisamente desenvolvido usando este formato de bytecode.

eBPF é a evolução do BPF (Berkeley Packet Filter, Filtro de Pacotes de Berkeley), que originalmente era usado para filtragem eficiente de pacotes de dados de rede, e depois evoluiu para eBPF, oferecendo um conjunto de instruções mais rico.

É uma tecnologia revolucionária que permite a intervenção dinâmica e a modificação do comportamento do núcleo do sistema operacional sem alterar o código fonte. Posteriormente, essa tecnologia saiu do núcleo e desenvolveu um runtime eBPF em espaço de usuário, que possui alto desempenho, segurança e portabilidade. Os contratos inteligentes executados na Solana são compilados em bytecode eBPF e executados na sua rede Blockchain.

Em outras blockchains L1, Aptos e Sui utilizam a linguagem de programação de contratos inteligentes Move, compilando para um bytecode exclusivo que é executado na máquina virtual Move. A Monad projetou sua própria máquina virtual compatível com o bytecode opcode EVM (fork de Shanghai).

Mecanismo de Execução Paralela

A execução paralela é uma técnica assim:

1. Ser capaz de tirar partido das vantagens de processadores multinúcleo para processar múltiplas tarefas ao mesmo tempo, aumentando a capacidade de processamento do sistema;
2. Certifique-se de que o resultado da transação obtido é exatamente o mesmo que se as transações fossem executadas em série na ordem.

A rede de Blockchain utiliza frequentemente o TPS (transações processadas por segundo) como um indicador técnico para medir a velocidade de processamento. O mecanismo de execução paralela é bastante complexo e também coloca à prova o nível técnico dos desenvolvedores, sendo difícil de explicar claramente. Abaixo, começamos com um exemplo de um "banco" para explicar o que é execução paralela.

Primeiro, o que é execução em série?

Situação 1: Se considerarmos o sistema como um banco e a CPU que processa as tarefas como um balcão, então a execução serial das tarefas é como se este banco tivesse apenas um balcão a atender os clientes. Neste caso, os clientes (tarefas) que vêm ao banco para realizar negócios só podem formar uma longa fila e serem atendidos um a um. Para cada cliente, os funcionários do balcão têm de repetir as mesmas ações (executar instruções) para atender ao cliente. Enquanto não chega a sua vez, o cliente só pode esperar, o que resulta na extensão do tempo de transação.

Então, o que é execução paralela?

Situação 2: Neste momento, o banco, vendo que estava cheio, abriu mais alguns balcões para atender os clientes, com 4 atendentes trabalhando simultaneamente. A velocidade do atendimento aumentou cerca de 4 vezes em comparação com antes, assim, o tempo de espera dos clientes também foi reduzido para aproximadamente 1/4 do que era antes, melhorando a eficiência do banco.

Se não houver proteção, o que pode acontecer de errado se duas pessoas tentarem transferir dinheiro para outra pessoa ao mesmo tempo?

Situação 3: A, B e C são três pessoas, cujas contas têm 2 ETH, 1 ETH e 0 ETH, respectivamente. Agora A e B querem transferir 0,5 ETH para C. Em um sistema de execução de transações em série, não haverá problemas (a seta à esquerda "\u003c=" representa a leitura do livro-razão, a seta à direita "=\u003e" representa a escrita no livro-razão, e assim por diante):

A.transfer(C, 0.5):

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