- 并行EVM的必要性在于它解决了传统EVM按顺序处理交易的效率问题，通过允许多个操作同时执行，显著提高了网络的吞吐量和性能。
- 并行EVM的实现方法包括基于调度的并发处理、多线程EVM实例、系统级分片，同时面临诸如不可靠时间戳、区块链确定性和验证者收益导向等技术挑战。
- Monad Labs通过其Layer 1项目Monad，旨在通过独特技术特性显著提升区块链的可扩展性和交易速度，特点包括每秒处理高达10,000笔交易、1秒区块时间、并行执行能力和MonadBFT共识机制。
- Sei V2是Sei网络的重要升级，旨在成为首个完全并行化的EVM，提供向后兼容EVM智能合约、乐观并行化、新的SeiDB数据结构和与现有链的互操作性，旨在大幅提升交易处理速度和网络可扩展性。
- Neon EVM是在Solana上的平台，旨在为以太坊dApps提供高效、安全、去中心化的环境，允许开发者轻松部署和运行dApps，同时利用Solana的高吞吐量和低成本优势。
- Lumio是Pontem Network开发的一种Layer 2解决方案，它通过独特支持EVM和Aptos使用的Move VM，创新地解决了以太坊的可扩展性挑战，将Web3体验提升至接近Web2水平。
- Eclipse是一个以太坊Layer 2解决方案，使用SVM加速交易处理，采用模块化rollup架构，整合了以太坊结算、SVM智能合约、Celestia数据可用性和RISC Zero欺诈证明。
- Solana利用其Sealevel技术实现并行智能合约处理，Sui通过Narwhal和Bullshark组件提高吞吐量，Fuel通过UTXO模型实现并行交易执行，而Aptos使用Block-STM引擎以提升交易处理能力，均展现了区块链领域中并行技术的不同实现和优势。
- 采用并行的主要挑战包括解决数据竞争和读写冲突问题，确保技术与现有标准兼容，适应新的生态系统交互模式，以及管理系统复杂性增加，特别是在安全性和资源分配方面。
- 并行EVM展示了在增强区块链可扩展性和效率方面的巨大潜力，标志着区块链技术的一次重大转变，通过多处理器同时执行事务来提高交易处理能力，突破了传统顺序交易处理的限制。虽然并行EVM提供了巨大的潜力，但它们的成功实施需要克服复杂的技术挑战，并确保广泛的生态系统采用。
并行EVM的必要性并行EVM（以太坊虚拟机）的必要性源于其能够显著提升区块链网络的性能和效率。传统的EVM按顺序处理交易，这不仅耗费大量能源，而且对网络验证者的工作负担很大。这种处理方式通常导致高交易成本和效率低下，被认为是阻碍区块链广泛采用的主要障碍。
并行EVM通过允许多个操作同时执行，彻底改变了共识过程。并行执行的能力极大地提高了网络的吞吐量，从而增强了整个区块链的性能和可扩展性。利用并行EVM，区块链网络能够在更短的时间内处理更多的交易，有效解决了传统区块链系统常见的拥堵问题和慢速处理时间。
并行EVM对区块链技术的各个方面都有重大影响：
- 它提供了一种更节能高效的交易处理方法。通过减轻验证者和整个网络的工作负担，并行EVM有助于构建更可持续的区块链生态系统。
- 提高的可扩展性和增加的吞吐量直接导致交易费用的降低。用户将享受到更经济的体验，使区块链平台对更广泛的受众更具吸引力。
- 同时处理多个交易而非按顺序处理，意味着dApps即使在网络高需求期间也能更顺畅地运行。
并行EVM的实现方法在当前的EVM架构中，最精细的读写操作是sload和sstore，分别用于从状态trie读取和写入数据。因此，确保不同线程在这两个操作上不发生冲突是实现并行/并发EVM的一个简单入口点。事实上，以太坊中有一种特殊的交易类型，包括一个称为“访问列表”的特殊结构，允许携带将要读取和修改的存储地址的交易。因此，这为实现基于调度的并发方法提供了一个良好的起点。
在系统实现方面，有三种常见的并行/并发EVM形式：
