Giải thích chi tiết về EVM song song: Vượt qua tuần tự, làm thế nào để vượt qua giới hạn hiệu suất của Blockchain?

Hiệu suất đã trở thành nút thắt cổ chai trong sự phát triển tiếp theo của ngành Blockchain. Mạng Blockchain đã tạo ra một nền tảng tin cậy mới, phi tập trung cho các cá nhân và doanh nghiệp thực hiện giao dịch.

Các mạng lưới blockchain thế hệ đầu tiên đại diện bởi Bitcoin đã khởi xướng một mô hình giao dịch tiền điện tử phi tập trung mới thông qua kế toán phân tán, cách mạng hóa một kỷ nguyên mới. Mạng lưới blockchain thế hệ thứ hai đại diện bởi Ethereum thì phát huy trí tưởng tượng, đề xuất việc thực hiện các ứng dụng phi tập trung (dApp) bằng cách sử dụng máy trạng thái phân tán.

Kể từ đó, mạng Blockchain đã bắt đầu lịch sử phát triển nhanh chóng của riêng mình trong hơn một thập kỷ, từ cơ sở hạ tầng Web3 đến các lĩnh vực khác nhau như DeFi, NFT, mạng xã hội và GameFi, đã sinh ra vô số đổi mới về công nghệ hoặc mô hình kinh doanh. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp này cần liên tục thu hút người dùng mới tham gia vào việc xây dựng hệ sinh thái ứng dụng phi tập trung, điều này lại đặt ra yêu cầu cao hơn đối với trải nghiệm sản phẩm.

Web3, như một hình thức sản phẩm "chưa từng có trong lịch sử", không chỉ cần đổi mới để đáp ứng nhu cầu của người dùng (nhu cầu chức năng), mà còn cần xem xét cách cân bằng giữa tính bảo mật và hiệu suất (nhu cầu phi chức năng). Kể từ khi ra đời, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp khác nhau nhằm cố gắng giải quyết vấn đề hiệu suất.

Các giải pháp này có thể được chia thành hai loại: một loại là giải pháp mở rộng trên chuỗi, như phân đoạn (sharding) và đồ thị có hướng không chu kỳ (DAG); một loại là giải pháp mở rộng ngoài chuỗi, như Plasma, mạng Lightning, sidechain và Rollups. Nhưng điều này vẫn còn xa so với tốc độ tăng trưởng nhanh của giao dịch trên chuỗi.

Đặc biệt là sau khi trải qua mùa hè DeFi năm 2020 và sự bùng nổ liên tục của ký tự trong hệ sinh thái Bitcoin vào cuối năm 2023, ngành công nghiệp đang cần gấp rút một giải pháp nâng cao hiệu suất mới để đáp ứng yêu cầu "hiệu suất cao, tỷ lệ phí thấp". Blockchain song song ra đời trong bối cảnh như vậy.

Tổng quan về câu chuyện EVM song song

Narrative EVM song song đánh dấu sự hình thành của một cuộc cạnh tranh giữa hai thế lực trong lĩnh vực blockchain song song. Việc xử lý giao dịch của Ethereum là tuần tự, giao dịch phải được thực hiện theo thứ tự từng cái một, tỷ lệ sử dụng tài nguyên không cao. Nếu chuyển đổi cách xử lý tuần tự thành xử lý song song sẽ mang lại sự cải thiện hiệu suất đáng kể.

Các đối thủ của Ethereum như Solana, Aptos và Sui đều có khả năng xử lý song song, và hệ sinh thái cũng phát triển rất tốt, giá trị vốn hóa thị trường của token lần lượt đạt 45 tỷ, 3,3 tỷ và 1,9 tỷ USD, chúng hình thành nên một nhóm không phải EVM song song. Đối mặt với thách thức, hệ sinh thái Ethereum cũng không chịu kém cạnh, lần lượt đứng ra để cung cấp năng lượng cho EVM, chúng hình thành nên một nhóm EVM song song.

