Qu'est-ce que l'Ethereum Virtual Machine (EVM) ?

Introduction

Vitalik Buterin a conçu Ethereum dans le but d’étendre les possibilités de la blockchain au-delà de celles offertes par Bitcoin. S’inspirant du système de transactions pair-à-pair de Bitcoin, il estimait que la blockchain devait servir une finalité plus large que le simple traitement des opérations financières. Cette vision a mené à la création du réseau Ethereum, qui hérite des capacités de Bitcoin—traitement des transactions P2P et stockage immuable et décentralisé—tout en introduisant des fonctionnalités inédites, notamment l’exécution de smart contracts.

La question logique qui en découle est : comment un réseau blockchain exécute-t-il des smart contracts ? Ethereum y parvient grâce à l’Ethereum Virtual Machine (EVM), le moteur computationnel au centre du réseau. L’EVM est l’infrastructure cruciale qui permet aux développeurs de déployer et d’exécuter des smart contracts, transformant Ethereum d’une simple cryptomonnaie en une plateforme informatique mondiale décentralisée. Cet article approfondi présente la nature de l’EVM, son fonctionnement, ses atouts, ses usages concrets et ses limites. Avant d’entrer dans le vif du sujet, nous allons brièvement aborder le concept de smart contract, afin d’établir le cadre de compréhension du rôle de l’EVM.

Points clés

• Vitalik Buterin a créé Ethereum pour introduire les smart contracts, des contrats auto-exécutables fonctionnant sur l’Ethereum Virtual Machine (EVM).

• L’EVM est une infrastructure logicielle avancée permettant l’exécution et le déploiement de smart contracts au sein du réseau Ethereum, en constituant la colonne vertébrale computationnelle de l’écosystème.

• L’EVM traite les transactions selon deux états distincts : l’état global (gestion des soldes et des smart contracts) et l’état machine (exécution des étapes de transaction).

• Les smart contracts sont écrits en Solidity et compilés en bytecode, que l’EVM exécute ensuite. Les frais de gas garantissent la sécurité du réseau et évitent l’abus de ressources par des acteurs malveillants.

• L’EVM influence de nombreuses innovations blockchain, comme les tokens ERC-20, les exchanges décentralisés (DEX), les non-fungible tokens (NFT), les protocoles de lending DeFi et les organisations autonomes décentralisées (DAO).

Qu’est-ce qu’un smart contract ?

Les smart contracts sont une innovation majeure de la blockchain : ce sont des programmes autonomes ou applications qui fonctionnent sur un réseau blockchain sans intervention humaine. Ils se composent de code et de données déployés par les développeurs pour exécuter des instructions prédéfinies. Une fois en place, le fonctionnement des smart contracts est entièrement régi par leur logique programmée et n’est pas sous le contrôle des utilisateurs.

Le concept de smart contract a été introduit avec succès sur le réseau Ethereum, marquant un tournant dans l’évolution de la blockchain. Cette avancée a permis la création et le déploiement de millions de smart contracts sur Ethereum au fil du temps. L’EVM a été déterminante dans cette adoption, en fournissant l’environnement computationnel indispensable à leur exécution fiable et sécurisée. Ces contrats auto-exécutables ont permis l’émergence d’applications et services décentralisés, transformant la manière d’envisager les accords numériques et les transactions automatisées.

Qu’est-ce que l’Ethereum Virtual Machine (EVM) ?

L’Ethereum Virtual Machine constitue le cœur du protocole Ethereum en tant que moteur computationnel. C’est une machine virtuelle, un environnement logiciel sophistiqué qui alimente l’ensemble du réseau Ethereum. Elle est capable d’exécuter des programmes, de stocker des données, de se connecter à des réseaux et d’accomplir diverses tâches computationnelles indispensables à l’écosystème blockchain.

Plus spécifiquement, l’EVM exécute le code et déploie les smart contracts sur la blockchain Ethereum. Elle fonctionne comme un ordinateur décentralisé réparti sur des milliers de nœuds dans le monde, garantissant l’exécution conforme des smart contracts sans interruption, censure, fraude ou intervention tierce. L’EVM fournit un environnement d’exécution pour les smart contracts, permettant aux développeurs de construire des applications décentralisées complexes (dApps) capables d’interactions sophistiquées avec la blockchain Ethereum.

Fonctionnement

Ethereum ne se limite pas au traitement de transactions pair-à-pair ; il a besoin d’un système computationnel évolué pour gérer ses fonctionnalités étendues. Les développeurs d’Ethereum considèrent le réseau comme une « machine à états illimitée » plutôt qu’un simple registre distribué, ce qui correspond au mode de fonctionnement de l’EVM. Celle-ci gère les opérations d’Ethereum via deux états distincts : l’état global et l’état machine, chacun ayant un rôle complémentaire.

