並行EVM研究摘要：生態系統和功能說明

TL;DR- 平行EVM已引起頂級風險投資的關注，許多項目已開始探索這個方向，如Monad、MegaETH、Artela、BNB、Sei Labs、Polygon等。- 並行EVM不僅僅是實現並行處理，還涉及對EVM每個組件的全面性能優化。通過這些優化，支持更複雜和高效的區塊鏈應用。- 平行的以太坊虛擬機(EVM)必須在開源生態系統中脫穎而出，平衡去中心化和高性能，同時解決潛在的安全問題和市場接受挑戰。多線程編程的複雜性引入了同時管理多個交易的挑戰，需要有效的解決方案來確保系統的穩定性和安全性。- 未來，並行EVM將促進鏈上中心限價訂單簿（CLOB）和可編程中心限價訂單簿（pCLOB）的實施，這將大大提高DeFi活動的效率，預計DeFi生態系統將有顯著增長。- 將其他高性能虛擬機(AltVM)整合到以太坊生態系統中，將大大增強性能和安全性。這種方法利用了每個虛擬機的優勢，推動了以太坊的進一步發展。今年，Parallel EVM受到了像Paradigm和Dragonfly等領先風險投資公司的關注，引起了顯著的市場關注。與傳統的EVM不同，傳統的EVM按順序處理交易，可能在高峰期導致擁塞和延遲，而Parallel EVM利用並行處理技術同時執行多個交易，大大加快了交易處理速度。隨著鏈上遊戲和賬戶抽象錢包等複雜應用程序變得更加普遍，對區塊鏈性能的需求也越來越大。為了容納更大的用戶基礎，區塊鏈網絡必須有效地處理高交易量。因此，Parallel EVM對於Web3應用程序的發展至關重要。

然而，實施平行EVM也面臨著一些常見的挑戰，需要精確的技術解決方案來確保系統的穩定運行。

• 數據一致性：在並行EVM中，同時發生的多個交易可能需要同時讀取或修改帳戶資訊。需要有效的鎖定機制或事務處理方法來確保狀態修改期間的數據一致性。- 狀態存取效率：並行EVM必須快速存取和更新狀態，要求有效的狀態存儲和檢索機制。優化存儲結構和訪問路徑，例如使用先進的數據索引技術和緩存策略，可以顯著降低數據訪問延遲，增強整個系統的性能。- 交易衝突檢測：在並行執行中，多個交易可能依賴於相同的數據狀態，使交易排序和依賴管理變得復雜。需要複雜的調度算法來識別和管理並行交易之間的依賴關係，檢測潛在衝突並決定處理方法，以確保並行執行結果與串行執行一致。例如，MegaETH將交易執行任務從完整節點中分離出來，將不同的任務分配給專門的節點，從而優化整個系統的性能。Artela使用預測性樂觀執行和異步預加載技術來分析交易依賴性，並使用人工智能預先加載所需的交易狀態到內存中，從而提高狀態訪問效率。BNB Chain開發了專門的衝突檢測器和重新執行機制，以增強交易依賴性管理，減少不必要的重新執行等。

為了深入了解平行EVM的發展方向，這裡有九篇精選的高質量文章，提供了對不同鏈的實施計劃、生態系研究和未來前景的全面觀點。

MegaETH：揭開第一個即時區塊鏈作者：MegaETH；日期：2024年6月27日

MegaETH 是與 EVM 相容的第 2 層，旨在實現接近 Web2 的伺服器即時性能。其目標是將乙太坊 L2 性能推向硬體極限，提供高交易輸送量、充足的計算能力和毫秒級響應時間。這允許開發人員在沒有性能限制的情況下構建和組合複雜的應用程式。

MegaETH通過將交易執行任務與完整節點分離並引入並行處理技術來提高性能。其架構由三個主要角色組成：Sequencer（序列器）、Validator（驗證器）和Full Node（完整節點）。

• 序列器：負責對用戶提交的交易進行排序和執行。執行交易後，序列器通過點對點（p2p）網絡將狀態變化（狀態差異）發送給完整節點。- 完整節點：從序列生成器接收狀態差異，並直接應用這些更改以更新其本地區塊鏈狀態，避免重新執行交易。這顯著降低了計算資源消耗，提高了整個系統的效率。- 驗證者: 使用無狀態驗證方案來驗證區塊，允許同時驗證多個區塊。這進一步增強了驗證效率和速度。這種專門的節點設計允許不同類型的節點根據其功能設置獨立的硬體要求。例如，Sequencer 需要高性能伺服器來處理大量事務，而全節點和驗證器可以使用相對低規格的硬體。

