EVM: Inti dari Ethereum

EVM (Ethereum Virtual Machine) adalah inti dari Ethereum, bertanggung jawab untuk menjalankan kontrak pintar dan memproses transaksi.

Mesin virtual biasanya digunakan untuk virtualisasi komputer nyata, yang dilakukan oleh hypervisor atau seluruh instance sistem operasi. Mereka harus menyediakan abstraksi perangkat lunak untuk perangkat keras nyata, panggilan sistem, dan fungsi-fungsi kernel lainnya.

EVM beroperasi di bidang yang lebih terbatas: itu hanya mesin perhitungan yang menyediakan abstraksi untuk perhitungan dan penyimpanan, mirip dengan spesifikasi Java Virtual Machine (JVM). Dari sudut pandang tinggi, JVM dirancang untuk menyediakan lingkungan runtime yang tidak bergantung pada sistem operasi atau perangkat keras host yang mendasarinya, mewujudkan kompatibilitas lintas sistem. Demikian pula, EVM menjalankan set instruksi bytecode-nya sendiri, yang biasanya dikompilasi dari Solidity.

EVM adalah mesin status yang hampir Turing lengkap, "hampir" karena semua langkah eksekusi akan menghabiskan sumber daya Gas yang terbatas, sehingga eksekusi kontrak pintar yang diberikan akan dibatasi dalam jumlah langkah perhitungan yang terbatas, menghindari kemungkinan loop tanpa akhir selama proses eksekusi, yang dapat menyebabkan seluruh platform Ethereum berhenti.

EVM tidak memiliki fungsi penjadwalan, modul eksekusi Ethereum mengambil transaksi dari blok, EVM bertanggung jawab untuk mengeksekusi secara berurutan. Selama proses eksekusi, status dunia terbaru akan dimodifikasi, setelah eksekusi transaksi selesai, status akan dijumlahkan hingga mencapai status dunia terbaru setelah blok selesai. Eksekusi blok berikutnya sangat bergantung pada status dunia setelah eksekusi blok sebelumnya, sehingga proses eksekusi transaksi Ethereum yang linier tidak dapat dioptimalkan untuk eksekusi paralel dengan baik.

Dalam pengertian ini, protokol Ethereum menetapkan bahwa transaksi dieksekusi secara berurutan. Meskipun eksekusi berurutan memastikan bahwa transaksi dan kontrak pintar dapat dieksekusi dalam urutan yang pasti, yang menjamin keamanan, tetapi dalam menghadapi beban tinggi, hal ini dapat menyebabkan kemacetan dan keterlambatan jaringan, inilah mengapa Ethereum memiliki bottleneck kinerja yang besar dan membutuhkan perluasan Layer2 Rollup.

Jalan Paralel Layer1 Berkinerja Tinggi

Sebagian besar Layer1 berkinerja tinggi dirancang berdasarkan kekurangan Ethereum yang tidak dapat memproses secara paralel untuk membuat solusi optimasi mereka sendiri, di sini hanya membahas optimasi lapisan eksekusi, yaitu mesin virtual dan eksekusi paralel.

Mesin Virtual

EVM dirancang sebagai mesin virtual 256-bit, tujuannya adalah untuk lebih mudah menangani algoritma hash Ethereum, yang secara jelas menghasilkan output 256-bit. Namun, komputer yang menjalankan EVM perlu memetakan byte 256-bit ke arsitektur lokal untuk menjalankan kontrak pintar, sehingga membuat seluruh sistem menjadi sangat tidak efisien dan tidak praktis. Oleh karena itu, dalam pemilihan mesin virtual, Layer1 berkinerja tinggi lebih banyak menggunakan mesin virtual berbasis WASM, bytecode eBPF, atau bytecode Move, bukan EVM.

WASM adalah format bytecode yang kecil, cepat dimuat, portabel, dan berbasis mekanisme keamanan sandbox. Pengembang dapat menggunakan berbagai bahasa pemrograman untuk menulis kontrak pintar, kemudian mengompilasinya menjadi bytecode WASM dan menjalankannya. WASM telah diterima sebagai standar oleh banyak proyek blockchain, termasuk EOS, Dfinity, Polkadot, Cosmos, Near, dan Ethereum juga akan mengintegrasikan WASM di masa depan, sehingga memastikan lapisan eksekusi Ethereum lebih efisien, sederhana, dan cocok sebagai platform komputasi terdesentralisasi yang sepenuhnya.

eBPF adalah pengembangan dari BPF (Berkeley Packet Filter), yang awalnya digunakan untuk penyaringan paket data jaringan secara efisien. Setelah evolusi, eBPF muncul dengan set instruksi yang lebih kaya, memungkinkan intervensi dan modifikasi perilaku kernel sistem operasi secara dinamis tanpa mengubah kode sumber. Kemudian, teknologi ini keluar dari kernel dan berkembang menjadi runtime eBPF di ruang pengguna, yang memiliki kinerja tinggi, aman, dan portabel. Kontrak pintar yang dijalankan di suatu blockchain akan dikompilasi menjadi SBF (berbasis eBPF) bytecode dan dijalankan di jaringan tersebut.