État global

L’état global est le niveau où Ethereum conserve les soldes de comptes et les smart contracts. Comme le registre de Bitcoin, cet état est décentralisé, immuable et accessible publiquement. L’EVM met à jour l’état global à chaque transaction, garantissant que la blockchain reflète les informations les plus récentes sur tous les comptes et contrats.

Tout utilisateur peut consulter la blockchain Ethereum via un explorateur de blocs et obtenir des données identiques et actualisées sur l’état du réseau. L’état global offre une photographie en temps réel de tous les comptes, de leurs soldes et de l’état des smart contracts déployés. Cette transparence est essentielle à la nature trustless d’Ethereum, car chacun peut vérifier l’état du réseau de façon indépendante.

État machine

Dans l’état machine, l’EVM traite les transactions étape par étape. Cet état est souvent assimilé au « bac à sable » pour les développeurs, offrant un environnement isolé où le code s’exécute. Le réseau Ethereum gère deux types de transactions principales, chacune traitée différemment par l’EVM.

Le premier type est le message call, lorsqu’un compte transfère des tokens ETH à un autre. L’EVM déplace alors les tokens d’un portefeuille à un autre et met à jour l’information dans l’état global à la fin de la transaction. L’expéditeur paie des frais de gas correspondant à la puissance de calcul utilisée.

Le second type est la création de contrat, lorsque le développeur souhaite exécuter un smart contract sur Ethereum. Il fournit la quantité de gas nécessaire et soumet le bytecode du smart contract au réseau. L’EVM traite ce bytecode, applique la logique du contrat et actualise l’état global. Ce système à deux états permet à Ethereum de préserver la cohérence tout en traitant des opérations complexes.

Langage de programmation Solidity

Le langage le plus utilisé pour la création de smart contracts sur Ethereum est Solidity. À l’instar de JavaScript, Solidity est un langage de haut niveau conçu pour que le code soit lisible par les humains, mais il n’est pas directement interprétable par les machines. Cela pose un défi : si les développeurs écrivent des smart contracts en Solidity, l’EVM ne comprend que des instructions en bytecode.

Pour combler cet écart, il faut compiler le smart contract en bytecode via un compilateur Ethereum Virtual Machine tel que solc. Ce processus transforme le code Solidity en instructions de bas niveau que l’EVM peut exécuter. Le compilateur assure que la logique du smart contract est fidèlement convertie dans un format exploitable, tout en préservant sa fonctionnalité initiale.

Exécution des smart contracts

Lorsque l’EVM exécute le code d’un smart contract, la réserve de gas diminue suivant le coût computationnel des opérations. Chaque opération possède un coût en gas reflétant les ressources nécessaires à son exécution. Si la réserve de gas atteint zéro avant la fin de la transaction, l’EVM interrompt immédiatement l’exécution.

Si l’exécution s’arrête par manque de gas, la transaction est annulée et aucune modification n’est apportée à l’état global. Ce mécanisme protège le réseau contre les boucles infinies et les opérations gourmandes en ressources. L’intégrité du réseau reste intacte, mais le solde ETH de l’expéditeur diminue, car il doit payer pour les ressources utilisées avant l’arrêt. Si la transaction aboutit avec suffisamment de gas, l’EVM actualise l’état global pour correspondre à l’état machine et consigne l’opération sur la blockchain.

Ce mécanisme de gas sert à rémunérer les validateurs pour leurs ressources, à protéger le réseau contre le spam et les attaques par déni de service, et à inciter à la rédaction de code efficace. En exigeant un paiement pour les ressources, Ethereum encourage l’efficacité et une utilisation responsable du réseau.

Frais de gas Ethereum

Les frais de gas sont indispensables au traitement des transactions sur la blockchain Ethereum et servent de carburant économique au réseau. Sous le consensus Proof of Work (PoW), exécuter des transactions requérait d’importantes ressources matérielles et énergétiques, et les mineurs avaient besoin d’incitations financières pour leur participation. Les frais de gas répondaient à cette nécessité en motivant les mineurs à sécuriser le réseau et à valider les transactions.

Pour les transferts de tokens ETH, les frais de gas varient selon la congestion du réseau. Quand de nombreux utilisateurs souhaitent transacter simultanément, le prix du gas augmente. À l’inverse, en période de faible activité, les frais baissent et les transactions deviennent plus abordables.