Một nền tảng giao dịch đã công khai tuyên bố trong đề xuất nâng cấp phiên bản v2 của mình rằng sẽ trở thành "chuỗi khối EVM song song đầu tiên", hiện tại có giá trị thị trường lưu thông 2.1 tỷ USD và dự kiến sẽ có sự phát triển lớn hơn nữa. Hiện tại, chuỗi khối công cộng EVM song song Monad đang nhận được sự yêu thích từ các nhà đầu tư, tiềm năng không thể xem nhẹ. Trong khi đó, chuỗi khối L1 Canto với giá trị thị trường 170 triệu USD và cơ sở hạ tầng công cộng miễn phí đi kèm cũng đã công bố đề xuất nâng cấp EVM song song của riêng mình.

Ngoài ra, nhiều dự án L2 vẫn đang ở giai đoạn đầu cũng đang cung cấp sự cải thiện hiệu suất xuyên sinh thái thông qua việc tích hợp khả năng của nhiều chuỗi L1. Ngoài Neon với giá trị vốn hóa lưu thông đạt 69 triệu USD, các dự án khác vẫn thiếu dữ liệu liên quan. Tin rằng trong tương lai sẽ có nhiều dự án L1 và L2 tham gia vào chiến trường blockchain song song.

Không chỉ có câu chuyện EVM song song mà còn có nhiều không gian tăng trưởng thị trường, mà phần blockchain song song thuộc về câu chuyện EVM song song cũng còn có nhiều không gian tăng trưởng thị trường, do đó triển vọng thị trường rất rộng lớn.

Hiện tại, tổng giá trị lưu thông của L1 và L2 là 7521.23 tỷ USD, trong khi giá trị lưu thông của blockchain song song là 525.39 tỷ USD, chỉ chiếm khoảng 7%. Trong đó, giá trị lưu thông của các dự án liên quan đến câu chuyện EVM song song là 23.39 tỷ USD, chỉ chiếm 4% giá trị lưu thông của blockchain song song.

Phân loại dự án kể chuyện EVM song song

Ngành công nghiệp thường chia mạng blockchain thành 4 lớp cấu trúc:

1. Layer 0（Mạng）：Blockchain nền tảng mạng, xử lý các giao thức truyền thông mạng cơ bản
2. Layer 1 (Cơ sở hạ tầng): Mạng phi tập trung dựa vào các cơ chế đồng thuận khác nhau để xác thực giao dịch
3. Layer 2 (Mở rộng): Dựa vào các giao thức lớp hai khác nhau của Layer 1, nhằm giải quyết các hạn chế khác nhau của Layer 1, đặc biệt là khả năng mở rộng.
4. Layer 3 (Ứng dụng): phụ thuộc vào Layer 2 hoặc Layer 1, được sử dụng để xây dựng các ứng dụng phi tập trung khác nhau (dApp)

Dự án kể chuyện EVM song song chủ yếu chia thành blockchain đơn thể và blockchain mô-đun, blockchain đơn thể lại chia thành L1 và L2. Từ tổng số dự án và sự phát triển của một vài lĩnh vực chính, có thể thấy rằng hệ sinh thái công khai L1 EVM song song vẫn còn rất nhiều không gian phát triển so với hệ sinh thái Ethereum.

Lĩnh vực DeFi có nhu cầu về "tốc độ cao và phí thấp", lĩnh vực trò chơi có nhu cầu về "tương tác thời gian thực mạnh mẽ", cả hai đều có yêu cầu nhất định về tốc độ thực hiện. EVM song song chắc chắn sẽ mang lại trải nghiệm người dùng tốt hơn cho những dự án này, thúc đẩy sự phát triển của ngành vào một giai đoạn hoàn toàn mới.

L1 là chuỗi công khai mới có khả năng thực thi song song tích hợp, là hạ tầng hiệu suất cao. Trong nhóm L1, các dự án như Sei v2, Monad và Canto đại diện cho việc tự thiết kế EVM song song, tương thích với hệ sinh thái Ethereum và cung cấp khả năng xử lý giao dịch với thông lượng cao.

L2 thông qua việc tích hợp khả năng của các chuỗi L1 khác, cung cấp khả năng mở rộng cho sự hợp tác xuyên sinh thái, là lĩnh vực nổi bật của rollup. Trong nhóm L2, Neon là một trình giả lập EVM trên mạng Solana, Eclipse sử dụng Solana để thực hiện giao dịch nhưng thực hiện thanh toán trên EVM. Lumio tương tự như Eclipse, chỉ khác là thay đổi lớp thực thi thành Aptos.

