イーサリアム仮想マシンEVM

EVM vs 堅牢性

スマートコントラクト開発はブロックチェーンエンジニアの基本スキルです。開発者は通常、ビジネスロジックを実装するためにSolidityやその他の高級言語を使用します。しかし、EVMはSolidityコードを直接解釈できず、仮想マシンが実行可能な低級言語(オペコード/バイトコード)にコンパイルする必要があります。現在、この変換プロセスを自動で完了できるツールがあり、開発者がコンパイルの詳細を理解する負担を軽減しています。

コンパイルにはいくつかの追加オーバーヘッドが発生しますが、低レベルのコーディングに慣れたエンジニアは、Solidity内でオペコードを使用してプログラムロジックを直接記述し、最高の効率を実現し、ガス消費を削減できます。例えば、ある有名なNFT取引プラットフォームの取引プロトコルは、ユーザーのガスコストを最小限に抑えるためにインラインアセンブリを広く使用しています。

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EVMの性能差:規格と実装

EVM(は「実行層」とも呼ばれ、)はコンパイルされたスマートコントラクトのオペコードが最終的に実行される場所です。EVMが定義したバイトコードは業界標準となっています。イーサリアムLayer 2ネットワークや他の独立したブロックチェーンに関わらず、EVM標準との互換性は開発者が複数のネットワーク上でスマートコントラクトを効率的に展開できるようにします。

EVMバイトコード標準に従うことで仮想マシンがEVMになるものの、具体的な実装方法は大きく異なる場合があります。例えば、イーサリアムのあるクライアントはGo言語でEVM標準を実装しており、イーサリアム財団の別のチームはC++実装を維持しています。この多様性は、異なるエンジニアリングの最適化やカスタマイズ実装を可能にします。

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パラレルEVM技術

歴史的に、ブロックチェーンコミュニティは主にコンセンサスアルゴリズムの革新に注目してきました。一部の有名なプロジェクトは、そのコンセンサスメカニズムによって知られ、実行層ではありません。これらのプロジェクトは実行層でも革新がありますが、その性能はしばしばコンセンサスアルゴリズムにのみ起因すると誤解されています。

実際、高性能ブロックチェーンは革新的なコンセンサスアルゴリズムと最適化された実行層の組み合わせを必要とし、木桶の理論に似ています。コンセンサスアルゴリズムのみを改善したEVMブロックチェーンにとって、性能を向上させるには、しばしばより強力なノードハードウェアが必要です。例えば、ある有名なスマートチェーンは2000 TPSのガス制限の下でブロックを処理するために、イーサリアムのフルノードよりもはるかに高いスペックのマシンを配置する必要があります。あるLayer 2スケーリングソリューションは理論的には最大1000 TPSをサポートしていますが、実際の性能はしばしば期待を下回ります。

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並列処理の必要性

ほとんどのブロックチェーンシステムでは、取引は順番に実行され、単一のCPUに似ており、次の計算は現在の計算が完了するまで開始できません。この方法はシンプルでシステムの複雑さが低いですが、インターネット規模のユーザーベースに拡張することは難しいです。マルチコアCPU並列仮想マシンに移行することで、同時に複数の取引を処理でき、スループットが大幅に向上します。

並行実行は、同じスマートコントラクトへの同時トランザクションの書き込みを処理するなど、いくつかのエンジニアリング上の課題をもたらします。これらの競合を解決するために新しいメカニズムを設計する必要があります。無関係なスマートコントラクトの並行実行は、並行処理スレッド数に比例してスループットを向上させることができます。

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パラレルEVMのイノベーション

並行EVMは、ブロックチェーンシステムの実行層を最適化することを目的とした一連の革新を代表しています。あるプロジェクトの例として、その主要な革新には次のものが含まれます:

• 並行取引の実行:楽観的並行実行アルゴリズムを採用し、複数の取引を同時に処理することを許可します。この方法は、同じ初期状態から取引を開始し、入力と出力を追跡し、各取引の一時結果を生成します。次の取引の入力が現在処理中の取引の出力に関連しているかどうかを確認することで、次の取引を実行するかどうかを決定します。

• 遅延実行:コンセンサスメカニズムにおいて、ノードはマスターノードや検証ノードに取引を実行させることなく、取引の正式な順序を達成できます。最初は、マスターノードが取引の順序を決定し、ノード間で順序の合意を形成します。実行は独立したチャネルに遅延され、ブロック時間を最大限に活用し、全体の実行効率を向上させます。

• カスタム状態データベース: MerkleツリーをSSDに直接保存することで、状態の保存とアクセスを最適化します。この方法は、読み取り増幅効果を最小限に抑え、状態アクセス速度を向上させ、スマートコントラクトの実行をより迅速かつ効率的にします。

• 高性能コンセンサス機構: HotStuffコンセンサス機構に基づく改良版で、数百のグローバル分散ノード間の同期をサポートし、線形通信複雑度を持つ。パイプライン投票フェーズを使用し、投票プロセスの異なる段階が重複して行われることで、遅延を減少させ、コンセンサス効率を向上させる。

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チャレンジと考慮事項

並行EVMは、イーサリアムの長期的なエンジニアリング価値の獲得とノードの集中化という2つの主要な課題に直面しています。現在、開発段階は知的財産を保護するために完全にはオープンソース化されていませんが、これらの詳細はテストネットとメインネットの立ち上げ時に最終的に公開される予定で、イーサリアムや他のブロックチェーンに吸収されるリスクがあります。エコシステムの迅速な発展が競争優位性を維持する鍵となるでしょう。

ノードの集中化はすべての高性能ブロックチェーンにとって課題であり、"ブロックチェーンの三難のジレンマ"の中でバランスを取る必要があります。"各ハードウェア要求のTPS"などの指標は、特定のハードウェア条件下でのブロックチェーンの効率を比較するのに役立ちます。なぜなら、低いハードウェア要求はより多くの分散化ノードを可能にするからです。

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パラレルEVMランドスケープ

並行EVMパターンは複数のプロジェクトを含み、一部はLayer 1ブロックチェーンであり、一部はLayer 2ソリューションである可能性があります。一部のプロジェクトは他のネットワークに基づいており、オープンソースクライアントの開発もあります。

現在、既存の並行EVMネットワークは3つのカテゴリに分けられます:

1. 並行実行技術でアップグレードされたEVM互換のLayer 1ネットワーク: これらのネットワークは当初、並行実行を採用していませんでしたが、技術的なイテレーションを通じて並行EVMをサポートするようにアップグレードされました。

2. 最初から並列実行技術を備えたEVM互換のレイヤー1ネットワーク。

3. 非EVM並行実行技術を採用したLayer 2ネットワーク：これには、拡張指向のLayer 2 EVM互換チェーンが含まれます。これらのネットワークはEVMをプラグイン可能な実行モジュールに抽象化し、必要に応じて最適な「VM実行層」を選択できるようにして、並行能力を実現します。

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まとめ

ブロックチェーン技術の発展に伴い、実行層とコンセンサスアルゴリズムに対する関心も重要であり、高性能を実現するために必要です。並列EVMのような革新は、スループットと効率を向上させる有望な解決策を提供し、ブロックチェーンのスケーラビリティを高め、広範なユーザー層をサポートすることができます。これらの技術の発展と実装は、ブロックチェーンエコシステムの未来を形作り、この分野のさらなる進展と応用を促進するでしょう。

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