Pour l’exécution des smart contracts, les frais de gas jouent un rôle complexe dans la sécurité et la gestion des ressources. Durant l’exécution, le bytecode du smart contract est divisé en opcodes (codes d’opération), instructions fondamentales de l’EVM. Chaque opcode a un coût en gas : plus il est complexe, plus il est cher. Cette tarification protège Ethereum contre les attaques malveillantes.

Par exemple, lors d’une attaque DDoS, l’EVM continue d’exécuter le smart contract malveillant dans l’état machine, mais des frais de gas sont facturés à chaque computation. Quand la réserve de gas de l’expéditeur est épuisée, la transaction est rejetée avant de causer des dommages, rendant l’attaque trop coûteuse tout en permettant aux utilisateurs légitimes d’utiliser efficacement les smart contracts.

Avantages de l’EVM

Comme évoqué, l’EVM protège le réseau contre diverses attaques grâce à son mécanisme de frais de gas et son environnement isolé. Cette sécurité garantit une plateforme fiable pour l’exécution des smart contracts et des services automatisés, offrant aux utilisateurs l’assurance que leurs transactions se déroulent comme prévu.

Ethereum est devenu le principal écosystème de cryptomonnaies dans l’univers blockchain. Il est reconnu comme la référence pour les applications décentralisées et le déploiement de smart contracts. L’architecture solide de l’EVM et son adoption généralisée ont inspiré la création de sidechains et d’environnements compatibles, facilitant la portabilité des applications Ethereum sans modification du code. Cette compatibilité a généré un vaste écosystème de blockchains compatibles EVM, élargissant l’usage des applications Ethereum.

La décentralisation de l’EVM permet à quiconque de créer un smart contract sur Ethereum sans autorisation centrale. Cette innovation sans permission a démocratisé l’accès à la blockchain, encourageant la contribution des développeurs du monde entier. L’EVM facilite la création et le déploiement de services et d’applications décentralisés, qui ont gagné en popularité et stimulent l’innovation dans la finance, le jeu, les réseaux sociaux et bien plus.

L’exécution déterministe de l’EVM garantit que les smart contracts produisent des résultats identiques partout et à tout moment, sous conditions d’entrée identiques. Cette prévisibilité est essentielle à la fiabilité des applications décentralisées et fait de l’EVM le socle de nombreux projets d’innovation blockchain.

Cas d’utilisation de l’EVM

Grâce à l’Ethereum Virtual Machine et à l’exécution des smart contracts, de nombreuses solutions innovantes ont émergé dans la blockchain, modifiant l’accès aux actifs et services numériques. Voici cinq cas d’usage majeurs et impactants de l’EVM :

Tokens ERC-20

Les smart contracts génèrent des tokens ERC-20 à partir de structures de données standardisées assurant la gestion du nom, de la distribution et du suivi. Ces contrats garantissent une interopérabilité entre wallets, exchanges et autres applications. Lors du boom des ICO en 2017, de nombreux tokens ont été lancés selon la norme ERC-20, démontrant la puissance des smart contracts standardisés.

Plus récemment, les tokens ERC-20 sont surtout utilisés pour les stablecoins comme USDT (Tether), USDC (USD Coin) et DAI. Ces actifs numériques assurent la stabilité de prix en étant indexés sur des devises ou actifs traditionnels, offrant un moyen d’échange et de réserve de valeur fiable dans l’écosystème crypto. La simplicité et l’adoption du standard ERC-20 font de lui la référence pour les tokens fongibles sur Ethereum.

Exchanges décentralisés (DEX)

Les exchanges décentralisés permettent d’acheter, vendre ou échanger des cryptomonnaies via des smart contracts, sans intermédiaire centralisé. Des plateformes comme Uniswap, SushiSwap et autres utilisent des Automated Market Makers (AMM), donnant accès à des pools de liquidités sans intervention tierce.

Ces DEX fonctionnent entièrement grâce aux smart contracts, qui gèrent les pools de liquidités, exécutent les transactions et répartissent les frais. Les utilisateurs conservent la garde de leurs actifs, réduisant fortement le risque de contrepartie par rapport aux plateformes centralisées. La transparence des smart contracts garantit des règles de trading cohérentes et non modifiables arbitrairement, renforçant la confiance dans l’équité du système.

Non-Fungible Tokens (NFT)

Les Non-Fungible Tokens sont des objets numériques uniques enregistrés sur la blockchain, attestant la propriété et ne pouvant être dupliqués ou substitués. Les utilisateurs créent des collections NFT via des smart contracts, chaque token représentant un actif numérique distinct—œuvre, musique, immobilier virtuel ou objet de collection.