- 一个EVM实例的多线程。
- 一个节点上多个EVM实例的多线程。
- 多个节点上多个EVM实例的多线程（基本上是系统级的分片）。
- 不可靠的时间戳使得基于时间戳的并发方法难以在区块链世界中部署。
- 区块链系统上绝对的确定性，以确保不同验证者之间重新执行的交易是相同的。
- 验证者的最终目标是更高的收益，而不是更快地执行交易。
- 需要系统级的共识，更快的执行将带来更高的回报。
- 考虑到区块限制的多变量调度算法，可以在能够更快完成执行的同时捕获更多收入。
- 更细粒度的数据操作，包括操作码级的数据锁定、内存缓存层等。
- MonadBFT：
- MonadBFT是Monad区块链的高性能共识机制，用于在拜占庭行为者存在的情况下，在部分同步条件下达成交易排序的一致性。它是基于HotStuff的改进版，采用了两阶段的BFT算法，具有乐观响应性，并在常见情况下具有线性通信开销，在超时情况下具有二次通信开销。在MonadBFT中，领导者每轮向验证者发送一个新块和前一轮的QC（Quorum Certificate）或TC（Timeout Certificate）。验证者对该块进行审核，如果同意，会向下一轮的领导者发送签名的“是”投票。这个过程通过阈值签名来聚合**2f+1**个验证者的“是”投票形成QC。在通信的常见情况下，领导者向验证者发送块，验证者直接向下一轮的领导者发送投票。MonadBFT还采用了基于配对的BLS签名，以解决可伸缩性问题，它可以将签名增量聚合成一个签名，验证单个有效聚合签名就能证明与公钥关联的股份都已签署了该消息。为了性能考虑，MonadBFT采用了混合签名方案，其中BLS签名仅用于可聚合的消息类型（投票和超时）。消息的完整性和真实性仍由ECDSA签名提供。由于这些特点，MonadBFT能够实现高效和稳健的区块链共识。
- 延迟执行：
- 这是一项关键的创新，使执行过程从共识过程中解耦。在这种架构下，共识过程涉及节点就交易的官方排序达成一致，而执行则是实际执行这些交易并更新状态的过程。在这种设计中，领导节点提出交易排序，但在提出排序时还不知道最终的状态根；验证节点在对块有效性进行投票时，也不知道块中的所有交易是否会执行成功。
- 这种设计允许Monad实现显著的速度提升，使得单分片区块链可以扩展到数百万用户。在Monad中，每个节点在对块N达成共识的同时，独立执行块N中的交易，并开始对块N+1达成共识。这种方法允许更大的gas预算，因为执行只需跟上共识的速度。此外，由于执行只需平均上跟上共识，这种方法对计算时间的具体变化更具容忍性。
- 为了进一步确保状态机复制，Monad在区块提案中包含了一个延迟了D个区块的Merkle根。这种延迟的Merkle根确保了即使有节点执行错误或恶意行为，也能维持整个网络的一致性。
- 在MonadBFT中，最终确定性是单槽（1秒），执行结果通常在全节点上落后不到1秒。这种单槽的最终确定性意味着，提交交易后，用户将在单个区块之后看到交易的官方排序。除非网络的超级多数行为恶意，否则不会有重新排序的可能性。对于需要快速了解交易结果的用户（例如，高频交易者），可以运行全节点以最小化延迟。
- 并行执行：
- 它使得Monad能够同时执行多个交易。这种方法在首次看来似乎与以太坊的执行语义不同，但实际上并不是。Monad的区块与以太坊的区块相同，都是线性排序的交易集合。执行这些交易的结果在Monad和以太坊之间是相同的。
- 在并行执行过程中，Monad使用乐观执行的方法，即在块中较早的交易完成之前开始执行后续交易。这有时会导致执行结果不正确。为解决这个问题，Monad通过追踪在执行交易过程中使用的输入，并将它们与之前交易的输出进行比较。如果存在差异，表明需要使用正确的数据重新执行该交易。
- 此外，Monad在执行交易时采用了一种静态代码分析器来预测交易间的依赖关系，以避免无效的并行执行。在最佳情况下，Monad可以提前预测许多依赖关系；在最坏情况下，它会回退到简单的执行模式。
