¿Qué es la Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Introducción

Vitalik Buterin creó Ethereum con el objetivo de ampliar los límites de la tecnología blockchain más allá del alcance de Bitcoin. Inspirado por el sistema revolucionario de transacciones entre pares de Bitcoin, Buterin consideraba que el blockchain debía tener una utilidad mayor que la simple gestión de transacciones financieras. Esta visión dio lugar a la red blockchain de Ethereum, que heredó todas las capacidades de Bitcoin (procesamiento de transacciones P2P y almacenamiento de las mismas de forma inmutable y descentralizada), pero sumó características innovadoras que Bitcoin no ofrecía, siendo la más destacada la ejecución de smart contracts.

La cuestión que surge es: ¿cómo ejecuta una red blockchain los smart contracts? Ethereum lo hace a través de la Ethereum Virtual Machine (EVM), el motor computacional que constituye el núcleo de la red Ethereum. La EVM es la infraestructura esencial que permite a los desarrolladores desplegar y ejecutar smart contracts, transformando Ethereum de una simple criptomoneda en una plataforma informática global y descentralizada. En este artículo, analizaremos qué es la EVM, cómo funciona, sus ventajas, aplicaciones prácticas y limitaciones. Antes de abordar el tema principal, revisaremos brevemente el concepto de smart contracts para comprender el papel de la EVM.

Puntos clave

• Vitalik Buterin creó Ethereum para impulsar la implementación de smart contracts, contratos autoejecutables que funcionan en la Ethereum Virtual Machine (EVM).

• La EVM es una infraestructura de software avanzada que posibilita la ejecución y el despliegue de smart contracts en la red Ethereum, actuando como el núcleo computacional del ecosistema.

• La EVM gestiona transacciones en dos estados diferenciados: el estado global (gestión de saldos y contratos) y el estado de máquina (ejecución paso a paso de las transacciones).

• Los smart contracts se escriben en Solidity y se compilan como bytecode, que la EVM ejecuta. Las tasas de gas aseguran la protección de la red y evitan el uso abusivo de recursos.

• La EVM ha sido clave en numerosas innovaciones blockchain, como los tokens ERC-20, exchanges descentralizados (DEXs), NFTs, protocolos DeFi de préstamos y organizaciones autónomas descentralizadas (DAOs).

¿Qué son los smart contracts?

Los smart contracts son programas autónomos que operan en una red blockchain sin intervención humana. Estos contratos digitales contienen código y datos diseñados por desarrolladores para ejecutar instrucciones predefinidas. Una vez desplegados, los smart contracts funcionan de acuerdo con su lógica programada y no pueden ser modificados por los usuarios, ya que operan según el código establecido.

La implementación exitosa de los smart contracts comenzó en la red Ethereum, marcando un hito en la evolución del blockchain. Desde entonces, se han creado y desplegado millones de smart contracts en Ethereum. La EVM ha sido clave en este proceso, proporcionando el entorno de ejecución necesario para que los smart contracts funcionen de forma segura y fiable. Estos contratos han permitido el desarrollo de innumerables aplicaciones y servicios descentralizados, transformando la forma en que entendemos los acuerdos digitales y las transacciones automatizadas.

¿Qué es la Ethereum Virtual Machine (EVM)?

La Ethereum Virtual Machine es el núcleo del protocolo Ethereum y actúa como su motor computacional. La EVM es una máquina virtual, es decir, un entorno digital avanzado que impulsa toda la red Ethereum. Este software tiene la capacidad de ejecutar programas, almacenar datos, conectarse a redes y gestionar diversas tareas computacionales cruciales para el funcionamiento del ecosistema blockchain.

Concretamente, la EVM ejecuta código y despliega smart contracts en la blockchain de Ethereum. Opera como un ordenador descentralizado que funciona en miles de nodos repartidos por todo el mundo, asegurando que los smart contracts se ejecuten tal como han sido programados, sin interrupciones, censura, fraude ni intervención de terceros. La EVM proporciona el entorno de ejecución para smart contracts, permitiendo a los desarrolladores crear aplicaciones descentralizadas (dApps) sofisticadas que interactúan con Ethereum de manera avanzada.