Les collections NFT les plus prestigieuses incluent Bored Ape Yacht Club (BAYC) et CryptoPunks, qui ont acquis une forte valeur culturelle et financière. Les propriétaires peuvent vendre ou échanger leurs NFT sur des plateformes comme OpenSea ou Rarible, les smart contracts automatisant le transfert de propriété, la gestion des royalties et d’autres transactions. Les capacités de l’EVM à gérer ces contrats ont permis l’essor du marché NFT.

Lending DeFi

Les plateformes DeFi de lending permettent d’emprunter et de prêter des cryptomonnaies sans intermédiaire bancaire classique. Les smart contracts régissent les protocoles d’emprunt et de prêt, automatisant la gestion des garanties et la distribution des intérêts.

Les emprunteurs accèdent à des prêts instantanés en fournissant le collatéral requis, tandis que les prêteurs bénéficient parfois d’intérêts quotidiens, créant des marchés de capitaux efficaces et disponibles en continu, partout dans le monde. Des plateformes comme Aave, Compound et MakerDAO démontrent la puissance du lending sur smart contract, gérant des milliards d’actifs et offrant des services à des publics parfois exclus du système bancaire traditionnel.

Organisations autonomes décentralisées (DAO)

Une Decentralized Autonomous Organization est une entité communautaire sans autorité centrale, où les membres prennent collectivement les décisions de gouvernance. Les membres fondateurs définissent les règles de la DAO, exécutées et appliquées par des smart contracts.

Ces smart contracts assurent le vote, la gestion de la trésorerie, la soumission et l’exécution des propositions, ainsi que l’administration des adhésions. Les DAO incarnent un modèle organisationnel innovant, favorisant la gouvernance collective mondiale sans hiérarchie. On distingue des DAO d’investissement, de gouvernance de protocole ou sociales, toutes exploitant l’EVM pour créer des systèmes transparents et automatisés.

Limites de l’EVM

L’EVM comporte deux limites principales. D’abord, il est nécessaire de maîtriser Solidity et des compétences en programmation pour créer et interagir avec les smart contracts, ce qui représente une barrière à l’entrée pour les nouveaux utilisateurs.

Ensuite, les frais de gas peuvent s’avérer élevés lors de la création de smart contracts ou du déploiement d’applications, en particulier en période de forte congestion du réseau. Ce coût a conduit au développement de solutions de scalabilité layer-2 et de blockchains compatibles EVM, offrant des transactions moins onéreuses tout en restant compatibles avec Ethereum.

Cryptomonnaies compatibles EVM

Les blockchains compatibles EVM apportent une solution au coût des frais de gas, en proposant des environnements alternatifs tout en restant compatibles avec les smart contracts Ethereum. Les développeurs ont adapté certains composants d’Ethereum pour créer des DApps facilitant le transfert d’actifs entre réseaux compatibles EVM. Cette interopérabilité a permis un écosystème multi-chain, où les applications se déploient sur plusieurs réseaux sans réécriture de code.

Parmi les blockchains compatibles EVM figurent :

• BNB Smart Chain : coûts de transaction faibles et blocs rapides, compatible Ethereum
• Avalanche : haut débit et finalité quasi immédiate, support EVM
• Fantom : architecture DAG pour une scalabilité accrue
• Cardano : compatibilité EVM via sidechains pour relier les écosystèmes
• Polygon : solution layer-2 conçue pour Ethereum
• Tron : plateforme alternative compatible EVM pour applications décentralisées

Ces réseaux permettent aux développeurs de déployer des smart contracts Ethereum avec peu d’ajustements, étendant la portée de leurs applications et offrant des alternatives lorsque les frais de gas sont trop élevés sur Ethereum.

L’avenir de l’EVM

Vitalik Buterin a construit Ethereum sur la base de Bitcoin, avec l’ambition d’en faire un superordinateur décentralisé accessible à tous. L’Ethereum Virtual Machine a joué un rôle central dans cette transformation, faisant évoluer la blockchain d’un simple registre de transactions vers une plateforme informatique mondiale. Depuis sa création, l’EVM a connu de nombreuses évolutions et poursuit son amélioration, répondant aux exigences croissantes de l’écosystème blockchain.

La mise à jour Dencun a introduit la proposition EIP-4844 et le proto-danksharding sur Ethereum. Cette avancée réduit sensiblement les frais de gas, en permettant de traiter plus efficacement les données des transactions layer-2. Au cœur du proto-danksharding se trouvent les blob objects, un nouveau type de données supprimé après usage, allégeant les besoins de stockage. L’EIP-4788 améliore la compatibilité et offre à l’EVM un accès direct à l’état de la Beacon Chain, essentiel pour le liquid staking et les interactions cross-chain. Dencun a été finalisée début 2024, marquant une étape importante dans l’évolution d’Ethereum.

