Toàn cảnh phát triển kiến trúc EVM: Chiến lược mở rộng quy mô theo giai đoạn của Ethereum

Trong bối cảnh hệ sinh thái Ethereum đang mở rộng nhanh chóng, cách thức mở rộng mạng lưới trong khi bảo vệ an ninh và Phi tập trung đã nổi lên như một trong những thách thức quan trọng nhất. Bản đồ công nghệ mà Vitalik Buterin chỉ ra đã đưa ra một cách tiếp cận toàn diện nhằm tối ưu hóa và mở rộng EVM. Đây là một chiến lược tăng dần khả năng xử lý của Ethereum trên hai lớp khác nhau, ngắn hạn và dài hạn.

Tối ưu hóa hiệu suất ngắn hạn của Ethereum EVM: Tối ưu hóa Gas và song song hóa xác minh khối

Chiến lược mở rộng ngắn hạn tập trung vào việc tối đa hóa hiệu suất hoạt động trong khi tận dụng thiết kế máy EVM hiện có. Với những cải tiến công nghệ tập trung vào nâng cấp Glamsterdam, mạng lưới dự kiến sẽ cải thiện năng lực xử lý một cách ổn định.

Việc giới thiệu cơ chế danh sách truy cập cấp khối sẽ cho phép quá trình xác minh khối của EVM được xử lý song song. Trước đây, công việc xác minh được thực hiện theo thứ tự, nhưng giờ đây có thể được xử lý đồng thời bởi nhiều quy trình, giúp rút ngắn thời gian tạo khối tổng thể. Đây là một cải tiến trực tiếp dẫn đến việc tăng tốc độ xử lý giao dịch trên toàn mạng.

ePBS (Encrypted Proposer-Builder Separation) sẽ được triển khai tại Glamsterdam, sở hữu nhiều tính năng quan trọng. Điểm đặc biệt đáng chú ý là thời gian dành cho việc xác thực khối trong mỗi slot có thể được mở rộng từ hàng trăm mili giây thành một tỷ lệ thời gian lớn hơn. Điều này sẽ tạo ra không gian trong quy trình xác thực và cho phép xử lý nhiều dữ liệu một cách an toàn hơn.

Cơ chế gas đa chiều: Đổi mới thiết kế EVM

Cơ chế định giá lại gas không chỉ đơn thuần là điều chỉnh phí, mà còn có nghĩa là một sự chuyển đổi trong tư tưởng thiết kế cơ bản của EVM. Khi chi phí gas cho các thao tác khác nhau tương ứng chính xác với thời gian thực thi và mức tiêu thụ tài nguyên tương ứng, điều này sẽ cho phép phân bổ tài nguyên mạng hiệu quả hơn.

Việc giới thiệu gas đa chiều sẽ tiến hóa cơ chế gas, vốn trước đây được quản lý ở một chiều duy nhất, thành một cấu trúc có thể quản lý giới hạn độc lập cho từng loại tài nguyên. Ở giai đoạn 1, trong nâng cấp Glamsterdam, dự kiến sẽ tách “chi phí tạo trạng thái” ra khỏi “chi phí thực thi và calldata.”

Cụ thể, trong thao tác SSTORE hiện tại, khi thay đổi slot lưu trữ từ không về không không, nó tiêu tốn 20000 gas. Sau khi tái định giá tại Glamsterdam, chi phí này dự kiến sẽ tăng mạnh, lên khoảng 60000 gas. Sự thay đổi có vẻ tiêu cực này thực ra lại có mục đích chiến lược. Bằng cách mở rộng giới hạn gas đồng thời, chúng ta có thể tăng tốc độ khả năng thực hiện xác minh khối vượt xa tốc độ mở rộng kích thước trạng thái của blockchain.

Trong thiết kế hiện tại của EVM, gas được triển khai như một chiều duy nhất. Do đó, tất cả các opcode như GAS và CALL đều dựa trên giả định này, nhưng việc chuyển sang gas đa chiều cần phải thay đổi giả định cơ bản này mà không làm mất tính tương thích ngược.

Giải pháp được áp dụng phải tuân thủ các điều kiện bất biến sau đây. Thứ nhất, nếu cuộc gọi được bắt đầu bằng X gas, cuộc gọi đó phải sở hữu X gas và phải có thể được sử dụng cho các hoạt động thông thường, tạo trạng thái hoặc các chiều khác có thể được thêm vào trong tương lai. Thứ hai, nếu mã GAS hiện hiển thị Y gas, thì ngay cả khi phát hành cuộc gọi tiêu tốn X gas, sau khi hoàn trả cuộc gọi, ít nhất phải còn lại Y − X gas và phải có thể sử dụng cho các hoạt động tiếp theo.

Trong việc triển khai cụ thể, sẽ giới thiệu N+1 chiều gas. Mặc định N=1 (tạo trạng thái), và chiều bổ sung được gọi là “bể chứa”. Logic thực thi EVM sẽ ưu tiên tiêu thụ gas từ chiều chuyên dụng càng nhiều càng tốt, và sẽ thực hiện tiêu thụ bổ sung từ bể chứa khi không đủ.

Ví dụ, trong tình huống sở hữu gas (100000 gas tạo trạng thái, 100000 bể chứa ), nếu sử dụng SSTORE để tạo trạng thái mới 3 lần, thì sự chuyển giao gas sẽ là (100000, 100000)→ (45000, 95000)→ (0, 80000)→ (0, 20000). Trong thiết kế này, mã lệnh GAS sẽ trả lại bể chứa, và CALL sẽ chuyển gas với số lượng được chỉ định từ bể chứa, đồng thời cũng chuyển toàn bộ gas ngoài bể chứa.