Move adalah bahasa pemrograman kontrak pintar yang baru, yang menekankan fleksibilitas, keamanan, dan dapat diverifikasi. Bahasa Move dirancang untuk mengatasi masalah keamanan dalam aset dan transaksi, sehingga aset dan transaksi dapat didefinisikan dan dikendalikan secara ketat. Verifier bytecode Move adalah alat analisis statis yang menganalisis bytecode Move dan menentukan apakah mematuhi aturan keamanan tipe, memori, dan sumber daya yang diperlukan, tanpa perlu diimplementasikan di tingkat kontrak pintar dan diperiksa pada waktu berjalan. Beberapa blockchain baru yang muncul mewarisi Move atau menulis kontrak pintarnya sendiri melalui versi kustom Move.

Eksekusi Paralel

Eksekusi paralel dalam blockchain berarti memproses transaksi yang tidak terkait secara bersamaan. Anggap transaksi yang tidak terkait sebagai peristiwa yang saling tidak mempengaruhi. Misalnya, jika dua orang berdagang token di platform perdagangan yang berbeda, transaksi mereka dapat diproses secara bersamaan. Namun, jika mereka berdagang di platform yang sama, transaksi mungkin perlu dijalankan sesuai urutan tertentu.

Tantangan utama dari eksekusi paralel adalah menentukan transaksi mana yang tidak terkait, mana yang independen, kebanyakan Layer1 berkinerja tinggi bergantung pada dua metode: metode akses status dan model paralel optimis.

Metode akses status perlu mengetahui sebelumnya bagian mana dari status blockchain yang dapat diakses oleh setiap transaksi, sehingga dapat menganalisis transaksi mana yang independen. Solusi yang mewakili adalah beberapa blockchain publik yang muncul.

Di beberapa blockchain publik, program (kontrak pintar) bersifat stateless karena mereka tidak dapat mengakses (membaca atau menulis) status yang ada selama seluruh proses transaksi. Untuk mengakses atau mempertahankan status, program perlu menggunakan akun. Setiap transaksi harus menentukan akun mana yang akan diakses selama pelaksanaan transaksi, sehingga runtime pemrosesan transaksi dapat menjadwalkan eksekusi paralel transaksi yang tidak tumpang tindih, sambil menjamin konsistensi data.

Dalam beberapa implementasi Move, setiap kontrak pintar adalah modul, yang terdiri dari definisi fungsi dan struktur. Struktur diinstansiasi dalam fungsi dan dapat diteruskan ke modul lain melalui pemanggilan fungsi. Instans struktur yang disimpan pada runtime bertindak sebagai objek, dengan tiga jenis objek yang berbeda, yaitu objek pemilik, objek bersama, dan objek yang tidak dapat diubah. Strategi paralelisasi mirip dengan yang disebutkan sebelumnya, transaksi juga perlu menentukan objek mana yang akan dioperasikan.

Model paralel optimis berjalan di bawah asumsi bahwa semua transaksi adalah independen, hanya memvalidasi asumsi ini secara retrospektif dan melakukan penyesuaian jika perlu. Solusi perwakilan adalah beberapa blockchain publik yang sedang berkembang.

Sebuah blockchain menggunakan metode Block-STM (Block Software Transaction Memory) untuk menerapkan eksekusi paralel optimis. Dalam Block-STM, transaksi pertama-tama diatur dalam urutan tertentu di dalam blok, kemudian dibagi antara berbagai utas pemrosesan untuk dieksekusi secara bersamaan. Saat memproses transaksi ini, sistem melacak lokasi memori yang diubah oleh setiap transaksi. Setelah setiap putaran pemrosesan, sistem memeriksa semua hasil transaksi. Jika sistem menemukan bahwa suatu transaksi menyentuh lokasi memori yang diubah oleh transaksi sebelumnya, maka hasilnya akan dihapus dan dijalankan kembali. Proses ini terus berlanjut hingga semua transaksi dalam blok telah diproses.

EVM Paralel

Parallel EVM (EVM Paralel) pertama kali disebutkan pada tahun 2021, saat itu merujuk pada EVM yang mendukung pemrosesan beberapa transaksi secara bersamaan, bertujuan untuk meningkatkan kinerja dan efisiensi EVM yang ada, dengan solusi yang diwakili oleh beberapa blockchain publik yang diimplementasikan dengan Parallel EVM berbasis Block-STM.

Namun, pada akhir 2023, beberapa ahli industri secara bersamaan menyebutkan EVM paralel saat melihat tren 2024, yang memicu gelombang adopsi teknologi eksekusi paralel pada Layer1 yang kompatibel dengan EVM, termasuk beberapa proyek baru.

Saat ini, beberapa solusi yang kompatibel dengan EVM, Layer2 Rollup SVM Ethereum (Solana Virtual Machine), Layer2 Rollup mesin virtual Move Ethereum, dan Layer1 lapisan eksekusi modular semuanya telah diberi label EVM paralel, yang membuat orang bingung.

