EVM: イーサリアム

EVM(イーサリアム仮想マシン)はイーサリアムの中核であり、スマートコントラクトの実行とトランザクションの処理を担当します。

仮想マシンは、通常、「ハイパーバイザー」(VirtualBoxなど)またはオペレーティングシステムインスタンス全体(KVM for Linuxなど)によって、実際のコンピューターを仮想化するために使用されます。これらはそれぞれ、実際のハードウェア、システムコール、およびその他のカーネル関数のソフトウェア抽象化を提供する必要があります。

EVM は、単なるコンピューティング・エンジンであるため、Java 仮想マシン (JVM) 仕様と同様に、計算とストレージの抽象化を提供します。大まかに言うと、JVMは、基礎となるホスト・オペレーティング・システムやハードウェアに依存しないランタイム環境を提供するように設計されているため、さまざまなシステム間での互換性が実現します。同様に、EVM は独自のバイトコード命令セットを実行しますが、これは通常 Solidity によってコンパイルされます。

EVM は準チューリング完全ステート・マシンです。これは、すべての実行ステップが限られたリソースGasを消費するため、「準」であるため、特定のスマートコントラクトの実行は限られた数の計算ステップに制限され、実行プロセスで発生する可能性のあるエラーを回避します。無限ループにより、イーサリアムプラットフォーム全体が停止します。

EVM にはスケジューリング機能はありません。イーサリアムの実行モジュールはブロックからトランザクションを1つずつ取り出し、EVMはそれらを順番に実行する責任があります。最新のワールドステートは、実行プロセス中に変更されます。トランザクションが実行された後、ブロックが完了した後、最新のワールドステートに到達するためにステートが蓄積されます。次のブロックの実行は、前のブロックの実行後のワールドの状態に厳密に依存するため、イーサリアムのトランザクションの線形実行プロセスは、並列実行のためにうまく最適化することはできません。

この意味で、イーサリアム プロトコルはトランザクションが順番に実行されることを規定しています。シーケンシャル実行により、トランザクションとスマートコントラクトを決定論的な注文で実行でき、安全性が保証されますが、高負荷に直面した場合、ネットワークの混雑とレイテンシーにつながる可能性があります。これが、イーサリアムに重大なパフォーマンスのボトルネックがあり、容量拡張のためにレイヤー2ロールアップを必要とする理由です。

高性能レイヤー1並列処理

ほとんどの高性能レイヤー1は、イーサリアムが並列処理を処理できないことに基づいて、独自の最適化ソリューションを設計しています。ここでは、実行レイヤーの最適化、つまり仮想マシンと並列実行についてのみ説明します。

仮想マシン

EVM は、イーサリアム のハッシュ アルゴリズムの処理を容易にするために、注文 256 ビットの仮想マシンとして設計されており、256 ビットの出力を明示的に生成します。しかし、実際に EVM を実行するコンピュータは、スマート・コントラクトを実行するために 256 ビット・バイトをローカル構造にマッピングする必要があるため、システム全体は非常に非効率的で実用的ではありません。したがって、仮想マシンの選択に関しては、高性能レイヤー 1 は EVM ではなく、WASM、eBPF バイトコード、または移動バイトコードに基づく仮想マシンを使用します。

WASMは、サンドボックスセキュリティメカニズムに基づく、コンパクトで読み込みの速いポータブルバイトコード形式です。開発者は、複数のプログラミング言語(C / C ++、Rust、Go、AssemblyScript、JavaScriptなど)を使用してスマートコントラクトを作成し、それらをWASMバイトコードにコンパイルして実行できます。WASMは、EOS、Dfinity、ポルカドット(ギア)、コスモス(コスムワズム)、ニアなど、多くのブロックチェーンプロジェクトで標準として受け入れられています。イーサリアムはまた、将来的にWASMを統合して、イーサリアムの実行レイヤーがより効率的でシンプルで、完全に分散化されたコンピューティングプラットフォームとして適切であることを保証します。

以前はBPF(Berkeley Packet Filter)として知られていたeBPFは、当初、ネットワークデータパケットの効率的なフィルタリングに使用されていました。進化後、eBPFを形成し、より豊富な命令セットを提供し、ソースコードを変更することなく、オペレーティングシステムカーネルの動的な介入と変更を可能にしました。その後、このテクノロジはカーネルから進化し、高性能、安全、移植性を備えたユーザーモードのeBPFランタイムを開発しました。ソラナで実行されるすべてのスマートコントラクトは、SBF(eBPFに基づく)バイトコードにコンパイルされ、ブロックチェーンネットワーク上で実行されます。