- Monad的并行执行技术不仅提高了网络效率和吞吐量，而且通过优化执行策略，减少了因为并行执行导致的交易失败的情况。
- MonadDb：
- MonadDb用于数据存储和处理的优化。它是Monad优化策略的一部分，旨在提高整体网络性能，尤其是在处理状态数据和交易数据方面。这样的组件设计用于增强数据存储的效率和可扩展性，提高区块链网络处理大量数据的能力。它包括改进的数据索引机制、更高效的存储结构和优化的数据访问路径。这些优化有助于减少数据存取时间，提高交易处理速度，从而提升整个区块链网络的性能。
Sei V2Sei V2是Sei网络的一个重要升级，它旨在成为首个完全并行化的EVM。这个升级将使Sei具备以下功能：
- 向后兼容EVM智能合约：
- 这意味着开发者可以无需更改代码，就能在Sei上部署已经过审核的、与EVM兼容的智能合约。这一点对于开发者来说极为重要，因为它简化了他们将现有智能合约从以太坊等其他区块链转移到Sei的过程。
- 从技术角度来看，Sei节点将自动导入Geth——以太坊虚拟机的Go实现。Geth将用于处理以太坊交易，任何由此产生的更新（包括状态更新或非EVM相关合约的调用）都将通过Sei为EVM创建的特殊接口进行。
- 乐观并行化：
- 它允许区块链在不需要开发者定义任何依赖关系的情况下支持并行化。这意味着所有交易可以并行运行，当出现冲突（例如，交易触及相同的状态）时，链将跟踪每个交易接触的存储部分，并按顺序重新运行这些交易。这个过程将递归地继续，直到解决所有未解释的冲突。因为交易在区块中有序排列，这个过程是确定性的，能够在保持链级别并行性的同时简化开发者的工作流程。
- SeiDB：
- 它将引入名为SeiDB的新数据结构来优化平台的存储层。SeiDB的主要目标是防止状态膨胀，即网络变得数据过重的问题，同时简化新节点的状态同步过程。这样的设计旨在提升Sei区块链的整体性能和可扩展性。
- Sei V2通过将传统的IAVL树转变为一个双组件系统——状态存储和状态承诺，实现了这一目标。这种变化显著减少了延迟和磁盘使用量，并且Sei V2还计划转向使用PebbleDB，以提高多线程访问的读写性能。
- 与现有链的互操作性：
- Sei V2允许EVM与Sei支持的任何其他执行环境之间的无缝组合，为开发者提供了更流畅的体验，他们可以轻松访问本地代币和其他链功能，如质押。它还将创建一个新组件来支持EVM智能合约。这些EVM智能合约将受益于对共识和并行化所做的所有更改，并且还能够与现有的Cosmwasm智能合约进行交互。
- Neon EVM程序：
- 它是一个编译成Berkeley Packet Filter字节码的EVM，运行在Solana上。它在Solana上处理类以太坊交易（Neon交易），遵循以太坊规则。Neon EVM通过类似去中心化的多签EVM账户进行配置，参与者可以更改Neon EVM代码和设置参数。
- Neon EVM处理交易的过程涉及几个关键步骤。首先，用户通过兼容以太坊的钱包发起类似以太坊的交易（N-tx）。这些交易通过Neon Proxy被封装成Solana交易（S-tx），然后被传递给托管在Solana上的Neon EVM程序。Neon EVM程序解封交易，验证用户签名，加载EVM状态（包括账户数据和智能合约代码），在Solana BPF（Berkeley Packet Filter）环境中执行交易，并更新Solana的状态以反映新的Neon EVM状态。
- Neon Proxy：它使以太坊dApps能够以最小的重配置方式移植到Neon。Neon Proxy将EVM交易打包成Solana交易，以容器化解决方案的形式提供，以方便使用。运行Neon Proxy服务器的操作者促进在Solana上执行类以太坊交易，接受NEON代币作为gas费用及Solana生态系统内的其他支付。