Cómo funciona

Ethereum, al ir más allá de procesar simples transacciones entre pares, requiere un sistema computacional complejo para gestionar sus funcionalidades. Los desarrolladores de Ethereum definen la red como una "máquina de estados sin límites", lo que refleja el funcionamiento de la EVM. Esta gestiona las operaciones de Ethereum en dos estados: el global y el de máquina, cada uno con funciones complementarias.

Estado global

El estado global es el nivel donde Ethereum almacena los saldos de las cuentas y los smart contracts. Igual que el libro mayor de Bitcoin, este estado es descentralizado, inmutable y accesible públicamente para cualquiera que quiera consultarlo. La EVM actualiza el estado global cada vez que se realiza una transacción, asegurando que la blockchain refleje la información más actual de todas las cuentas y contratos.

Cualquier usuario puede utilizar un explorador de bloques para consultar la blockchain de Ethereum y obtener datos idénticos y en tiempo real sobre el estado de la red. El estado global es, en esencia, una instantánea de todas las cuentas, sus saldos y el estado de los smart contracts desplegados en cada momento. Esta transparencia es fundamental para la confianza en Ethereum, ya que permite verificar el estado de la red de forma independiente.

Estado de máquina

En el estado de máquina, la EVM procesa las transacciones paso a paso. Este estado es conocido como el "sandbox" de Ethereum para desarrolladores y proporciona un entorno aislado para la ejecución de código. La red procesa dos tipos principales de transacciones, que la EVM gestiona de forma distinta.

El primer tipo es la llamada de mensaje, que se produce cuando una cuenta transfiere ETH a otra. En ese caso, la EVM mueve los ETH de una dirección a otra y actualiza el estado global tras completar la operación. El emisor paga una tasa de gas por los recursos computacionales usados.

El segundo tipo es la creación de contratos, que ocurre cuando un desarrollador ejecuta un smart contract en Ethereum. El emisor aporta la tasa de gas y envía el bytecode del contrato a la red. La EVM procesa el bytecode, ejecuta la lógica del contrato y actualiza el estado global en consecuencia. Este sistema doble permite que Ethereum procese operaciones complejas de smart contracts de manera coherente.

Lenguaje de programación Solidity

Solidity es el lenguaje más habitual para crear smart contracts en Ethereum. Al igual que JavaScript, es un lenguaje de alto nivel pensado para la legibilidad humana, aunque las máquinas no pueden interpretarlo directamente. Por tanto, aunque los desarrolladores escriban smart contracts en Solidity, la EVM solo ejecuta instrucciones en lenguaje de máquina.

Para salvar esta diferencia, tras escribir el contrato en Solidity, los desarrolladores lo traducen a lenguaje de máquina o bytecode mediante un compilador de Ethereum Virtual Machine como solc. Esta compilación transforma el código de alto nivel en bytecode que la EVM puede procesar y ejecutar. El compilador garantiza que la lógica del contrato se traduzca fielmente, permitiendo la ejecución eficiente y funcionalidad original del código.

Ejecución de smart contracts

Durante la ejecución de un smart contract por la EVM, la cantidad de gas disponible disminuye según el coste computacional de cada operación. Cada instrucción en el contrato tiene un coste específico en gas, que refleja los recursos requeridos. Si antes de finalizar la transacción el gas se agota, la EVM detiene la ejecución de inmediato.

Si la ejecución se detiene por falta de gas, la transacción se cancela y no se registran cambios en el estado global. Este mecanismo protege la red frente a bucles infinitos y operaciones abusivas. Aunque esto no afecta a la integridad de la red, el saldo de ETH del emisor se reduce porque debe pagar por los recursos consumidos antes de la interrupción. Si la transacción se completa con suficiente gas, la EVM actualiza el estado global para reflejar los cambios, registrando de forma permanente los efectos en la blockchain.

El mecanismo de gas cumple varias funciones: compensa a los validadores, evita ataques de spam y garantiza que el código sea eficiente. Al exigir el pago por recursos computacionales, Ethereum incentiva el diseño eficiente de smart contracts y el uso responsable de la red.

Tasas de gas en Ethereum

Las tasas de gas son indispensables para procesar transacciones en Ethereum y constituyen el "combustible" económico de la red. Cuando Ethereum funcionaba bajo Proof of Work (PoW), se requería hardware y electricidad, y los mineros necesitaban incentivos financieros para validar transacciones. Las tasas de gas proporcionaban estos incentivos, asegurando la seguridad y el funcionamiento de la red.