Moveは、Diemが設計した新しいスマートコントラクトプログラミング言語で、柔軟性、セキュリティ、検証可能性に重点を置いています。Move言語は、資産とトランザクションのセキュリティ問題を解決し、資産とトランザクションを厳密に定義および制御することを目的としています。Moveのバイトコードベリファイアは、スマートコントラクトレベルでの実装や実行時のチェックを行わずに、Moveのバイトコードを分析し、必要なタイプ、メモリ、およびリソースの安全性ルールに準拠しているかどうかを判断する静的分析ツールです。AptosはDiem Moveを継承し、Suiは独自のカスタマイズバージョンのSui Moveを通じてスマートコントラクトを書いています。

並列実行

ブロックチェーンにおける並列実行とは、無関係なトランザクションを同時に処理することを意味します。無関係なトランザクションは、互いに影響しないイベントとして扱います。例えば、2人の人が異なる取引所でトークンを取引する場合、その取引は同時に処理することができます。ただし、同じプラットフォームで取引する場合は、特定の注文でトランザクションを実行する必要がある場合があります。

並列実行を実現する際の主な課題は、どのトランザクションが無関係で、どのトランザクションが独立しているかを判断することです。ほとんどの高性能レイヤー 1 は、状態アクセス方法と楽観的並列モデルの 2 つのアプローチに依存しています。

状態アクセス方法は、どのトランザクションが独立しているかを分析するために、各トランザクションがブロックチェーン状態のどの部分にアクセスできるかを事前に知る必要があります。代表的なソリューションはソラナとスイです。

ソラナでは、プログラム(スマートコントラクト)は、トランザクションプロセス全体を通して永続的な状態にアクセス(読み取りまたは書き込み)できないため、ステートレスです。状態にアクセスしたり、状態を維持したりするには、プログラムでアカウントを使用する必要があります。ソラナの各トランザクションは、トランザクション処理ランタイムが重複しないトランザクションを並列実行のためにスケジュールし、同時にデータの一貫性を確保できるように、トランザクションの実行中にアクセスされるアカウントを指定する必要があります。

Sui Moveでは、各スマートコントラクトはモジュールであり、関数と構造の定義で構成されています。構造体は関数でインスタンス化され、関数呼び出しを介して他のモジュールに渡すことができます。ランタイムに格納された構造体インスタンスは、オブジェクトとして機能します。Sui には、所有者オブジェクト、共有オブジェクト、不変オブジェクトの 3 種類のオブジェクトがあります。Suiの並列化戦略はソラナの並列化戦略と似ており、トランザクションは操作するオブジェクトも指定する必要があります。

楽観的並列モデルは、すべてのトランザクションが独立しているという仮定の下で動作し、この仮定を遡及的に検証し、必要に応じて調整を行います。代表的な解決策はAptosです。

Aptos は ブロック-STM (ブロック ソフトウェア トランザクショナル メモリ) 方式を使用して楽観的並列実行を適用します。ブロック-STMでは、トランザクションは最初にブロック内の特定の注文に設定され、次に異なる処理スレッド間で分割されて同時に実行されます。これらのトランザクションの処理中に、システムは各トランザクションによって変更されたメモリ位置を追跡します。各処理ラウンドの後、すべての取引結果がチェックされます。トランザクションが以前のトランザクションによって変更されたメモリ位置に触れたことを検出すると、その結果を消去して再度実行します。このプロセスは、ブロック内のすべてのトランザクションが処理されるまで続きます。

Parallel EVM

パラレル EVM は 2021 年に初めて登場し、当時は既存の EVM の性能と効率を向上させることを目的として、複数のトランザクションの同時処理をサポートする EVM を指していました。代表的なソリューションとしては、ブロック-STMをベースとしたポリゴンの並列EVMや、BSCとNodeRealが共同開発した並列EVMなどがあります。

しかし、2023年末に、パラダイムのCTOであるゲオルギオス・コンスタントプロスとドラゴンフライのハシーブ・クレシが偶然にも2024年のトレンドを見ているときに並列EVMに言及し、MonandやSei V2などの並列実行技術を採用したEVM互換レイヤー1の波に火をつけました。

現在、ソラナ上でEVM互換ソリューションであるNeon、イーサリアムのSVM(ソラナ 仮想マシン)のLayer2 Rollup Eclipse、イーサリアムのMove 仮想マシンのLayer2 Rollup Lumio、およびモジュラー実行レイヤーのLayer1 FuelはすべてパラレルEVMでタグ付けされており、非常に混乱しています。

並列EVMとして合理的に定義できるカテゴリは、次の3つしかないと思います。

1. BSC や Polygon などの並列実行技術を使用した EVM 互換レイヤ 1 の並列実行アップグレードはありません。
2. Monand、Sei V2、Artela などの並列実行技術を使用した EVM 互換レイヤ 1。
3. EVM と互換性のないレイヤ 1 向けの EVM 互換ソリューションで、ソラナ Neon などの並列実行技術を使用します。

