EVM：Ethereum的核心

EVM (Ethereum Virtual Machine) là cốt lõi của Ethereum, chịu trách nhiệm thực thi hợp đồng thông minh và xử lý giao dịch.

Máy ảo thường được sử dụng để ảo hóa các máy tính thực, được ảo hóa bởi trình quản lý máy ảo hoặc một phiên bản hệ điều hành hoàn chỉnh. Chúng phải cung cấp sự trừu tượng phần mềm cho phần cứng thực tế, các cuộc gọi hệ thống và các chức năng khác của nhân.

EVM hoạt động trong một lĩnh vực hạn chế hơn: nó chỉ là một động cơ tính toán, cung cấp sự trừu tượng về tính toán và lưu trữ, tương tự như quy định của Java Virtual Machine (JVM). Từ góc độ cao, JVM được thiết kế để cung cấp một môi trường thực thi không phụ thuộc vào hệ điều hành hoặc phần cứng chủ, nhằm đạt được tính tương thích giữa các hệ thống. Tương tự, EVM thực thi tập hợp lệnh bytecode riêng của nó, thường được biên dịch từ Solidity.

EVM là một trạng thái máy gần đủ Turing, "gần" là vì tất cả các bước thực thi đều tiêu tốn tài nguyên Gas có giới hạn, do đó việc thực thi hợp đồng thông minh nào đó sẽ bị giới hạn trong một số bước tính toán hữu hạn, tránh được khả năng xảy ra vòng lặp vô hạn trong quá trình thực thi, từ đó ngăn chặn tình huống toàn bộ nền tảng Ethereum bị dừng lại.

EVM không có chức năng lập lịch, mô-đun thực thi của Ethereum lấy giao dịch từ khối, EVM chịu trách nhiệm thực thi lần lượt. Trong quá trình thực thi sẽ sửa đổi trạng thái thế giới mới nhất, sau khi một giao dịch hoàn thành sẽ thực hiện cộng dồn trạng thái, đạt được trạng thái thế giới mới nhất sau khi hoàn thành khối. Việc thực thi của khối tiếp theo lại phụ thuộc chặt chẽ vào trạng thái thế giới sau khi thực thi khối trước, vì vậy quá trình thực thi giao dịch của Ethereum không thể tối ưu hóa hiệu suất thực thi song song tốt.

Trong ý nghĩa này, giao thức Ethereum quy định rằng các giao dịch được thực hiện theo thứ tự. Mặc dù việc thực hiện theo thứ tự đảm bảo rằng các giao dịch và hợp đồng thông minh có thể được thực hiện theo thứ tự xác định, bảo đảm an toàn, nhưng khi đối mặt với tải cao, điều này có thể dẫn đến tắc nghẽn mạng và độ trễ, đó cũng là lý do tại sao Ethereum có những nút thắt về hiệu suất lớn, cần mở rộng bằng Layer2 Rollup.

Con đường song song của Layer1 hiệu suất cao

Hầu hết các Layer 1 hiệu suất cao đều dựa trên khuyết điểm không thể xử lý song song của Ethereum để thiết kế giải pháp tối ưu hóa của riêng họ, ở đây chỉ bàn về tối ưu hóa của lớp thực thi, tức là máy ảo và thực thi song song.

Máy ảo

EVM được thiết kế thành một máy ảo 256 bit, với mục đích dễ dàng xử lý thuật toán băm của Ethereum, nó sẽ tạo ra đầu ra rõ ràng 256 bit. Tuy nhiên, máy tính thực thi EVM cần ánh xạ các byte 256 bit đến kiến trúc cục bộ để thực hiện hợp đồng thông minh, do đó làm cho toàn bộ hệ thống trở nên rất kém hiệu quả và không thực tiễn. Vì vậy, trong việc lựa chọn máy ảo, các Layer1 hiệu suất cao thường sử dụng máy ảo dựa trên WASM, mã byte eBPF hoặc mã byte Move, thay vì EVM.