En las transferencias simples de ETH, las tasas de gas varían según la congestión de la red. Si muchos usuarios operan a la vez, los precios suben; en momentos de menor actividad, las tasas bajan y las transacciones son más económicas.

En la ejecución de smart contracts, las tasas de gas tienen un papel más complejo en la seguridad y gestión de recursos. El bytecode del contrato se divide en opcodes, que son las instrucciones básicas para la EVM. Cada opcode tiene un coste en gas: cuanto más complejo, mayor el coste. Este sistema protege la red frente a ataques maliciosos.

Por ejemplo, en un ataque DDoS, la EVM ejecutaría el smart contract malicioso hasta agotar el gas del emisor, momento en el que la transacción se rechaza antes de causar daños. Este modelo hace que los ataques sean económicamente inviables, mientras que los usuarios legítimos pueden interactuar eficientemente con los contratos.

Ventajas de la EVM

La EVM protege la red de ataques gracias a su mecanismo de tasas de gas y su entorno aislado. Esta seguridad garantiza la ejecución fiable de smart contracts y servicios automatizados, dando confianza a los usuarios en la integridad de sus operaciones.

Con el tiempo, Ethereum se ha convertido en el mayor ecosistema de criptomonedas. Es el referente para aplicaciones descentralizadas y smart contracts. La solidez de la EVM y su adopción han inspirado la creación de sidechains y entornos compatibles que permiten portar aplicaciones sin modificar el código. Esto ha dado lugar a un ecosistema extenso de blockchains compatibles con la EVM, ampliando el alcance de las aplicaciones de Ethereum.

Su naturaleza descentralizada permite crear smart contracts en Ethereum sin autorización de ninguna entidad central. Esta innovación ha democratizado el acceso a la tecnología blockchain y ha permitido el desarrollo de aplicaciones y servicios descentralizados en finanzas, videojuegos, redes sociales y muchos otros sectores.

La ejecución determinista de la EVM garantiza resultados idénticos en los smart contracts, siempre que las condiciones de entrada sean iguales, independientemente del momento o lugar. Esto proporciona fiabilidad y ha convertido la EVM en la base de numerosos proyectos innovadores.

Casos de uso de la EVM

La capacidad de la Ethereum Virtual Machine para ejecutar smart contracts ha permitido soluciones innovadoras que han cambiado la relación con los activos y servicios digitales. Estos son cinco de los casos de uso más relevantes:

Tokens ERC-20

Los smart contracts crean tokens ERC-20 con estructuras de datos que gestionan nombre, distribución y seguimiento. Estos contratos estandarizados garantizan la interoperabilidad de los tokens en Ethereum, facilitando su uso en wallets, exchanges y aplicaciones. Durante el auge de las ICO en 2017, se lanzaron numerosos tokens bajo el estándar ERC-20, evidenciando la utilidad de los smart contracts estandarizados.

Actualmente, los tokens ERC-20 se emplean sobre todo en stablecoins como USDT, USDC y DAI. Estos activos digitales mantienen su valor estable al vincularse a monedas tradicionales u otros activos, sirviendo como medio de intercambio y reserva de valor. La sencillez y el soporte del estándar ERC-20 lo convierten en el estándar para tokens fungibles en Ethereum.

Exchanges descentralizados (DEXs)

Los exchanges descentralizados permiten a los usuarios comprar, vender o intercambiar criptomonedas mediante smart contracts, eliminando intermediarios centralizados. Plataformas como Uniswap o SushiSwap emplean aplicaciones AMM que ofrecen acceso a pools de liquidez sin terceros.

Estos DEXs funcionan íntegramente con smart contracts, gestionando la liquidez, ejecutando operaciones y distribuyendo comisiones. Los usuarios mantienen la custodia de sus activos y reducen el riesgo de contraparte respecto a plataformas centralizadas. La transparencia de los contratos asegura reglas de trading constantes y justas.

Tokens no fungibles (NFTs)

Los tokens no fungibles son objetos digitales únicos en la blockchain que certifican la propiedad y no pueden replicarse ni intercambiarse por otros. Los usuarios crean colecciones de NFTs con smart contracts, donde cada token representa un activo digital singular: arte, música, terrenos virtuales o coleccionables.

