EVM: O núcleo do Ethereum

EVM (Máquina Virtual Ethereum) é o núcleo do Ethereum, responsável por executar contratos inteligentes e processar transações.

Máquinas virtuais são geralmente usadas para a virtualização de computadores reais, realizada por um hipervisor ou uma instância inteira de sistema operacional. Elas devem fornecer uma abstração de software das funcionalidades de hardware real, chamadas de sistema e outras funcionalidades do núcleo.

O EVM opera num domínio mais limitado: é apenas um motor de cálculo que fornece uma abstração de cálculo e armazenamento, semelhante à especificação da máquina virtual Java (JVM). A um nível mais alto, a JVM foi projetada para fornecer um ambiente de execução independente do sistema operativo ou hardware subjacente, permitindo compatibilidade entre sistemas. Da mesma forma, o EVM executa o seu próprio conjunto de instruções em bytecode, que normalmente é gerado pelo Solidity.

EVM é uma máquina de estados quase Turing completa, sendo "quase" porque todos os passos de execução consomem recursos limitados de Gas, portanto, qualquer execução de contrato inteligente dada será limitada a um número finito de passos de cálculo, evitando possíveis loops infinitos no processo de execução, o que poderia levar à paragem de toda a plataforma Ethereum.

A EVM não possui funcionalidade de agendamento, o módulo de execução do Ethereum retira transações dos blocos, e a EVM é responsável por executá-las sequencialmente. Durante o processo de execução, o estado do mundo mais recente é modificado, e após a conclusão da execução de uma transação, o estado é acumulado até alcançar o estado do mundo mais recente após a conclusão do bloco. A execução do próximo bloco depende estritamente do estado do mundo após a execução do bloco anterior, portanto, o processo de execução linear das transações do Ethereum não consegue otimizar bem a execução paralela.

Nesse sentido, o protocolo Ethereum estipula que as transações sejam executadas em ordem. Embora a execução em ordem garanta que as transações e contratos inteligentes possam ser executados em uma sequência determinística, garantindo a segurança, em situações de alta carga, isso pode levar a congestionamentos e atrasos na rede, razão pela qual o Ethereum tem um grande gargalo de desempenho e precisa de expansão Layer2 Rollup.

O caminho paralelo de um Layer1 de alto desempenho

A maioria das Layer1 de alto desempenho é projetada com base na falha de processamento paralelo do Ethereum para criar suas próprias soluções de otimização. Aqui, falaremos apenas sobre a otimização da camada de execução, ou seja, a máquina virtual e a execução paralela.

Máquina Virtual

A EVM é projetada como uma máquina virtual de 256 bits, com o objetivo de facilitar o processamento do algoritmo de hash do Ethereum, produzindo claramente uma saída de 256 bits. No entanto, os computadores que executam a EVM precisam mapear os bytes de 256 bits para a arquitetura local para executar contratos inteligentes, tornando todo o sistema muito ineficiente e impraticável. Portanto, na escolha da máquina virtual, as Layer1 de alto desempenho tendem a usar máquinas virtuais baseadas em WASM, bytecode eBPF ou bytecode Move, em vez da EVM.

WASM é um formato de bytecode pequeno, de carregamento rápido, portátil e baseado em um mecanismo de segurança de sandbox, que permite que os desenvolvedores escrevam contratos inteligentes em várias linguagens de programação e os compilen em bytecode WASM para execução. O WASM já foi adotado como padrão por muitos projetos de blockchain, incluindo EOS, Dfinity, Polkadot, Cosmos, Near, entre outros, e o Ethereum também integrará o WASM no futuro, garantindo que a camada de execução do Ethereum seja mais eficiente e simples, adequando-se como uma plataforma de computação totalmente descentralizada.

O eBPF é a evolução do BPF (Berkeley Packet Filter), que originalmente era utilizado para filtragem eficiente de pacotes de dados de rede. Após a sua evolução, formou-se o eBPF, que oferece um conjunto de instruções mais rico, permitindo a intervenção dinâmica e a modificação do comportamento do núcleo do sistema operacional sem alterar o código-fonte. Mais tarde, 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 em uma determinada blockchain são compilados em bytecode SBF (baseado em eBPF) e executados na sua rede.