- Neon DAO：DAO为Neon基金会提供托管服务，并指导未来的研究和发展。它以Solana上的一系列合约运作，提供控制Neon EVM功能的治理层。NEON代币持有者可以参与DAO活动，包括提出和投票决定提案。
- NEON代币：这种实用代币有两个主要功能 - 支付gas费用和通过DAO参与治理。
- 集成和工具：Neon EVM支持各种开发和分析的集成和工具。这些包括块浏览器（如NeonScan）、ERC-20 SPL包装器用于代币转移、NeonPass用于在Solana和Neon EVM之间转移ERC-20代币、NeonFaucet提供测试代币，以及与MetaMask等EVM兼容钱包的兼容性。
EclipseEclipse是一个针对以太坊的Layer 2解决方案，它通过利用Solana Virtual Machine (SVM)大幅加速交易处理。Eclipse的设计旨在实现快速和可扩展性，采用模块化的rollup架构，并集成了诸如以太坊结算、SVM智能合约、Celestia数据可用性和RISC Zero安全性等关键技术。
具体来说，Eclipse Mainnet结合了最佳的模块化堆栈部件：
- 结算层 -Ethereum： Eclipse使用以太坊作为其结算层。在这一层上，交易被最终确定和安全保障。使用以太坊不仅意味着利用其健全的安全性和流动性，而且还意味着使用ETH作为支付交易费用的gas代币。这样的设置允许Eclipse从以太坊那里继承强大的安全特性。
- 执行层 -SVM：在智能合约的执行方面，Eclipse采用了SVM。这与EVM顺序执行交易的方式形成鲜明对比，SVM能够进行并行交易处理。其Sealevel运行时的特点是，可以并行处理不涉及重叠状态的交易，使得Eclipse能够水平扩展并提高吞吐量。
- 数据可用性 -Celestia：为确保数据的及时可用和可验证，Eclipse采用Celestia。Celestia为数据发布提供了一个可扩展和安全的平台，是Eclipse高吞吐量的重要支持。
- 欺诈证明 - RISC Zero：Eclipse集成了RISC Zero来进行零知识欺诈证明，避免了中间状态序列化的需求，从而提高了系统的效率和安全性。
Eclipse的设计目标是为以太坊提供一个能够真正大规模使用的通用Layer 2解决方案。它旨在解决特定应用rollup带来的限制和由此产生的隔离及复杂性问题，这些问题可能会导致用户和开发者体验的恶化。Eclipse通过其模块化rollup系统和整合的技术组件，为在以太坊上构建可扩展和高性能的dApps提供了一个有吸引力的选择。
LumioLumio是Pontem Network开发的一个Layer 2解决方案，旨在解决以太坊的可扩展性挑战，并为Web3带来类似Web2的体验。它作为区块链空间中的一个独特rollup而脱颖而出，因为它能够同时支持EVM和Aptos使用的Move VM。这种双重兼容性允许Lumio在Aptos上处理交易，同时在以太坊上结算，为dApp开发者和用户提供了一个多功能且高效的解决方案。它具有以下几个关键特点：
- 双虚拟机兼容性：Lumio独特地支持EVM和Aptos的Move VM。这种双重兼容性使Lumio能够无缝整合以太坊和Aptos的功能，提高了dApp开发和执行的灵活性和效率。
- 高吞吐量和低延迟：通过利用像Aptos这样的高性能链进行交易排序，Lumio显著提升了交易带宽。这种整合确保了Lumio能够高效处理大量交易，同时保持以太坊的安全性和流动性特点。
- 乐观Rollup技术：Lumio使用开源OP栈，采用乐观rollup技术。乐观rollups以其高效的交易处理和较低成本而闻名，适合扩展基于以太坊的应用程序。
- 灵活的Gas费用经济模型：Lumio引入了以应用为中心的Gas费用经济模型。这种模型允许应用开发者直接从网络使用中受益，可能激励更多创新和用户友好的dApp开发。