Artela可擴展性白皮書-並行執行堆棧和彈性區塊空間作者：Artela；日期：2024.6.20

Artela通過幾項關鍵技術顯著提高了區塊鏈平行執行效率和整體性能：

• 並行執行：通過預測交易依賴關係並分組交易，使用多個 CPU 核心進行並行處理，從而提高計算效率。- 平行存儲：優化存儲層以支持平行數據處理，避免存儲瓶頸，提高整個系統性能。- 彈性計算: 支持多台計算機共同工作，創建彈性計算節點和區塊空間，為dApps提供更高的交易吞吐量和可預測的性能。具體而言，Artela的預測性樂觀執行利用人工智能分析交易和合約之間的依賴關係，預測潛在的衝突交易並將它們分組以減少衝突和重新執行。該系統動態累積並存儲歷史交易狀態訪問信息以供預測算法使用。異步預加載將所需的交易狀態加載到內存中，以避免執行期間的I/O瓶頸。並行存儲通過將狀態承諾與存儲操作分開，獨立管理並行和非並行操作，以進一步提高並行效率，改善默克爾化和I/O性能。

此外，Artela 的彈性運算建構了彈性區塊空間（EBS）。傳統區塊鏈在所有dApps之間共享單一的區塊空間，導致高流量dApps之間的資源競爭，造成不穩定的gas費用和不可預測的效能。彈性區塊空間為dApps提供了專屬且動態可擴展的區塊空間，確保可預測的效能。dApps可以根據需要申請專屬的區塊空間，隨著區塊空間的增加，驗證者可以通過添加彈性執行節點來擴展處理能力，確保有效的資源利用率並適應不同的交易量。

高性能之路：BNB鏈的並行以太坊虛擬機(EVM)作者: BNB Chain; 日期: 2024.2.16

在BNB Chain上，團隊已經採取了多項措施來實現並行EVM，以增強交易處理能力和可擴展性。主要發展包括：

平行以太坊虛擬機(EVM) v1.0:

• 調度器：將交易分配給不同的線程進行並行執行，以優化吞吐量。- 并行执行引擎：利用专用线程进行并行处理，独立执行交易，大大缩短处理时间。- 本地狀態數據庫：每個線程維護自己的“線程本地”狀態數據庫，在執行期間有效地記錄狀態訪問信息。- 衝突檢測和重新執行：通過檢測和管理交易依賴性，重新執行衝突以確保準確性，從而確保數據完整性。- 狀態提交機制：一旦交易執行完成，結果將無縫提交到全局狀態數據庫，以更新整體區塊鏈狀態。並行以太坊虛擬機 v2.0

基於並行EVM 1.0，BNB鏈社區引入了一系列創新來提升性能：

• 流式管道:增強執行效率,允許平行引擎中的流暢交易處理。- 通用未確認狀態訪問：通過允許其他交易暫時使用未確認交易的結果來優化狀態信息訪問，減少交易之間的等待時間。- 衝突檢測器2.0：改進的衝突檢測機制，提高性能和準確性，確保數據完整性同時減少不必要的重新執行。- 調度程序增強：利用靜態和動態調度策略，以更有效地分配工作量和優化資源。- 記憶體優化：通過共享記憶體池和輕量級拷貝技術顯著減少記憶體使用，進一步提高系統性能。平行以太坊虛擬機 v3.0

在平行EVM 2.0的性能提升後，BNB鏈社區積極開發平行EVM 3.0，旨在實現以下目標:

• 減少或消除重新執行：引入基於提示的調度器，使用外部提示提供者來分析交易並預測潛在的狀態訪問衝突。這有助於更好地安排交易並減少衝突，從而最小化重新執行的需求。- 模塊化：將代碼分解成獨立模塊，以提高可維護性並適應不同的環境。- 代碼庫重構: 與最新的BSC/opBNB代碼庫對齊，確保相容性並簡化集成。- 全面的測試和驗證：在各種情況和工作負載下進行廣泛的測試，以確保解決方案的穩定性和可靠性。### Sei's 平行堆疊作者：Sei；日期：2024.3.13