Ngoài giải pháp blockchain đơn thể đã đề cập, Fuel đã đưa ra ý tưởng blockchain mô-đun của riêng mình. Phiên bản thứ hai sẽ định vị nó như một hệ điều hành rollup của Ethereum, cung cấp khả năng thực thi mô-đun linh hoạt và triệt để hơn.

Fuel tập trung vào việc thực hiện giao dịch, trong khi phần còn lại được thuê cho một hoặc nhiều blockchain độc lập, từ đó đạt được sự kết hợp linh hoạt hơn: có thể trở thành L2, L1, thậm chí là chuỗi bên hoặc kênh trạng thái. Hiện tại, hệ sinh thái Fuel có 17 dự án, chủ yếu tập trung vào ba lĩnh vực DeFi, NFT và cơ sở hạ tầng.

Tuy nhiên chỉ có Orally oracle cross-chain đã được đưa vào ứng dụng thực tế. Nền tảng cho vay phi tập trung Swaylend và nền tảng giao dịch hợp đồng vĩnh viễn SPARK đã lên mạng thử nghiệm, các dự án khác vẫn đang trong quá trình phát triển.

Nguyên lý công nghệ EVM song song

Để thực hiện việc thực thi giao dịch phi tập trung, mạng Blockchain phải thực hiện 4 trách nhiệm:

• Thực hiện: Thực hiện và xác minh giao dịch
• Tính khả dụng của dữ liệu: Phân phối khối mới đến tất cả các nút trong mạng blockchain
• Cơ chế đồng thuận: xác thực khối, đạt được đồng thuận
• Kết toán: Kết toán và ghi lại trạng thái cuối cùng của giao dịch

EVM song song chủ yếu là tối ưu hóa hiệu suất của lớp thực thi. Điều này được chia thành hai loại giải pháp: giải pháp mạng lớp một (L1) và giải pháp mạng lớp hai (L2). Giải pháp L1 giới thiệu cơ chế thực thi giao dịch song song, cho phép giao dịch được thực thi song song trong máy ảo. Giải pháp L2 về bản chất là sử dụng máy ảo L1 đã được phân tán để thực hiện một mức độ "thực thi ngoài chuỗi + thanh toán trên chuỗi".

Vì vậy, để hiểu nguyên lý kỹ thuật của EVM song song, chúng ta cần phân tích nó: trước tiên hiểu máy ảo (virtual machine) là gì, sau đó hiểu thực thi song song (parallel execution) là gì.

Máy ảo

Trong khoa học máy tính, máy ảo đề cập đến việc ảo hóa (virtualization) hoặc mô phỏng (emulation) một hệ thống máy tính.

Máy ảo được chia thành hai loại, một loại gọi là máy ảo hệ thống (system virtual machine), có thể ảo hóa một máy vật lý thành nhiều máy, chạy nhiều hệ điều hành, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên. Loại còn lại gọi là máy ảo tiến trình (process virtual machine), cung cấp sự trừu tượng cho một số ngôn ngữ lập trình cao cấp, cho phép các chương trình máy tính được viết bằng ngôn ngữ này chạy trên các nền tảng khác nhau một cách độc lập với nền tảng.

JVM là một loại máy ảo tiến trình được thiết kế cho ngôn ngữ lập trình Java. Các chương trình được viết bằng ngôn ngữ Java trước tiên được biên dịch thành mã byte Java (một loại mã nhị phân ở trạng thái trung gian), mã byte Java được JVM giải thích và thực thi: JVM gửi mã byte cho trình thông dịch, trình thông dịch sẽ dịch nó thành mã máy trên các máy khác nhau, sau đó chạy trên máy.

Máy ảo blockchain là một loại máy ảo quy trình. Trong bối cảnh blockchain, máy ảo đề cập đến việc ảo hóa một bộ máy trạng thái phân tán, được sử dụng để thực thi hợp đồng một cách phân tán, chạy dApp. Tương tự như JVM, EVM là một loại máy ảo quy trình được thiết kế cho ngôn ngữ Solidity, hợp đồng thông minh trước tiên được biên dịch thành mã byte opcode, sau đó được EVM giải thích và thực thi.