Entre las colecciones más valiosas figuran Bored Ape Yacht Club (BAYC) y CryptoPunks, con gran relevancia cultural y financiera. Los propietarios pueden vender o intercambiar NFTs en mercados como OpenSea o Rarible, con smart contracts que gestionan transferencias de propiedad, pagos de royalties y otras operaciones. La EVM ha hecho posible el auge del mercado NFT gracias a su capacidad de ejecutar contratos complejos.

Préstamos DeFi

Las plataformas DeFi permiten prestar y tomar prestadas criptomonedas sin bancos ni intermediarios tradicionales. Los smart contracts gestionan los protocolos de préstamo, automatizando desde la gestión de colateral hasta el pago de intereses.

Los prestatarios reciben préstamos al aportar suficiente colateral, mientras los prestamistas pueden cobrar intereses diarios, creando mercados de capital eficientes, globales y accesibles en cualquier momento. Plataformas como Aave, Compound y MakerDAO han demostrado el potencial de los préstamos basados en smart contracts, gestionando miles de millones en activos y facilitando servicios financieros a usuarios sin acceso bancario tradicional.

Organizaciones Autónomas Descentralizadas (DAOs)

Las DAOs son entidades gestionadas por comunidades sin autoridad central, donde los miembros deciden de forma colectiva la gobernanza del proyecto. Los miembros clave establecen las normas, que se implementan y cumplen mediante smart contracts.

Estos contratos automatizan funciones como votaciones, gestión de tesorería, propuestas y membresías. Las DAOs representan un nuevo modelo organizativo, permitiendo la colaboración global y la toma de decisiones sin jerarquías tradicionales. Hay DAOs de inversión, de gobernanza de protocolos y sociales, todas aprovechando la EVM para sistemas de gobernanza automatizados y transparentes.

Limitaciones de la EVM

La EVM tiene dos limitaciones principales que deben conocer usuarios y desarrolladores. Primero, es necesario saber Solidity y tener habilidades de programación para crear e interactuar con smart contracts, lo que supone una barrera de entrada y limita la accesibilidad del ecosistema a expertos.

Segundo, las tasas de gas pueden ser muy elevadas al crear contratos o desplegar aplicaciones en Ethereum durante periodos de congestión, lo que puede hacer inviable económicamente ciertos proyectos. Este problema ha impulsado soluciones de escalado de capa 2 y blockchains compatibles con la EVM que ofrecen menores costes y mantienen la compatibilidad con Ethereum.

Criptomonedas compatibles con la EVM

Las blockchains compatibles con la EVM solucionan el problema de las tasas de gas elevadas mediante entornos alternativos que conservan la compatibilidad con los contratos de Ethereum. Los desarrolladores han adaptado componentes de la arquitectura de Ethereum para crear DApps que permiten transferencias rápidas de activos entre redes EVM. Esta interoperabilidad ha creado un ecosistema multichain que permite desplegar aplicaciones en varias redes sin modificar el código.

Las blockchains más populares compatibles con la EVM son:

• BNB Smart Chain: costes de transacción bajos y bloques rápidos con compatibilidad Ethereum
• Avalanche: alto rendimiento y finalización casi instantánea con soporte EVM
• Fantom: arquitectura DAG para mayor escalabilidad
• Cardano: compatibilidad EVM vía sidechains para conectar ecosistemas
• Polygon: solución de escalado de capa 2 para Ethereum
• Tron: plataforma alternativa compatible con EVM para aplicaciones descentralizadas

Estas redes permiten desplegar smart contracts de Ethereum con mínimas modificaciones, ampliando el alcance de las aplicaciones y ofreciendo alternativas cuando las tasas de gas en Ethereum son demasiado altas.

El futuro de la EVM

Vitalik Buterin, partiendo de Bitcoin, imaginó un superordenador descentralizado accesible para todos. La Ethereum Virtual Machine ha sido fundamental para materializar esa visión, transformando el blockchain en una plataforma informática global. Desde su creación, la EVM ha evolucionado y mejorado a través de actualizaciones constantes para responder a las necesidades del ecosistema.

