Paradigm CTO解讀：Reth如何實現每秒1GB gas

作者：Georgios Konstantopoulos，Paradigm研究合夥人&CTO；翻譯：金色財經xiaozou

我們於2022年开始構建Reth，爲以太坊L1提供彈性的同時解決L2上的執行層擴展問題。

今天，我們很高興與大家分享2024年Reth計劃如何實現L2每秒1GB gas吞吐量的，以及我們如何超越這一目標的長期路线圖。

我們邀請整個生態系統與我們一起，共同推動加密領域的性能前沿和嚴格的基准測試。

1、我們是否已實現規模化擴展？

加密貨幣要想達到全球規模，避免投機行爲（成爲主要用例），有一個非常簡單的途徑：交易一定要低價且快速。

1.1 如何衡量性能？每秒gas量指的是什么？

性能通常以“每秒交易數”（TPS）來衡量。特別是對於以太坊和其他EVM區塊鏈而言，一個更微妙、也許更准確的衡量標准就是“每秒gas量”。該指標反映了網絡每秒可以處理的計算工作量，其中“gas”是衡量執行交易或智能合約等操作所需的計算工作量的單位。

將每秒gas量作爲性能指標進行標准化，可以更清楚地了解區塊鏈的容量和效率。它還有助於評估系統的成本影響，防止潛在的拒絕服務（DOS）攻擊，這些攻擊可能會利用不太精細的測量方法。該指標有助於比較不同以太坊虛擬機（EVM）兼容鏈的性能。

我們建議EVM社區採用每秒gas量作爲標准指標，同時結合其他gas定價維度來創建一個綜合的性能標准。

1.2 我們如今的發展階段

每秒gas量是通過將各區塊的目標gas使用量除以區塊時間來確定的。下表，我們展示了不同EVM鏈L1和L2的當前每秒gas吞吐量和延遲（並不詳盡）：

我們強調每秒gas量，用其來全面評估EVM網絡性能，同時捕獲計算和存儲成本。Solana、Sui或Aptos等網絡由於其獨特的成本模式而不包括在內。我們鼓勵努力協調所有區塊鏈網絡的成本模型，以實現全面和公平的比較。

我們正在爲Reth开發一套無間斷基准測試工具，以復制真實的工作負載。我們對節點的要求是符合TPC基准。

2、Reth如何達到每秒1GB gas？甚至更高？

我們2022年創建Reth的動機有一部分是因爲我們迫切需要一個專爲web rollup而構建的客戶端。我們認爲我們的前進道路充滿希望。

在實時同步期間，Reth已經達到每秒100-200MB gas（包括發送方恢復，執行交易和計算各區塊的trie）；所以，要實現我們每秒1GB gas的短期目標，需要再擴展10倍。

隨着Reth的發展，我們的擴展計劃必須在可擴展性和效率之間尋找平衡：

• 垂直擴展：我們的目標是最大限度地利用每個“box”，充分發揮其潛力。通過優化各單個系統處理交易和數據的方式，我們可以極大提高整體性能，同時也使各節點運營商的效率更高。

• 水平擴展：盡管進行了優化，但web規模的絕對交易量超過了任何一台服務器的處理容量。要應對這種情況，我們考慮部署一個水平擴展架構，這個架構類似於區塊鏈節點的Kubernetes模型。這意味着跨多系統分散工作負載，以確保沒有哪一個節點可以成爲瓶頸。

我們在這裏探討的優化不會涉及狀態增長解決方案，這部分內容是我們將在其他文章單獨探討的。下面是我們實現這一目標的計劃概況：

在整個技術棧中，我們還使用actor模型對IO和CPU進行了優化，支持堆棧的各部分都可以作爲一項服務而部署，並對其運用進行精細控制。最後，我們正在積極評估備選數據庫，但尚未確定。

2.1 Reth的垂直擴展路线圖

我們垂直擴展的目標是最大化運行Reth的服務器或筆記本電腦的性能和效率。

（1）即使（Just-In-Time）EVM和提前（Ahead-of-Time）EVM

在像以太坊虛擬機(EVM)這樣的區塊鏈環境中，字節碼的執行通過解釋器（interpreter）進行，解釋器按順序處理指令。這種方法會帶來一定开銷，因爲並不是直接執行原生匯編指令，而是通過VM層進行的操作。

即時（JIT）編譯通過在執行前將字節碼轉換爲原生機器碼來解決這個問題，從而通過繞過VM的解釋過程來提高性能。這種技術可以提前將合約編譯成優化後的機器碼，在Java和WebAssembly等其他虛擬機中已經得到了很好的應用。

但是，JIT可能容易遭受惡意代碼攻擊，惡意代碼旨在利用JIT進程漏洞，或者在執行期間因速度太慢而無法實時運行。Reth將提前（AOT）編譯需求最高的合約並將它們存儲在磁盤上，避免在實時執行期間有不受信字節碼試圖濫用我們的原生代碼編譯過程。