La feuille de route d’Ethereum mise sur la scalabilité via les rollups, avec les zero-knowledge Ethereum Virtual Machines (zkEVM) en première ligne. Les zkEVM permettent de traiter efficacement les transactions hors chaîne tout en restant compatibles avec Ethereum, ce qui améliore la scalabilité sans sacrifier la sécurité. Ces solutions exploitent les zero-knowledge proofs pour valider les transactions, permettant de traiter des milliers d’opérations hors chaîne, puis de les vérifier sur chaîne avec un minimum de ressources.

L’EVM continuera d’évoluer, avec des gains d’efficacité, des améliorations de sécurité et une meilleure intégration des solutions layer-2. Les recherches sur les clients stateless, les modèles de stockage avancés et les techniques cryptographiques promettent de rendre l’EVM toujours plus performant et accessible.

Conclusion

L’Ethereum Virtual Machine est un élément fondamental de l’infrastructure Ethereum, agissant comme le moteur computationnel de tout l’écosystème. Elle est indispensable à l’exécution des smart contracts sur la blockchain, assurant de multiples tâches computationnelles qui permettent aux applications décentralisées de fonctionner de façon fiable et sécurisée.

L’EVM protège également le réseau via son mécanisme de frais de gas et son environnement isolé, prévenant les attaques et favorisant la sécurité, la résilience et la décentralisation de la plateforme pour les développeurs du monde entier. Grâce à sa cohérence et son exécution déterministe, elle a permis la création de milliers d’applications décentralisées dans la finance, le gaming, les réseaux sociaux, la chaîne logistique et bien d’autres secteurs.

À mesure qu’Ethereum évolue avec des mises à jour comme Dencun et le développement des solutions layer-2, l’EVM reste au cœur de l’écosystème, s’adaptant aux attentes des utilisateurs et des développeurs. Son influence s’étend au-delà d’Ethereum, avec de nombreuses blockchains compatibles EVM qui élargissent la portée des applications Ethereum et constituent un écosystème multi-chain dynamique. Le développement continu et l’adoption croissante de l’EVM garantissent sa pérennité comme pilier de la technologie blockchain, stimulant l’innovation et favorisant de nouveaux modèles de collaboration et d’économie décentralisée.

FAQ

Qu’est-ce que l’Ethereum Virtual Machine (EVM) ? Quel est son rôle principal ?

L’EVM est le composant central d’Ethereum chargé d’exécuter les smart contracts dans un environnement isolé. Elle traite et vérifie le code des contrats sur le réseau, assurant sécurité et décentralisation tout en permettant des applications blockchain programmables.

Comment l’EVM exécute-t-elle le code des smart contracts ?

L’EVM interprète le bytecode compilé en opcodes, utilise un modèle de pile pour traiter les instructions séquentiellement et maintient les changements d’état et la mémoire dans un environnement isolé.

Quelles différences entre l’EVM et les autres machines virtuelles blockchain comme Solana VM et Cosmos VM ?

L’EVM est conçue pour Ethereum et prend en charge l’exécution des smart contracts par un modèle basé sur les comptes. Solana VM exploite le traitement parallèle pour un débit élevé, tandis que Cosmos VM privilégie l’interopérabilité. Chaque VM possède sa propre architecture, consensus et langage de programmation.

Pourquoi l’EVM est-elle appelée « l’ordinateur mondial » ?

L’EVM porte ce nom car elle fonctionne comme un réseau décentralisé réparti à l’échelle mondiale, exécutant des smart contracts. Cette architecture distribuée permet un calcul sans frontière et sans permission, accessible à tous.

Qu’est-ce qu’un frais de gas ? Quel est le lien avec le fonctionnement de l’EVM ?

Le frais de gas est le coût requis pour exécuter transactions et smart contracts sur Ethereum. Il est directement lié à l’EVM, chaque étape computationnelle consommant du gas, ce qui garantit la sécurité et prévient le spam.

Comment les développeurs déploient-ils et exécutent-ils des smart contracts sur l’EVM ?

Les développeurs rédigent leurs smart contracts en Solidity, puis utilisent des outils comme Truffle ou Hardhat pour les compiler et les déployer sur des blockchains compatibles EVM. Une fois déployés, les contrats s’exécutent automatiquement selon leur logique et les interactions des utilisateurs.