Việc áp dụng cấu trúc giá đa chiều với các mức phí gas biến động khác nhau cho nhiều chiều tài nguyên dự kiến sẽ cải thiện tính bền vững kinh tế lâu dài và đạt được hiệu quả phân bổ tài nguyên tốt hơn.

Lộ trình mở rộng dài hạn: Sự kết hợp giữa ZK-EVM và Blobs

Thời gian ngắn cải thiện nâng cao hiệu suất của máy EVM hiện có, trong khi chiến lược mở rộng dài hạn đang xem xét những thay đổi thiết kế cơ bản hơn. Hai hướng công nghệ chính là ZK-EVM (Xác minh thực thi EVM dựa trên bằng chứng không biết) và Blobs, sẽ định hình tương lai của Ethereum.

Tính đến năm 2026, sự xuất hiện của các khách hàng tương thích với ZK-EVM cuối cùng đang trở thành hiện thực. Các nút đang tiến đến giai đoạn có thể tham gia vào việc xác nhận chữ ký (xác minh chữ ký trên mạng) bằng cách sử dụng ZK-EVM. Tuy nhiên, trong giai đoạn đầu này, những khách hàng này vẫn chưa đạt được mức độ bảo mật đủ, vì vậy toàn bộ mạng không thể hoàn toàn phụ thuộc vào chúng. Khoảng 5% số nút trên mạng được phép sử dụng ZK-EVM, nhưng việc áp dụng vượt quá tỷ lệ đó sẽ bị tạm dừng. Trong giai đoạn này, nếu có vấn đề xảy ra với chứng nhận ZK-EVM, phần thưởng staking của các nút riêng lẻ sẽ không bị tịch thu, nhưng có khả năng xây dựng khối không hợp lệ, điều này có thể dẫn đến tổn thất doanh thu cho nút đó.

Vào năm 2027, sẽ tiến tới giai đoạn khuyến nghị nhiều nút hơn chạy ZK-EVM. Đây là thời điểm tập trung vào việc kiểm tra hình thức và cải thiện liên tục về an ninh. Điều quan trọng là chỉ cần 20% nút của mạng sử dụng ZK-EVM, việc cung cấp đường kiểm tra chi phí thấp cho người xác nhận solo sẽ được thực hiện và có thể cải thiện đáng kể giới hạn gas. Xét thấy tổng số người xác nhận solo dưới 20% của mạng, những cải tiến ở giai đoạn này sẽ mang lại lợi ích cho nhiều người dùng.

Khi công nghệ đã phát triển đủ độ chín, cơ chế chứng minh bắt buộc 3-of-5 sẽ được giới thiệu. Điều này có nghĩa là để một khối được coi là hợp lệ, nó phải chứa ít nhất 3 chứng minh từ 5 hệ thống chứng minh khác nhau. Cơ chế chứng minh đa dạng này sẽ giảm thiểu rủi ro phụ thuộc vào một công nghệ đơn lẻ và tăng cường tính bền vững của mạng lưới. Ở giai đoạn tiếp theo, dự kiến hầu hết các nút sẽ chuyển sang trạng thái phụ thuộc vào chứng minh ZK-EVM, ngoại trừ các nút cần chức năng chỉ mục.

Trong dài hạn, mục tiêu là cải thiện ZK-EVM trở nên mạnh mẽ hơn và thực hiện các xác minh hình thức nghiêm ngặt hơn. Ở giai đoạn này, các thay đổi cấu trúc ở cấp độ máy ảo, bao gồm cả hướng đi như RISC-V, cũng sẽ được xem xét. Điều này gợi ý khả năng tiến hóa hoàn toàn thiết kế máy EVM.

Sự tiến hóa đến Blobs và lớp dữ liệu nâng cao

Về các Blobs, nhờ vào sự cải tiến liên tục của lớp vận chuyển PeerDA, mục tiêu cuối cùng là đạt được khoảng 8 MB/giây về thông lượng dữ liệu. Khả năng xử lý dữ liệu ở mức này có thể đáp ứng đủ nhu cầu của chính Ethereum. Tuy nhiên, Ethereum không có ý định trở thành một lớp dữ liệu toàn cầu, mà chỉ đáp ứng nhu cầu ở mức độ là một mạng lưới độc lập.

Hiện tại, Blobs chủ yếu được sử dụng để lưu trữ dữ liệu cho các giải pháp lớp 2 (L2). Trong tương lai, có kế hoạch xem xét việc ghi trực tiếp dữ liệu của chính khối Ethereum vào Blobs. Mục đích của sự thay đổi này là vô cùng quan trọng. Nó sẽ cho phép xác minh mạng Ethereum được mở rộng cao mà không cần tải xuống toàn bộ chuỗi và thực thi lại.

Để đạt được mục tiêu này, hai công nghệ quan trọng sẽ được kết hợp. Đầu tiên, ZK-SNARKs (Chứng minh không kiến thức ngắn gọn không đối thoại) sẽ làm cho quá trình thực thi lại trở nên không cần thiết. Tiếp theo, PeerDAS và Blobs sẽ cho phép xác minh tính khả dụng của dữ liệu mà không cần tải xuống tất cả dữ liệu. Sự kết hợp này sẽ biến việc tham gia xác minh hoàn toàn của mạng bằng nút nhẹ thành hiện thực.

Chiến lược mở rộng của Ethereum thể hiện một cách tiếp cận nhằm mở rộng dung lượng mạng một cách dần dần, trong khi cân bằng giữa việc tối ưu hóa ngắn hạn và tiến hóa cấu trúc dài hạn. Việc tối ưu hóa liên tục EVM và việc giới thiệu dần dần các công nghệ xác minh mới sẽ quyết định sự phát triển của mạng Ethereum trong những năm tới.