Sei Labs創建了一個名為Parallel Stack的開源框架，旨在構建支持並行處理技術的第二層解決方案。Parallel Stack的核心優勢在於其並行處理能力，利用現代硬件的進步降低交易成本。該框架採用模塊化設計，允許開發人員根據特定需求添加或修改功能模塊，以適應各種應用場景和性能要求。Parallel Stack可以無縫集成到現有的以太坊生態系統中，使應用程序和開發人員能夠在最小的修改或調整下利用以太坊的現有基礎設施和工具。

為了確保交易和智能合約的安全執行，Parallel Stack 結合了各種安全協議和驗證機制，包括交易簽名驗證、智能合約審計和異常檢測系統。為了促進在 Parallel Stack 上開發和部署應用程序，Sei Labs 提供了一套全面的開發人員工具和 API，旨在幫助開發人員充分利用 Parallel Stack 的高性能和可擴展性，從而推進以太坊生態系統。

在主鏈上創新：Polygon PoS平行化研究作者：Polygon Labs；日期：2022.12.1

Polygon的PoS鏈通過實現並行EVM升級，通過最小元數據方法將其交易處理速度提高了100％。Polygon采用了由Aptos Labs開發的Block-STM引擎的原則，創建了針對Polygon需求定制的最小元數據方法。Block-STM引擎是一種創新的並行執行機制，假定交易之間不存在衝突。在交易執行期間，Block-STM引擎監視每個交易的內存操作，識別和標記依賴關係，重新排序衝突交易以進行驗證，以確保結果的準確性。

最小元數據方法將所有交易的依賴關係記錄在區塊中並存儲在有向無環圖（DAG）中。塊提議者和驗證者首先執行交易，記錄依賴關係，並將其附加為元數據。當區塊傳播到網絡中的其他節點時，依賴信息已經包含在內，減少了重新驗證的計算和I/O負擔，提高了驗證效率。通過記錄依賴關係，最小元數據方法還優化了交易執行路徑，最大程度減少了衝突。

平行化EVM有什麼意義？還是EVM主導的終極目標？作者: Zhixiong Pan，ChainFeeds創始人; 日期: 2024.3.28

平行EVM技術已經引起了頂級風險投資公司（包括Paradigm、Jump和Dragonfly）的關注和投資。這些投資者對於平行EVM克服現有區塊鏈技術的性能限制、實現更高效的交易處理和更廣泛的應用前景持樂觀態度。

雖然“平行EVM”一詞在字面上意味著“平行化”，但它涵蓋的不僅僅是啟用多個交易或任務的同時處理。它包括對以太坊EVM各個組件的深度性能優化，如提高數據訪問速度，增加計算效率和優化狀態管理。因此，這些努力可能代表了EVM標準的性能極限。

除了技術挑戰外，平行EVM在生態系統建設和市場認可方面也面臨問題。在開源生態系統中創造差異化並在去中心化與高性能之間取得適當平衡至關重要。市場認可需要證明平行化能力確實帶來性能提升和成本效益，特別是在現有以太坊應用和智能合約的情況下，這些應用和合約已經穩定運行。此外，推廣平行EVM需要解決潛在的安全問題和新的技術缺陷，確保系統穩定性和用戶資產安全，這對於新技術的廣泛應用至關重要。

死亡、稅收和以太坊虛擬機(EVM)平行化作者：Reforge Research；日期：2024.4.1

引入平行EVM提高了鏈上中央限價訂單簿（CLOB）的可行性，預計DeFi活動將大幅增加。在CLOB中，訂單根據價格和時間優先級進行排序，確保市場公平和透明。然而，在像以太坊這樣的區塊鏈平台上實現CLOB往往會導致高延遲和交易成本，因為平台在處理能力和速度上存在限制。平行EVM的出現大大提高了網絡的處理能力和效率，使得DeFi交易平台能夠實現更快速和更高效的訂單匹配和執行。因此，CLOB已成為可行的選擇。

在此基礎上，可編程中央限價訂單簿(pCLOBs)進一步擴展了CLOB功能。pCLOBs不僅提供基本的買賣訂單匹配功能，還允許開發人員在訂單提交和執行過程中嵌入自定義的智能合約邏輯。這個自定義邏輯可以用於額外的驗證、執行條件確定和交易手續費的動態調整。通過在訂單簿中嵌入智能合約，pCLOBs提供更大的靈活性和安全性，支持更複雜的交易策略和金融產品。利用並行EVM提供的高性能和並行處理能力，在分散式環境中，pCLOBs可以實現複雜且高效的交易功能，類似於傳統金融交易平台。