WASM là một định dạng bytecode nhỏ gọn, tải nhanh, có thể di chuyển và dựa trên cơ chế bảo mật sandbox, cho phép các nhà phát triển viết hợp đồng thông minh bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, sau đó biên dịch thành bytecode WASM và thực thi. WASM đã được nhiều dự án blockchain chấp nhận làm tiêu chuẩn, bao gồm EOS, Dfinity, Polkadot, Cosmos, Near, và Ethereum trong tương lai cũng sẽ tích hợp WASM, từ đó đảm bảo rằng lớp thực thi của Ethereum sẽ hiệu quả và đơn giản hơn, phù hợp làm nền tảng tính toán hoàn toàn phi tập trung.

eBPF có nguồn gốc từ BPF (Berkeley Packet Filter), ban đầu được sử dụng để lọc gói dữ liệu mạng một cách hiệu quả, sau đó trải qua quá trình tiến hóa hình thành eBPF, cung cấp một tập lệnh phong phú hơn, cho phép can thiệp và sửa đổi hành vi của kernel hệ điều hành một cách động mà không cần thay đổi mã nguồn. Sau đó, công nghệ này đã ra khỏi kernel, phát triển thành runtime eBPF ở chế độ người dùng, với hiệu suất cao, an toàn và tính di động. Các hợp đồng thông minh được thực hiện trên một blockchain nào đó sẽ được biên dịch thành mã byte SBF (dựa trên eBPF) và chạy trên mạng của nó.

Move là một ngôn ngữ lập trình hợp đồng thông minh mới, tập trung vào tính linh hoạt, an toàn và khả năng xác minh. Ngôn ngữ Move được thiết kế để giải quyết các vấn đề về an toàn trong tài sản và giao dịch, cho phép tài sản và giao dịch được định nghĩa và kiểm soát một cách chặt chẽ. Trình xác minh bytecode của Move là một công cụ phân tích tĩnh, phân tích bytecode Move và xác định xem nó có tuân thủ các quy tắc về loại, bộ nhớ và an toàn tài nguyên cần thiết hay không, mà không cần thực hiện và kiểm tra tại cấp độ hợp đồng thông minh. Một số chuỗi công khai mới nổi đã kế thừa Move hoặc viết hợp đồng thông minh của chúng bằng phiên bản Move tùy chỉnh của riêng mình.

Thực thi song song

Thực thi song song trong blockchain có nghĩa là xử lý đồng thời các giao dịch không liên quan. Xem các giao dịch không liên quan như là những sự kiện không ảnh hưởng đến nhau. Ví dụ, nếu hai người giao dịch token trên các nền tảng giao dịch khác nhau, giao dịch của họ có thể được xử lý đồng thời. Tuy nhiên, nếu họ giao dịch trên cùng một nền tảng, có thể cần phải thực hiện các giao dịch theo thứ tự cụ thể.

Thách thức chính để thực hiện thực thi song song là xác định các giao dịch nào là không liên quan, giao dịch nào là độc lập, hầu hết các Layer1 hiệu suất cao phụ thuộc vào hai phương pháp: phương pháp truy cập trạng thái và mô hình song song lạc quan.

Phương pháp truy cập trạng thái cần biết trước phần nào của trạng thái blockchain mà mỗi giao dịch có thể truy cập, từ đó phân tích các giao dịch nào là độc lập. Giải pháp đại diện là một số blockchain công cộng mới nổi.

Trong một số chuỗi công khai, chương trình (hợp đồng thông minh) là vô trạng thái, vì chúng không thể tự truy cập (đọc hoặc ghi) bất kỳ trạng thái nào tồn tại liên tục trong suốt quá trình giao dịch. Để truy cập hoặc duy trì trạng thái, chương trình cần sử dụng tài khoản. Mỗi giao dịch phải chỉ định những tài khoản nào sẽ được truy cập trong quá trình thực hiện giao dịch, để thời gian xử lý giao dịch có thể lập lịch các giao dịch không chồng chéo để thực hiện song song, đồng thời đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu.