- 互操作性和整合：Lumio能够在Aptos上处理交易，并在以太坊上进行结算，展现了不同区块链生态系统之间的高度互操作性。这一特性使开发者能够在其应用程序中充分利用以太坊和Aptos的优势。
- 安全性和可扩展性的平衡：结合了以太坊的强大安全性和Aptos的可扩展性，为开发者提供了一个有吸引力的解决方案，以构建高性能、安全的dApps。Lumio的架构旨在有效平衡这两个关键方面。
SuiSui的并行技术特点使其成为一个高效率、高吞吐量的区块链平台，适合各种Web3应用和使用案例。这些显著特点共同作用，提高了其网络的效率和吞吐量：
- Narwhal和Bullshark组件：这两个组件对Sui的共识机制至关重要。Narwhal作为内存池，负责加速交易处理，改善网络效率，确保数据提交给Bullshark（共识引擎）时的可用性。Bullshark负责对由Narwhal提供的数据进行排序，利用拜占庭容错机制来验证交易的有效性并在网络中分配这些交易。
- 资产所有权模型：在Sui网络中，资产可以被单一所有者拥有或多个所有者共享。单一所有者的资产可以在网络中快速自由转移，而共享资产需要通过共识系统进行验证。这种资产所有权系统不仅提高了交易处理的效率，还使开发人员能够为其应用程序创建多种类型的资产。
- 分布式计算：Sui的设计允许网络根据需求扩展资源，使其功能类似于云服务。这意味着，随着对Sui网络的需求增加，网络验证者能够增加更多的处理能力，保持网络的稳定性，并维持低gas费。
- Sui Move编程语言：Sui Move是Sui的原生编程语言，专为创建高性能、安全且功能丰富的应用程序而设计。它基于Move语言，旨在改善智能合约编程语言中的缺陷，提高智能合约的安全性和程序员的工作效率。
- 可编程交易块（PTB）：Sui中的PTB是一种复杂、可组合的交易序列，可以访问所有智能合约中的任何公开的链上Move函数。这种设计为支付或金融导向的应用程序提供了强大的保证。
- 水平可扩展性：Sui的可扩展性不仅限于交易处理，还包括存储。这使得开发人员能够定义具有丰富属性的复杂资产，并直接存储在链上，而不必为了节省gas费而使用间接的离链存储。
Fuel在Fuel网络中，"并行交易执行"是一项关键技术，它使网络能够高效地处理大量交易。这种并行执行的核心是通过使用严格的状态访问列表来实现的，这些列表基于UTXO（未花费交易输出）模型。这种模型在比特币和许多其他加密货币中都是基本元素。
Fuel在UTXO模型中引入了并行交易执行的能力。通过使用严格的状态访问列表，Fuel能够并行处理交易，从而利用通常在单线程区块链中闲置的更多CPU线程和核心。这样，Fuel就能比单线程区块链提供更多的计算能力、状态访问和交易吞吐量。
Fuel解决了UTXO模型中的并发性问题。在Fuel中，用户不是直接签署UTXO，而是签署合约ID，表明他们打算与合约互动。因此，用户不会直接更改状态，从而导致UTXO被消耗。相反，区块生产者将负责处理区块中各种交易如何影响整体状态，从而影响合约UTXO。被消耗的合约UTXO创建了具有相同核心特征但更新了存储和余额的新UTXO。
为了实现并行交易执行，Fuel开发了特定的虚拟机——FuelVM。FuelVM的设计重点在于减少了传统区块链虚拟机架构中的浪费处理，同时为开发人员提供了更多的潜在设计空间。它结合了来自以太坊生态系统多年的经验教训和改进建议，这些改进由于需要保持与过去版本的兼容性而无法在以太坊上实现。
AptosAptos区块链采用了一种名为Block-STM（软件事务内存）的并行执行引擎，以提升其处理交易的能力。这种技术允许Aptos在每个区块中以预设顺序执行交易，并在执行过程中将交易分配给不同的处理器线程。这种方法的核心思想是在执行所有交易的同时，记录被交易修改的内存位置。所有交易结果都被验证后，如果发现某个交易访问了之前交易修改的内存位置，那么该交易将被无效化。然后，被中止的交易将被重新执行，这一过程重复进行，直到所有交易都执行完毕。