言うまでもなく、BSC と Polygon は最も主流の EVM 互換レイヤ 1 です。ここでは、モナンド、セイV2、アルテラ、ソラナネオンについて簡単に紹介します。

Monad は、PoS メカニズムを使用した高性能 EVM 互換のレイヤー 1 であり、並列実行によってスケーラビリティとトランザクション速度を大幅に向上させるように設計されています。Monad Labsは、Jump Tradingの元研究責任者であるKeone Hon氏によって設立されました。モナドを使用すると、トランザクションをブロック内で並列に実行して効率を高めることができます。楽観的並列処理モデルを使用し、前の手順の実行が完了する前に新しいトランザクションの実行を開始します。誤った結果に対処するために、モナドは入出力を追跡し、一貫性のないトランザクションを再実行します。静的コード パーサーは、依存関係を予測し、効果のない並列処理を回避し、不確実な場合に単純モードに戻すことができます。この並列実行により、スループットが向上し、トランザクションが失敗する可能性が低くなります。

Seiは、DeFi専用に設計されたパブリックチェーンであるCosmos SDKに基づいて開発されたレイヤー1です。Seiチームのメンバーは、ロビンフッド、データブリックス、Airbnb、ゴールドマンサックスなどの企業で働いた経験があり、テクノロジーと従来の金融の両方のバックグラウンドを持っています。Sei V2 は Sei ネットワークのメジャー・アップグレードであり、初の完全並列 EVM を目指しています。Monandと同様に、Sei V2は楽観的並列化を使用します。これにより、ブロックチェーンは、開発者が依存関係を定義することなく、トランザクションを同時に実行することができます。競合が発生すると、ブロックチェーンは各トランザクションのタッチされたストレージ部分を追跡し、これらのトランザクションを注文で再実行します。このプロセスは、未解決の競合がすべて解決されるまで再帰的に続行されます。

Artelaはスケーラブルなブロックチェーンネットワークであり、開発者はAntChainのコアメンバーとともに、機能豊富な分散型アプリケーション(dApps)を構築できます。Artela の EVM++ は、高いスケーラビリティ + 高性能な並列 EVM です。これは 2 つのステージで実装され、最初のステージでは並列実行に重点が置かれます。並列実行に基づいて、エラスティックコンピューティングを通じて、ネットワークノードのコンピューティング能力がスケーラブルであることを保証し、最終的にエラスティックブロックスペースを実現します。その並列実行は、トランザクション依存関係の競合分析に従ってトランザクションをグループ化し、並列実行をサポートします。

ソラナネオンは、ソラナでEVMトランザクションを実行するためにネオンラボによって開発されたソリューションです。Neon EVMは実際にはソラナ上のスマートコントラクトであり、コントラクト内にEVMインタプリタを実装し、SBFバイトコードにコンパイルします。Neon EVMは、イーサリアムトランザクションモデルとアカウントモデルのセットを内部的に実装しており、ユーザーはトランザクションを送信するためにEVM GAS料金を支払うだけで済みます。ソラナネットワークの料金は、ネオンプロキシによって支払われます。ソラナでは、ラップされたトランザクションを含め、トランザクションがアカウント 上場を強制的に提供する必要があるため、Neon Proxyの責任にはこのアカウント 上場の生成が含まれ、ソラナトランザクションの並列実行機能も得られます。

さらに、ソラナ Neonと同様に、EVM互換性を実現するためにスマートコントラクトとしてEVMを実行する他のソリューションには、Near AuroraやEOS EVM+などがあります。理論的には、AptosとSuiはこのソリューションを使用して非侵入型のEVM互換性を実現することもできますが、関連情報は見つかりませんでした(Pontemがこれを行っている可能性がありますか?進行中のプロジェクトがある場合は、補足のために私に連絡してください。EVMの互換性により、開発者は大幅な変更を加えることなくイーサリアムアプリケーションをチェーンに簡単に移行でき、AptosとSuiのエコシステムを構築するための優れた方向性です。

結論

ブロックチェーンにおける並列技術のトピックは、すでに一般的なトピックであり、物語は時々再浮上しています。しかし、現在、主な焦点は、Aptosのブロック-STMメカニズムに代表される楽観的実行モデルの変更と模倣です。しかし、実質的なブレークスルーがなければ、暑さを維持することは困難です。

今後は、さらに多くの新しいレイヤー1プロジェクトが並列EVMの競争に加わると予想されます。さらに、既存のレイヤ 1 プロジェクトの中には、EVM の並列アップグレードや EVM 互換ソリューションを実装するものもあります。これら 2 つのパスは同様の結果につながり、パフォーマンスに関連する物語をより多く生み出す可能性があります。

ただし、高性能EVMの物語と比較して、WASM、SVM、Move VMに似た物語が出現する多様なブロックチェーンランドスケープに期待しています。

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