Ngoài Ethereum, các chuỗi công khai mới nổi khi triển khai máy ảo của riêng mình thường sử dụng máy ảo dựa trên mã byte WASM hoặc eBPF. WASM là một định dạng mã byte nhỏ, tải nhanh, có thể di chuyển và dựa trên cơ chế an toàn sandbox. Các nhà phát triển có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau (C, C++, Rust, Go, Python, Java thậm chí cả TypeScript) để viết hợp đồng thông minh, sau đó biên dịch thành mã byte WASM và thực thi. Hợp đồng thông minh được thực thi trên một chuỗi công khai cụ thể chính là sử dụng định dạng mã byte này.

eBPF có nguồn gốc từ BPF (Berkeley Packet Filter, bộ lọc gói dữ liệu Berkeley), ban đầu được sử dụng để lọc hiệu quả các gói dữ liệu mạng, sau đó trải qua quá trình tiến hóa hình thành eBPF, cung cấp tập lệnh phong phú hơn.

Nó là một công nghệ cách mạng 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 và phát triển thành runtime eBPF ở chế độ người dùng, với hiệu suất cao, an toàn và khả năng di động. Các hợp đồng thông minh được thực thi trên Solana sẽ được biên dịch thành mã byte eBPF và chạy trên mạng blockchain của nó.

Trong số các chuỗi khối L1 khác, Aptos và Sui sử dụng ngôn ngữ lập trình hợp đồng thông minh Move, biên dịch thành mã byte đặc trưng để thực thi trên máy ảo Move. Monad thì tự thiết kế máy ảo tương thích với mã byte opcode EVM (nhánh Shanghai).

Cơ chế thực thi song song

Thực thi song song là một kỹ thuật như vậy:

1. Có thể phát huy lợi thế của bộ xử lý đa nhân để xử lý nhiều tác vụ đồng thời, tăng cường thông lượng hệ thống;
2. Đảm bảo rằng kết quả giao dịch nhận được hoàn toàn giống với khi thực hiện giao dịch theo thứ tự tuần tự.

Mạng blockchain thường sử dụng TPS (số lượng giao dịch được xử lý mỗi giây) như một chỉ số kỹ thuật để đo tốc độ xử lý. Cơ chế thực thi song song khá phức tạp và cũng thử thách trình độ kỹ thuật của các nhà phát triển, việc giải thích rõ ràng không hề dễ dàng. Dưới đây sẽ bắt đầu từ một ví dụ về "ngân hàng" để giải thích song song thực thi là gì.

Đầu tiên, chuỗi thực thi là gì?

Tình huống 1: Nếu chúng ta xem hệ thống như một ngân hàng, và CPU thực hiện nhiệm vụ như quầy giao dịch, thì việc thực hiện nhiệm vụ theo tuần tự giống như ngân hàng này chỉ có một quầy tiếp nhận giao dịch. Lúc này, khách hàng (nhiệm vụ) đến ngân hàng để thực hiện giao dịch chỉ có thể xếp thành một hàng dài, lần lượt thực hiện giao dịch. Đối với mỗi khách hàng, nhân viên quầy phải lặp lại cùng một hành động (thực hiện lệnh) để xử lý giao dịch cho khách hàng. Khi chưa đến lượt, khách hàng chỉ có thể chờ đợi, điều này dẫn đến thời gian giao dịch kéo dài.

Vậy thì thực thi song song là gì?

Tình huống 2: Lúc này, ngân hàng thấy đông đúc, nên đã mở thêm vài quầy để xử lý giao dịch, có 4 giao dịch viên cùng xử lý công việc tại quầy, tốc độ nhanh hơn khoảng 4 lần so với trước, vậy thời gian khách hàng phải xếp hàng cũng giảm còn khoảng 1/4 so với trước, tốc độ giao dịch của ngân hàng được nâng cao.

Nếu không có biện pháp bảo vệ, điều gì sẽ xảy ra khi hai người cùng chuyển tiền cho một người khác?

Tình huống 3: A, B và C là ba người, tài khoản của họ lần lượt có 2 ETH, 1 ETH và 0 ETH, bây giờ A và B lần lượt muốn chuyển cho C 0.5 ETH. Trong một hệ thống thực hiện giao dịch theo tuần tự, sẽ không có vấn đề gì xảy ra (mũi tên trái "\u003c=" biểu thị việc đọc sổ cái, mũi tên phải "=\u003e" biểu thị việc ghi vào sổ cái, tương tự sau này):

A.transfer(C, 0.5):

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