与其他并行执行引擎不同，Block-STM保持了交易的原子性，而无需事先知道将要读/写的数据。这使得开发人员可以更容易地构建高度并行化的应用程序。Block-STM支持比其他并行执行环境更丰富的原子性，这些环境通常需要将操作拆分为多个交易（打破逻辑原子性）。通过降低延迟和提高成本效率，Block-STM增强了用户体验。
此外，Aptos还采用了称为AptosBFTv4的共识机制，这是一个经过严格正确性证明的生产区块链BFT协议。该协议优化了响应性，能够提供低延迟和高吞吐量，充分利用了底层网络的优势。AptosBFTv4采用类似于处理器的流水线设计，确保在每个步骤中最大限度地利用资源。因此，单个节点可能会参与共识的许多方面，从选择包含在区块中的交易到执行另一组交易，将另一组交易的输出写入存储，以及认证另一组交易的输出。这使得吞吐量仅受最慢阶段的限制，而不是所有阶段的顺序组合。
挑战技术难题一般来说，采用并行或并发方法的核心挑战是数据竞争问题、读写冲突或数据危险问题。所有这些术语都描述了同一问题：不同的线程或操作试图同时读取和修改相同的数据。实现高效且可靠的并行系统需要解决复杂的技术问题，尤其是在确保成千上万去中心化节点上可预测、无冲突地执行并行操作方面。另外，技术兼容性的挑战在于确保新的并行处理方法能够与现有的EVM标准和智能合约代码相兼容。
生态系统适应性对于开发者来说，他们可能需要学习新的工具和方法来最大化利用并行EVM的优势。此外，用户也需要适应可能出现的新的交互模式和性能特点。这要求整个生态系统的参与者（包括开发者、用户和服务提供商）都要对新技术有一定的了解和适应能力。同时，一个强大的区块链生态系统不仅依赖于其技术特性，还依赖于广泛的开发者支持和丰富的应用程序。新技术如并行EVM要在市场中获得成功，需要建立足够的网络效应，吸引开发者和用户的参与。
系统复杂性增加并行EVM需要高效的网络通信来支持跨多个节点的数据同步。网络延迟或同步失败可能导致交易处理不一致，增加了系统设计的复杂性。为了有效地利用并行处理的优势，系统需要更加智能地管理和分配计算资源。这可能涉及到在不同节点间动态分配负载，以及优化内存和存储的使用。开发支持并行处理的智能合约和应用程序比传统的顺序执行模型更加复杂。开发者需要考虑并行执行的特性和限制，这可能使得编码和调试过程更加困难。在一个并行执行环境中，安全漏洞可能被放大，因为一个安全问题可能影响多个并行执行的交易。因此，需要更加严格的安全审核和测试流程。
未来展望并行EVM在提高区块链的可扩展性和效率方面展现出了巨大的潜力。上文提到的这些并行EVM代表了区块链技术的一个重要转变，旨在通过在多个处理器上同时执行事务来增强交易处理能力。这种方法突破了传统的顺序交易处理方式，允许更高的吞吐量和更低的延迟，这对于区块链网络的可扩展性和效率至关重要。
并行EVM的成功实施在很大程度上依赖于开发者的远见和技能，特别是在智能合约和数据结构的设计上。这些元素在确定交易是否可以并行执行方面至关重要。开发者必须从项目开始就考虑并行处理，确保他们的设计能够促使不同的交易独立运行，不受干扰。
并行EVM还保持了与以太坊生态系统的兼容性，这对于已经参与以太坊基础应用的开发者和用户来说至关重要。这种兼容性确保了现有dApps的平滑过渡和整合，这对像有DAG这样的系统是一个挑战，因为它们通常需要对现有应用进行重大修改。
开发并行EVM被视为解决区块链可扩展性基本限制的关键一步。这些创新有望为区块链网络的未来做好准备，使它们能够跟上日益增长的需求，成为下一代Web3基础设施的基石。虽然并行EVM提供了巨大的潜力，但它们的成功实施需要克服复杂的技术挑战，并确保广泛的生态系统采用。