然而，儘管由於並行EVM而顯著改善了區塊鏈的性能，現有的以太坊虛擬機（EVM）和智能合約安全仍存在缺陷，易受駭客攻擊。為了解決這些問題，作者建議採用雙虛擬機架構。在此架構中，除了EVM外，還引入了一個獨立的虛擬機（例如CosmWasm）來實時監控EVM智能合約的執行。這個獨立虛擬機的功能類似於操作系統中的防病毒軟件，提供先進的檢測和保護，以減少駭客風險。像Arbitrum Stylus和Artela這樣的新興解決方案被認為對成功實施這種雙虛擬機架構具有前景。通過這種架構，這些新系統可以更好地從一開始就嵌入實時保護和其他關鍵安全功能。

在保持EVM兼容性的同时，下一步將朝著提高可擴展性的方向發展？作者：Grace Deng，SevenX Ventures的研究員；日期：2024.4.5

像Solana和Sui這樣的新Layer 1解決方案通過使用全新的虛擬機（VM）和編程語言，採用並行執行、新的共識機制和數據庫設計，提供比傳統的Layer 2和Layer 1更高的性能。然而，這些系統不兼容EVM，導致流動性問題和用戶、開發人員的較高門檻。像BNB和AVAX這樣的EVM兼容的Layer 1區塊鏈，盡管在共識層有所改進，對執行引擎的修改較少，導致性能提升有限。

Parallel EVM可以在不牺牲EVM兼容性的情况下提升性能。例如，Sei V2通过采用乐观并发控制（OCC）和引入新的状态树（IAVL trie）来提高读写效率；Canto Cyclone使用最新的Cosmos SDK和ABCI 2.0技术以及内存中的IAVL状态树来优化状态管理；Monad提出了一种新的Layer 1解决方案，结合高吞吐量、去中心化和EVM兼容性，利用OCC、新的并行访问数据库和基于Hotstuff的MonadBFT共识机制。

此外，將其他高性能虛擬機（AltVMs）整合到以太坊生態系統中，特別是那些支持Rust開發的虛擬機，如Solana的Sealevel或Near的基於WASM的虛擬機，可以解決EVM不相容的問題。此種整合不僅可以克服問題，還可以吸引Rust開發人員加入以太坊生態系統，提升整體性能和安全性，同時探索新的技術可能性。

並行EVM的全面分析：如何克服區塊鏈性能問題作者：Gryphsis Academy；日期：2024.4.5

平行EVM主要專注於優化執行層的性能，並分為第1層和第2層解決方案。第1層解決方案引入交易平行執行機制，允許交易在虛擬機內並行處理。第2層解決方案基本上利用已經並行化的第1層虛擬機實現一定程度的離鏈執行和鏈上結算。在未來，第1層空間可能分裂為平行EVM和非EVM陣營，而第2層空間將朝著區塊鏈虛擬機模擬器或模塊化區塊鏈發展。

並行執行機制主要分為以下三種類型：

• 消息傳遞模型：每個參與者只能訪問自己的私有數據，必須使用消息傳遞來訪問其他數據。- 共享內存模型：使用內存鎖來控制對共享資源的訪問，包括內存鎖模型和樂觀並行化。- 嚴格的狀態訪問列表：基於UTXO模型，它預先計算每筆交易將訪問的帳戶地址，形成一個訪問列表。不同的項目採用不同的策略來實現並行執行機制：

• Sei v2：從記憶鎖定模型過渡到樂觀並行模型，優化潛在的數據爭用。- Monad：引入超級標量流水線技術和改進的樂觀並行機制，實現高達10,000 TPS的性能。- Canto：利用Cyclone EVM引入樂觀並行，並在去中心化金融基礎設施上進行創新。- Fuel: 作為一個模塊化的以太坊Rollup操作系統，它採用UTXO模型和樂觀並行機制來提高交易吞吐量。- Neon、Eclipse和Lumio: 通過整合各種Layer 1鏈、採用雙VM支持策略，提供跨生態系統的性能改進。雖然並行EVM提供了一個有效的解決方案，但也引入了新的安全挑戰。並行執行增加了複雜性，因為多線程編程，導致競態條件、死鎖、活鎖和飢餓等問題，影響系統的穩定性和安全性。此外，還可能出現新的安全漏洞，例如利用並行執行機制創建數據不一致性或發起競爭性攻擊的惡意交易。

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