Move é uma nova linguagem de programação de contratos inteligentes, focada em flexibilidade, segurança e verificabilidade. A linguagem Move foi projetada para resolver problemas de segurança em ativos e transações, permitindo que ativos e transações sejam rigorosamente definidos e controlados. O verificador de bytecode Move é uma ferramenta de análise estática que analisa o bytecode Move e determina se está em conformidade com as regras de segurança de tipo, memória e recursos exigidas, sem a necessidade de ser implementado a nível de contrato inteligente e verificado em tempo de execução. Algumas novas blockchains emergentes herdaram o Move ou escreveram seus contratos inteligentes através de uma versão personalizada do Move.

Execução em paralelo

A execução paralela na blockchain significa processar transações não relacionadas simultaneamente. Considere transações não relacionadas como eventos que não se afetam mutuamente. Por exemplo, se duas pessoas negociam tokens em plataformas de negociação diferentes, suas transações podem ser processadas ao mesmo tempo. No entanto, se estiverem negociando na mesma plataforma, pode ser necessário executar as transações em uma ordem específica.

O principal desafio da execução paralela é determinar quais transações são irrelevantes e quais são independentes. A maioria das Layer1 de alto desempenho depende de duas abordagens: método de acesso ao estado e modelo de paralelismo otimista.

O método de acesso ao estado precisa saber previamente qual parte do estado da blockchain cada transação pode acessar, a fim de analisar quais transações são independentes. A proposta representativa são algumas novas blockchains emergentes.

Em algumas blockchains públicas, os programas (contratos inteligentes) são sem estado, pois não podem acessar (ler ou escrever) nenhum estado que persista durante todo o processo de transação. Para acessar ou manter estado, os programas precisam usar contas. Cada transação deve especificar quais contas serão acessadas durante a execução da transação, de modo que o tempo de execução do processamento da transação possa agendar transações não sobrepostas para execução em paralelo, garantindo ao mesmo tempo a consistência dos dados.

Em algumas implementações do Move, cada contrato inteligente é um módulo composto por definições de funções e estruturas. As estruturas são instanciadas dentro das funções e podem ser passadas para outros módulos através de chamadas de função. As instâncias de estruturas armazenadas em tempo de execução existem como objetos, e há três tipos diferentes de objetos: objetos proprietários, objetos compartilhados e objetos imutáveis. A estratégia de paralelização é semelhante à mencionada anteriormente, e as transações também precisam especificar quais objetos estão sendo operados.

O modelo otimista em paralelo opera sob a suposição de que todas as transações são independentes, apenas validando retroativamente essa suposição e ajustando-a quando necessário. Os representantes do esquema são algumas novas blockchains emergentes.

Uma determinada blockchain utiliza o Block-STM (Memória de Transações de Software de Bloco) para aplicar a execução paralela otimista. No Block-STM, as transações são inicialmente configuradas dentro de um bloco de acordo com uma ordem específica e, em seguida, divididas entre diferentes threads de processamento para serem executadas simultaneamente. Ao processar essas transações, o sistema rastreia as posições de memória alteradas por cada transação. Após cada rodada de processamento, o sistema verifica todos os resultados das transações. Se descobrir que uma transação tocou em uma posição de memória alterada por transações anteriores, ela apaga seu resultado e a executa novamente. Esse processo continua até que todas as transações no bloco tenham sido processadas.

EVM paralelo

A EVM paralela (Parallel EVM) foi mencionada pela primeira vez em 2021, referindo-se a uma EVM que suporta o processamento simultâneo de várias transações, com o objetivo de melhorar o desempenho e a eficiência da EVM existente. Algumas soluções incluem EVMs paralelas implementadas por certas blockchains públicas com base no Block-STM.

Mas no final de 2023, alguns especialistas da indústria mencionaram, de forma unânime, a EVM paralela ao olhar para as tendências de 2024, impulsionando uma onda de adoção de Layer1 compatível com EVM que utilizam tecnologia de execução paralela, incluindo alguns projetos emergentes.

Atualmente, algumas soluções compatíveis com EVM, Layer2 Rollup da SVM Ethereum (máquina virtual Solana), Layer2 Rollup da máquina virtual Move Ethereum e a camada de execução modular Layer1 estão todas sendo rotuladas como EVM paralelo, o que é deslumbrante.