La actualización Dencun implementó la propuesta EIP-4844, añadiendo proto-danksharding a Ethereum. Esta mejora reduce notablemente las tasas de gas al permitir procesar datos de transacciones de capa 2 de forma más eficiente. Proto-danksharding introduce los blob objects, un nuevo tipo de dato que, a diferencia de los datos blockchain tradicionales, se eliminan en vez de almacenarse de forma permanente, reduciendo la demanda de almacenamiento a largo plazo. EIP-4788, otro componente de Dencun, mejora la compatibilidad y concede acceso directo a la EVM al estado de Beacon Chain, clave para el staking líquido y las interacciones entre cadenas. Dencun se completó a principios de 2024, marcando un hito para Ethereum.

La hoja de ruta de Ethereum prioriza la escalabilidad mediante rollups y las zkEVMs, que permiten procesamiento eficiente fuera de la cadena manteniendo la compatibilidad. Las zkEVMs usan pruebas de conocimiento cero para verificar transacciones, permitiendo procesar miles de operaciones fuera de la cadena y validarlas en la blockchain con una carga mínima.

En el futuro, la EVM seguirá evolucionando con mejoras en eficiencia, seguridad e integración con soluciones de capa 2. Las investigaciones en clientes sin estado, almacenamiento avanzado y técnicas criptográficas prometen hacer la EVM aún más potente y accesible.

Conclusión

La Ethereum Virtual Machine es fundamental para la infraestructura de Ethereum y actúa como el motor computacional del ecosistema. Es esencial para ejecutar smart contracts, y su software avanzado gestiona tareas que permiten el funcionamiento seguro y fiable de las aplicaciones descentralizadas.

La EVM protege la red con su mecanismo de tasas de gas y ejecución aislada, evitando ataques y garantizando la seguridad, resiliencia y descentralización para desarrolladores en todo el mundo. Al proporcionar un entorno de ejecución uniforme y determinista, la EVM ha posibilitado miles de aplicaciones descentralizadas en sectores como finanzas, videojuegos, redes sociales, gestión de suministro y más.

Con la evolución constante de Ethereum y actualizaciones como Dencun, además del desarrollo de soluciones de capa 2, la EVM permanece en el centro del ecosistema, adaptándose a las necesidades de usuarios y desarrolladores. Su influencia se extiende más allá de Ethereum gracias a las blockchains compatibles con EVM, creando un ecosistema multichain vibrante. El desarrollo y adopción global de la EVM aseguran que seguirá siendo esencial para el blockchain, impulsando la innovación y nuevas formas de colaboración y actividad económica descentralizada.

FAQ

¿Qué es la Ethereum Virtual Machine (EVM)? ¿Cuál es su función principal?

La EVM es el núcleo de Ethereum, donde se ejecutan los smart contracts en un entorno aislado. Su función principal es procesar y verificar el código de los contratos en toda la red, garantizando seguridad, descentralización y la programación de aplicaciones blockchain.

¿Cómo ejecuta la EVM el código de los smart contracts?

La EVM interpreta el bytecode compilado en opcodes, procesando las instrucciones de forma secuencial mediante un modelo basado en pila y manteniendo los cambios de estado y memoria aislados en un entorno protegido.

¿En qué se diferencia la EVM de otras máquinas virtuales blockchain como Solana VM y Cosmos VM?

La EVM está diseñada para Ethereum y emplea un modelo basado en cuentas para ejecutar smart contracts. Solana VM prioriza el procesamiento paralelo para alto rendimiento, mientras Cosmos VM favorece la interoperabilidad. Cada una tiene arquitectura, consenso y lenguaje de programación propios.

¿Por qué se denomina a la EVM "ordenador mundial"?

La EVM se llama "ordenador mundial" porque opera como una red descentralizada distribuida en ordenadores de todo el mundo, ejecutando smart contracts y permitiendo el cálculo global y sin permisos.

¿Qué es la tasa de gas y cómo se relaciona con el funcionamiento de la EVM?

La tasa de gas es el coste para ejecutar transacciones y smart contracts en Ethereum. Cada operación de la EVM consume gas, lo que garantiza la seguridad de la red y evita ataques de spam.

¿Cómo se despliegan y ejecutan los smart contracts en la EVM?

Los desarrolladores programan los smart contracts en Solidity y usan herramientas como Truffle o Hardhat para compilar y desplegarlos en blockchains compatibles con la EVM. Una vez desplegados, los contratos se ejecutan automáticamente según la lógica definida y las interacciones de los usuarios.