我們一直在爲Revm开發JIT/AOT編譯器，目前正在與Reth集成。我們將在未來幾周在完成基准測試後立即將其开源。平均而言，大約50%的執行時間花在了EVM解釋器上，因此應該需要約2倍的EVM執行改進，但在一些計算需求更大的情況下，影響可能會更大。在接下來的幾周內，我們將在Reth中分享我們的基准測試並集成我們自己的JIT EVM。

（2）並行EVM

並行以太坊虛擬機（Parallel EVM）的概念支持同時處理多個交易，與傳統的EVM串行執行模型不同。我們有以下兩條路徑：

• 歷史同步：歷史同步可以讓我們通過分析歷史交易和識別所有歷史狀態衝突來計算可能的最佳並行調度。

• 實時同步：針對實時同步，我們可以使用類似Block STM的技術來推測執行，而不需要任何額外信息（如訪問列表）。該算法在狀態競爭嚴重期間性能較差，因此我們希望根據工作負載狀況來探索串行和並行執行之間的切換，以及靜態預測將訪問哪些存儲slot以提高並行質量。

根據我們的歷史分析，大約有80%的以太坊存儲slot是獨立訪問的，這意味着並行可以使EVM執行效率提高5倍。

（3）優化狀態承諾

在Reth模型中，計算狀態根是一個獨立於執行交易的過程，允許使用無需獲取trie信息的標准KV存儲。這目前需要>75%的端到端時間來密封（seal）一個區塊，這是一個非常令人興奮的優化領域。

我們確定了以下兩個“輕松取勝”的途徑，可以在不做任何協議更改的情況下將狀態根性能提高2-3倍：

• 完全並行化狀態根：現在我們只重新並行計算已更改帳戶的存儲樹，但是我們可以更進一步，當存儲根作業在後台完成時並行計算帳戶樹。

• Pipelined狀態根：在執行過程中，通過通知狀態根服務所涉存儲slot和帳戶，從磁盤預取中間trie節點。

除此之外，我們還可以偏離以太坊L1狀態根活動探索一些前進路徑：

• 更低頻的狀態根計算：不在每個區塊上計算狀態根，而是每T個區塊計算一次。這減少了整個系統中投入狀態根的總時間佔比，這可能是最簡單最有效的解決方案。

• 跟蹤狀態根：與其在同一個區塊上計算狀態根，不如讓它落後幾個區塊。這樣就可以在不阻塞狀態根計算的情況下推進執行。

• 替換RLP編碼器& Keccak256：相比使用RLP編碼，直接合並字節並使用更快的哈希函數（如Blake3）可能成本更低。

• 更寬的Trie：增加樹的N-arity子節點，以減少由於trie的logN深度而導致的IO增大。

這裏有幾個問題：

• 上述變化對輕客戶端、L2、bridge、協處理器和其他依賴頻繁帳戶和存儲證明的協議的次級影響是什么？

• 我們能同時優化SNARK證明和原生執行速度的狀態承諾嗎？

• 用我們現有的工具，我們能得到的最寬泛的狀態承諾是什么？對見證大小有什么次級效應？

2.2 Reth的橫向擴展路线圖

我們將在整個2024年執行上述多項內容，以實現每秒1GB gas的目標。

然而，垂直擴展最終會遇到物理和實操限制。沒有任何一台機器可以處理全世界的計算需求。我們認爲這裏有兩條路徑可以支持我們在負載增大後通過引入更多的box來擴展：

（1）多Rollup Reth

如今的L2堆棧需要運行多個服務來追蹤鏈：L1 CL、L1 EL、L1 -> L2派生函數（可能與L2 EL綁定在一起）和L2 EL。雖然這對於模塊化來說非常好，但在運行多個節點棧時情況會變得更加復雜。想象一下必須運行100個rollup會怎樣！

我們希望允許在Reth的發展過程中同步發布rollup，並將運行數千個rollup的運營成本降至幾乎爲零。

我們已經在我們的執行擴展項目中進行了這方面的工作，未來幾周還會有更多進展。

（2）雲原生Reth

高性能排序器可能在單個鏈上有很多需求，它們需要擴展，一台機器並不能滿足其需求。這在如今的單節點部署的情況下是不可能的。

我們希望可以支持運行雲原生Reth節點，將其作爲一個服務棧部署，可以根據計算需求自動擴展，並使用看似無限的雲對象存儲來實現持久存儲。這是無服務器數據庫項目（如NeonDB、CockroachDB或Amazon Aurora）中常見的架構。

3、未來前景

我們希望逐步向所有Reth用戶推出這一路线圖。我們的使命是讓所有人都能獲取每秒1GB gas甚至更高的速度。我們將在Reth AlphaNet上進行優化測試，我們希望人們將Reth用作SDK來構建優化的高性能節點。

有些問題我們還沒有找到答案。

• Reth如何幫助提高整個L2生態的性能？

• 我們如何適當衡量在一般情況下，我們的一些優化可能出現的最壞情況？

• 我們如何處理L1和L2之間的潛在分歧？

這些問題中很多我們都還沒有答案，但我們有很多前景光明的最初設想，可足夠讓我們忙上一段時間了，我們希望看到這些努力在未來幾個月結出碩果。