Eu acho que as únicas três categorias que podem ser definidas como EVMs paralelos são:

1. Atualizações de execução paralela de Layer 1 compatíveis com EVM que não utilizam tecnologia de execução paralela, como algumas cadeias públicas populares;

2. Layer1 compatível com EVM que utiliza tecnologia de execução paralela, como alguns projetos emergentes;

3. Soluções compatíveis com EVM em Layer1 não compatíveis com EVM que utilizam tecnologia de execução paralela, como alguns projetos de cross-chain.

Certas blockchains principais que são as mais populares como Layer1 compatível com EVM não precisam de muitas apresentações, aqui está uma breve introdução a alguns projetos emergentes e soluções de cross-chain.

Algumas novas blockchains emergentes são de alto desempenho Layer 1 compatíveis com EVM que utilizam o mecanismo PoS, com o objetivo de melhorar significativamente a escalabilidade e a velocidade das transações por meio da execução paralela. Elas permitem a execução paralela de transações dentro de um bloco para aumentar a eficiência. Geralmente, um modelo de paralelismo otimista é utilizado, começando a executar novas transações antes da conclusão da execução do passo anterior. Para lidar com resultados incorretos, as entradas/saídas são rastreadas e transações inconsistentes são reexecutadas. Um analisador de código estático pode prever dependências, evitando paralelismo inválido e retornando ao modo simples em caso de incerteza. Essa execução paralela aumenta a capacidade de processamento, enquanto reduz a probabilidade de falhas nas transações.

Algumas soluções de cross-chain são soluções desenvolvidas para executar transações EVM sobre outras blockchains públicas. Na prática, trata-se de um contrato inteligente que implementa um interpretador EVM, compilado para um bytecode específico. Internamente, foi implementado um modelo de transação e um modelo de conta do Ethereum, onde os usuários só precisam pagar a taxa de GAS EVM para enviar transações. As taxas da rede nativa são pagas por um intermediário. Algumas blockchains públicas exigem que as transações forneçam uma lista de contas, e as transações embaladas não são exceção, portanto, a responsabilidade do intermediário inclui gerar essa lista de contas, ao mesmo tempo que obtém a capacidade de execução paralela de transações nativas.

Aqui está um adendo: existem outros projetos de cross-chain semelhantes que utilizam o EVM para executar contratos inteligentes e alcançar compatibilidade com o EVM. Teoricamente, algumas novas blockchains também podem adotar essa abordagem para obter compatibilidade com o EVM sem invasão, e alguns projetos estão trabalhando nessa direção. Alguns projetos são uma estrutura modular destinada a construir e implantar infraestrutura, aplicativos e blockchains baseados em Move em qualquer ambiente distribuído. Alguns desses módulos podem converter os códigos de operação do EVM de forma integrada em códigos de operação do Move, o que significa que projetos em Solidity podem aproveitar o desempenho e as vantagens de segurança do Move sem precisar escrever uma linha de código em Move.

A compatibilidade com EVM permite que os desenvolvedores migrem facilmente suas aplicações Ethereum para a blockchain, sem a necessidade de grandes modificações, sendo uma boa direção para a construção de um novo ecossistema de blockchain emergente.

Resumo

A tecnologia de paralelismo em blockchain já é um tema recorrente, a narrativa a cada intervalo de tempo volta a surgir, mas atualmente o foco principal está na modificação e imitação de modelos de execução otimista representados pelo mecanismo Block-STM de algumas blockchains públicas, sem avanços substanciais, o que dificulta a manutenção do entusiasmo.

Olhando para o futuro, haverá mais projetos emergentes de Layer1 a entrar na competição paralela do EVM, e para alguns Layer1 mais antigos, também será implementada uma atualização paralela do EVM ou uma solução compatível com EVM. Ambas as direções convergem, e mais narrativas relacionadas ao aumento de desempenho também surgirão.

No entanto, em comparação com a narrativa de EVM de alto desempenho, eu ainda espero que a blockchain floresça de várias maneiras, surgindo narrativas semelhantes a WASM, SVM e Move VM.