Saya percaya bahwa definisi yang masuk akal untuk EVM paralel hanya dapat dibagi menjadi tiga kategori berikut:

1. Tidak ada peningkatan eksekusi paralel untuk Layer1 yang kompatibel dengan EVM yang menggunakan teknologi eksekusi paralel, seperti beberapa blockchain utama;

2. Menggunakan teknologi eksekusi paralel EVM yang kompatibel dengan Layer1, seperti beberapa proyek baru;

3. Solusi EVM yang kompatibel dengan Layer1 yang tidak kompatibel dengan EVM yang menggunakan teknologi eksekusi paralel, seperti beberapa proyek lintas rantai.

Beberapa blockchain publik mainstream sebagai Layer1 yang paling kompatibel dengan EVM tentu tidak perlu dijelaskan lebih lanjut, di sini saya akan memperkenalkan beberapa proyek baru dan solusi lintas rantai.

Beberapa blockchain baru yang muncul adalah Layer1 berkinerja tinggi yang kompatibel dengan EVM dan menggunakan mekanisme PoS, bertujuan untuk secara signifikan meningkatkan skalabilitas dan kecepatan transaksi melalui eksekusi paralel. Mereka memungkinkan eksekusi transaksi secara paralel dalam blok untuk meningkatkan efisiensi. Model paralel optimis biasanya digunakan, di mana transaksi baru mulai dieksekusi sebelum penyelesaian eksekusi langkah sebelumnya. Untuk mengatasi hasil yang tidak benar, input/output dilacak dan transaksi yang tidak konsisten dieksekusi ulang. Penganalisis kode statis dapat memprediksi ketergantungan, menghindari paralelitas yang tidak valid, dan kembali ke mode sederhana saat tidak pasti. Eksekusi paralel ini meningkatkan throughput sekaligus mengurangi kemungkinan kegagalan transaksi.

Beberapa solusi lintas rantai adalah solusi yang dikembangkan untuk melakukan transaksi EVM di atas rantai publik lainnya. Sebenarnya ini adalah kontrak pintar, yang di dalamnya diimplementasikan sebuah interpreter EVM, yang dikompilasi menjadi bytecode tertentu. Di dalamnya diimplementasikan satu set model transaksi dan model akun Ethereum, pengguna hanya perlu membayar biaya GAS EVM untuk mengirimkan transaksi. Biaya jaringan asli dibayarkan oleh perantara. Beberapa rantai publik mewajibkan transaksi untuk menyediakan daftar akun, dan transaksi terbungkus tidak terkecuali, jadi tanggung jawab perantara termasuk menghasilkan daftar akun ini, sekaligus juga memperoleh kemampuan eksekusi transaksi asli secara paralel.

Ada satu tambahan di sini, proyek lintas rantai lainnya juga memiliki solusi serupa yang menggunakan EVM untuk menjalankan kontrak pintar guna mencapai kompatibilitas EVM. Secara teori, beberapa blockchain baru yang muncul juga dapat menerapkan solusi ini untuk mencapai kompatibilitas EVM tanpa intrusi, dan ada proyek yang sedang mengerjakan hal ini. Beberapa proyek adalah kerangka modular yang digunakan untuk membangun dan menerapkan infrastruktur, aplikasi, dan blockchain berbasis Move dalam lingkungan terdistribusi mana pun. Di antara modul-modul tersebut, beberapa dapat mengonversi opcode EVM secara mulus menjadi opcode Move, yang berarti proyek Solidity dapat memanfaatkan kinerja dan keuntungan keamanan Move tanpa harus menulis satu baris kode Move.

Kecocokan EVM memungkinkan pengembang untuk dengan mudah memindahkan aplikasi Ethereum mereka ke blockchain tanpa perlu melakukan modifikasi besar-besaran, ini adalah arah yang baik untuk membangun ekosistem blockchain baru yang sedang berkembang.

Ringkasan

Teknologi paralel di blockchain sudah menjadi topik yang umum dibicarakan, narasi ini muncul kembali dari waktu ke waktu, tetapi saat ini sebagian besar hanya merupakan modifikasi dan tiruan dari model eksekusi optimis yang diwakili oleh mekanisme Block-STM dari beberapa public chain, tanpa terobosan substantif, sehingga ketertarikan sulit untuk bertahan.

Melihat ke depan, akan ada lebih banyak proyek Layer1 baru yang bergabung dalam persaingan EVM paralel, dan untuk beberapa Layer1 lama juga akan ada peningkatan paralel EVM atau solusi kompatibel EVM. Dua arah ini menuju tujuan yang sama, dan akan ada lebih banyak narasi baru yang berkaitan dengan peningkatan kinerja.

Namun dibandingkan dengan narasi EVM berkinerja tinggi, saya masih lebih berharap agar blockchain dapat berkembang dengan pesat, muncul narasi seperti WASM, SVM, dan Move VM.