并行执行Blockchain系统调研

2024年9月02日 12:32

撰文：PREDA；编译：ChainFeedsResearch本文的内容和目的

无论是在传统的数据库领域还是在Blockchain技术中，并行执行模型的设计都较为复杂。这是因为，在设计过程中，需要综合考虑多个维度，而每个维度的选择都会对系统的整体性能和可扩展性产生深远影响。本文将深入探讨当前最具代表性的几种Blockchain执行层并行架构，并详细呈现我们针对这些架构在性能和可扩展性方面所做的实验结果。

从一个维度来说，Blockchain领域一直处在对链的高性能和高可扩展性的持续追求中。即使在多链系统和Layer2系统出现后，每个智能合约的执行能力仍受限于单一虚拟机VM的能力。随着并行虚拟机（ParallelVM）的出现，这一局限得到了突破。并行虚拟机允许单个智能合约的交易在多个EVM/VM上同时执行，从而利用更多的CPU核心来提高性能。

我们认为，在众多支持并行VM的高性能Blockchain系统中，Sei（V2）、Aptos、Sui、Crystality和 PREDA 最具代表性，每个系统都具备设计上的独特优势。

在本文开篇，我们展示了第一组实验结果。下图展示了在128核的机器上，执行相同的ERC20智能合约时，Sei、Aptos、Sui、Crystality和PREDA的每秒交易数（TPS）的绝对值。从这组实验结果来看，PREDA模型在五个并行执行系统的TPS和可扩展性比较中占据了显著优势。

其他实验数据和分析，我们将在后文详细展开。

并行执行模型一览

Aptos和Sui两个项目，都衍生于Meta（曾名Facebook）宣告失败的Blockchain项目Diem。两个项目均由前Meta工程师创立——Aptos由AveryChing创立，Sui由SamBlackshear创立。二者随后沿循的技术路线却不尽相同，Aptos严格遵循为Diem开发的原始Move编程语言，但Sui对Move进行了大量修改。

接下来，我们将探讨Aptos和Sui的并行化模型的差异，分析它们采取的不同方法如何影响性能，并重点介绍它们各自的优势。Aptos：采用乐观并行化的高性能Layer1

Aptos是一个Layer1，通过乐观并行化机制实现智能合约的并行执行，从而提升高性能。具体来说在乐观并行化中，交易被初步假设为无状态冲突并以并行方式执行。执行后，系统会检查冲突，并通过回滚和串行执行方式或通过不同的调度，重新执行冲突交易来解决冲突。这种推测执行方法假设大多数交易不会发生冲突，从而最大化并行执行的优势，同时提供了处理冲突的备用机制。

乐观并行化的优势：(1)不需要修改程序：无需对现有代码进行更改即可轻松实现。(2)在冲突只占低到中等百分比的场景下的效率：通过允许许多交易并发进行，并在出现冲突时再处理冲突，最大化吞吐量，在许多现实场景中，冲突相对较少。

Aptos使用MOVE编程语言进行智能合约开发，并在系统实现中使用AptosMOVE虚拟机。Sui：采用悲观并行化的高性能Layer1

Sui采用了一种悲观并行化策略。在悲观并行化中，系统在执行前会预先检查交易是否可能发生资源争用。程序员需要指定每笔交易需要访问的资源（即状态）。系统对每个接收到的交易进行预检查，以检测潜在冲突。只有不涉及与当前执行中的交易发生资源争用的交易，才会被送至执行引擎进行并行执行。

悲观并行化的优势：(1)避免回滚：通过在执行前识别并避免冲突，此方法最小化了回滚和重新执行的需求，从而实现更可预测的性能。(2)在高冲突场景中的效率：在高争用环境中非常有效，确保只有不冲突的交易并行执行，减少冲突解决所带来的开销。

Sui也使用MOVE编程语言，但具有自己的SuiMOVE扩展，并在系统实现中使用SuiMOVE虚拟机。Sei：与Solidity和EVM兼容的乐观并行化

Sei最初推出公链时，其定位是基于CosmosSDK构建的交易型应用链，现在已升级为首个并行化EVM链。在并行执行这一层面，Sei采用了一种类似于Aptos模型的方法，我们称之为乐观并行化。

Sei(V2)所采用的乐观并行，其与众不同之处在于使用Solidity编程语言和标准Ethereum虚拟机（EVM），确保EVM和Solidity兼容性。Crystality和PREDA：并行接力执行架构

Crystality和PREDA都支持并行接力执行分布式架构（ParallelRelay-ExecutionDistributedArchitecture）。PREDA是为多EVMBlockchain架构里的并行化通用智能合约而专门设计。二者的关系是，Crystality是一种用于并行EVM/GPU的编程语言，其基础是PREDA模型。从系统的角度来说，PREDA首次在Blockchain领域，使合约功能的完全并行化成为可能，因此能最大化一组交易的并发性。这确保了所有EVM实例的高效利用，从而达到一定硬件配置条件下的最佳性能和可扩展性。

与Solidity和Move的顺序执行，和SharedEverything的架构设计不同，PREDA模型首次采用了SharedNothing架构，以打破并行执行中的状态依赖，并确保不同的EVM实例永远不会访问同一片合约状态，从而几乎完全避免了写冲突。

在PREDA中，合约函数被分解为多个有序步骤，每个步骤依赖于状态中一个可并行化且无冲突的部分。用户发起的交易首先会被发送到一个持有用户地址状态的EVM上。在交易执行过程中，执行流可以通过发出接力交易从一个持有当前管理所需合约状态的EVM切换到另一个EVM的方式，实现数据不动，而执行流根据数据依赖关系在EVM之间移动。五大代表性合约的实验数据

在我们的评估中，我们测试了五个广泛使用的智能合约——ETHTokenTransfer、Voting、Airdrop、CryptoKitties和MillionPixel，以及MyToken(ERC20)。这些合约在包括Sei、Aptos、Sui、Crystality和PREDA在内的各种Blockchain系统上执行。我们进行了详细的实验，以比较不同并行执行系统的性能，重点关注每秒交易量(TPS)和加速比，这些指标衡量了在多个虚拟机上与各系统单个虚拟机上执行时相对的性能提升。

所有详细的实验数据，包括绝对TPS值和加速比，请参阅 2小时之前

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