Trong một số triển khai Move, mỗi hợp đồng thông minh là một mô-đun, được định nghĩa bởi các hàm và cấu trúc. Các cấu trúc được khởi tạo trong các hàm và có thể được truyền cho các mô-đun khác thông qua việc gọi hàm. Các thể hiện cấu trúc được lưu trữ trong thời gian chạy như là các đối tượng, có ba loại đối tượng khác nhau, bao gồm đối tượng sở hữu, đối tượng chia sẻ và đối tượng không thể thay đổi. Chiến lược song song tương tự như đã đề cập trước đó, giao dịch cũng cần chỉ định các đối tượng nào sẽ được thao tác.

Mô hình song song lạc quan hoạt động dưới giả thuyết rằng tất cả các giao dịch là độc lập, chỉ xác nhận lại giả thuyết này một cách hồi cứu và điều chỉnh khi cần thiết. Các dự án đại diện là một số chuỗi công cộng mới nổi.

Một chuỗi công khai sử dụng phương pháp Block-STM (Bộ nhớ giao dịch phần mềm khối) để áp dụng thực thi song song lạc quan. Trong Block-STM, các giao dịch được thiết lập theo một trình tự nhất định trong khối, sau đó được chia tách giữa các luồng xử lý khác nhau để thực thi đồng thời. Trong quá trình xử lý các giao dịch này, hệ thống theo dõi vị trí bộ nhớ mà mỗi giao dịch thay đổi. Sau mỗi vòng xử lý, hệ thống kiểm tra tất cả các kết quả giao dịch. Nếu nó phát hiện một giao dịch chạm vào vị trí bộ nhớ đã được thay đổi bởi giao dịch trước đó, nó sẽ xóa kết quả của giao dịch đó và chạy lại. Quá trình này tiếp tục cho đến khi mỗi giao dịch trong khối được xử lý hoàn tất.

EVM song song

EVM song song (Parallel EVM) đã được đề cập từ năm 2021, lúc đó nó chỉ đề cập đến EVM hỗ trợ xử lý nhiều giao dịch cùng lúc, nhằm cải thiện hiệu suất và hiệu quả của EVM hiện tại, đại diện cho các giải pháp có một số chuỗi công cộng dựa trên Block-STM để thực hiện EVM song song.

Nhưng vào cuối năm 2023, một số chuyên gia trong ngành đồng loạt nhắc đến EVM song song khi dự đoán xu hướng năm 2024, đã tạo ra một làn sóng các Layer1 tương thích với EVM áp dụng công nghệ thực thi song song, bao gồm một số dự án mới nổi.

Hiện nay, một số giải pháp tương thích EVM, Layer2 Rollup của Ethereum SVM (Máy ảo Solana), Layer2 Rollup của máy ảo Move trên Ethereum, và lớp thực thi mô-đun Layer1 đều đang dán nhãn EVM song song, khiến người ta cảm thấy hoa mắt.

Tôi nghĩ rằng có thể định nghĩa các EVM song song hợp lý chỉ có ba loại sau đây:

1. Không áp dụng công nghệ thực thi song song cho Layer1 tương thích EVM mà có nâng cấp thực thi song song, chẳng hạn như một số chuỗi công khai chính.

2. Sử dụng công nghệ thực thi song song EVM tương thích Layer1, chẳng hạn như một số dự án mới nổi;

3. Sử dụng công nghệ thực thi song song của giải pháp EVM tương thích không phải EVM Layer1, chẳng hạn như một số dự án chuỗi chéo.

Một số chuỗi công khai chính thống, như Layer 1 tương thích EVM, không cần phải nói nhiều. Ở đây, tôi sẽ giới thiệu ngắn gọn một vài dự án mới nổi và giải pháp xuyên chuỗi.

Một số chuỗi công khai mới nổi sử dụng cơ chế PoS và tương thích EVM với hiệu suất cao Layer1, nhằm tăng cường khả năng mở rộng và tốc độ giao dịch thông qua việc thực thi song song. Chúng cho phép thực thi giao dịch song song trong khối để nâng cao hiệu quả. Thông thường sử dụng mô hình song song lạc quan, bắt đầu thực hiện giao dịch mới trước khi hoàn thành thực hiện bước trước. Để đối phó với kết quả không chính xác, sẽ theo dõi đầu vào/đầu ra và thực hiện lại các giao dịch không nhất quán. Trình phân tích mã tĩnh có thể dự đoán các phụ thuộc, tránh tính song song không hợp lệ, và khi không chắc chắn sẽ quay trở lại chế độ đơn giản. Việc thực thi song song này tăng cường thông lượng, đồng thời giảm khả năng giao dịch thất bại.

Một số giải pháp cross-chain là giải pháp phát triển được sử dụng để thực hiện giao dịch EVM trên các chuỗi công cộng khác. Thực tế là một hợp đồng thông minh, hợp đồng này thực hiện một trình thông dịch EVM, được biên dịch thành mã byte cụ thể. Bên trong, nó thực hiện một bộ mô hình giao dịch và mô hình tài khoản của Ethereum, người dùng chỉ cần trả phí GAS EVM để gửi giao dịch. Phí của mạng gốc được thanh toán bởi đại lý. Một số chuỗi công cộng yêu cầu bắt buộc giao dịch cung cấp danh sách tài khoản, giao dịch bao bọc cũng không phải là ngoại lệ, vì vậy trách nhiệm của đại lý bao gồm việc tạo ra danh sách tài khoản này, đồng thời cũng có khả năng thực hiện giao dịch song song gốc.

Ở đây có một điểm bổ sung, tương tự như việc sử dụng EVM để chạy hợp đồng thông minh nhằm thực hiện các giải pháp tương thích EVM, còn có một số dự án chuỗi chéo khác. Về lý thuyết, một số chuỗi công khai mới nổi cũng có thể áp dụng giải pháp này để đạt được tính tương thích EVM không xâm lấn, và có một số dự án đang thực hiện công việc như vậy. Một số dự án là một khung mô-đun, dùng để xây dựng và triển khai cơ sở hạ tầng, ứng dụng và blockchain dựa trên Move trong bất kỳ môi trường phân tán nào. Trong số các mô-đun này, một số có thể chuyển đổi mã thao tác EVM một cách liền mạch sang mã thao tác Move, điều này có nghĩa là các dự án Solidity có thể tận dụng hiệu suất và lợi thế bảo mật của Move mà không cần một dòng mã Move nào.

Sự tương thích EVM giúp các nhà phát triển dễ dàng chuyển các ứng dụng Ethereum của họ lên chuỗi mà không cần phải sửa đổi lớn, đây là một hướng đi tốt để xây dựng hệ sinh thái chuỗi công cộng mới nổi.

Tóm tắt

Công nghệ song song của blockchain đã trở thành một chủ đề cũ rích, câu chuyện này thỉnh thoảng lại được nhắc đến, nhưng hiện tại chủ yếu là những cải tiến và bắt chước mô hình thực thi lạc quan, tiêu biểu là cơ chế Block-STM của một số chuỗi công cộng, mà chưa có đột phá thực sự, vì vậy độ nóng khó có thể duy trì.

Nhìn về phía trước, sẽ có nhiều dự án Layer1 mới nổi tham gia vào cuộc cạnh tranh EVM song song, và một số Layer1 cũ cũng sẽ thực hiện nâng cấp song song EVM hoặc giải pháp tương thích EVM, hai hướng đi khác nhau đều sẽ đi đến một kết quả chung, và sẽ có thêm nhiều câu chuyện mới liên quan đến việc nâng cao hiệu suất.

Tuy nhiên, so với câu chuyện về EVM hiệu suất cao, tôi vẫn hy vọng rằng blockchain có thể phát triển đa dạng, xuất hiện các câu chuyện tương tự như WASM, SVM và Move VM.