Полное руководство по Ethereum Virtual Machine (EVM): понимание принципов работы и экосистемы за 3 минуты

Что такое смарт-контракты? Введение в три ключевых элемента работы

Смарт-контракты — это программы, которые работают самостоятельно на блокчейн-сетях. Их код создают и размещают разработчики для выполнения конкретных задач. Пользователи не могут управлять смарт-контрактами: они исполняются автоматически согласно заложенной программе. Смарт-контракты — революционная технология в блокчейне, позволяющая автоматизировать выполнение соглашений без посредников.

Ethereum первой реализовала смарт-контракты в блокчейне. За всё время работы на блокчейне Ethereum создано и размещено миллионы смарт-контрактов. EVM — вычислительный движок, который обеспечивает работу всей экосистемы Ethereum.

Элемент 1 смарт-контракта: язык программирования

В Ethereum для создания смарт-контрактов чаще всего используют язык Solidity. Это высокоуровневый язык, похожий на JavaScript: он удобен для человека, но не может быть прочитан компьютером напрямую. Поэтому после написания смарт-контракта его компилируют в машинный код или байткод с помощью компилятора EVM — например solc. Компиляция необходима, чтобы преобразовать читаемый код в исполняемые инструкции для EVM. Этот процесс также оптимизирует код для эффективного и безопасного выполнения.

Элемент 2 смарт-контракта: исполнение

Когда EVM выполняет код, расход газа уменьшается в соответствии с его стоимостью для вычислений. Если газ закончится до завершения транзакции, EVM сразу прекращает выполнение, отменяет транзакцию и не меняет глобальное состояние сети, защищая её от незавершённых и вредоносных операций. Сеть не затрагивается, но баланс ETH отправителя уменьшается — средства списываются за вычисления до остановки. Если выполнение прошло успешно, EVM обновляет глобальное состояние, чтобы оно соответствовало состоянию машины. Это гарантирует консистентность данных в сети.

Элемент 3 смарт-контракта: комиссии за газ в Ethereum

Комиссии за газ — ключевой элемент обработки транзакций в сети Ethereum. В период использования Proof of Work (PoW) для обработки транзакций требовались оборудование и электроэнергия, а майнеры получали вознаграждение. При переводе токенов ETH комиссия за газ зависит от нагрузки сети.

Во время исполнения смарт-контракта комиссии за газ выполняют особую функцию. Байткод смарт-контракта разбивается на «опкоды» — инструкции для вычислений в EVM. Каждому опкоду назначается комиссия за газ: чем сложнее опкод, тем она выше. Это защищает блокчейн Ethereum от атак. Например, если пользователь запускает DDoS-атаку, EVM продолжит выполнение кода в состоянии машины, взимая комиссию за газ за каждое действие. Когда газ у отправителя закончится, транзакция отменяется, предотвращая истощение ресурсов сети.

Что такое Ethereum Virtual Machine (EVM)? Анализ двух рабочих состояний

EVM встроена в протокол Ethereum. Это виртуальная машина — цифровое программное обеспечение, поддерживающее работу сети. Виртуальная машина исполняет программы, хранит данные, соединяется с сетями и выполняет вычисления. Она отвечает за исполнение и размещение смарт-контрактов, являясь вычислительной основой экосистемы Ethereum.

Ethereum выполняет больше, чем обмен ценностью между пользователями, поэтому ей нужен более сложный вычислительный механизм. Вместо «распределённого реестра» разработчики называют сеть «машиной состояний с неограниченным числом состояний». Это фундаментальная концепция работы EVM. В Ethereum есть два типа состояния: глобальное и машинное, каждое выполняет свою, но дополняющую функцию.

Рабочее состояние EVM 1: глобальное состояние

Глобальное состояние хранит балансы аккаунтов и смарт-контракты Ethereum. Как и реестр Bitcoin, оно децентрализовано, неизменно и доступно всем онлайн. EVM обновляет этот слой после каждой транзакции, предоставляя всем одинаковую информацию. Любой пользователь с блок-эксплорером может просматривать блокчейн Ethereum и видеть те же данные в реальном времени. Глобальное состояние — это актуальный снимок всех аккаунтов, балансов и хранилищ контрактов, обеспечивающий прозрачность и проверяемость состояния сети.

Рабочее состояние EVM 2: состояние машины

Состояние машины — это этап, на котором EVM по шагам обрабатывает транзакции. Его также называют песочницей Ethereum для разработчиков: изолированная среда для исполнения кода. Ethereum поддерживает два типа транзакций. Первый — «message call», когда один аккаунт переводит токены ETH другому. EVM переводит токены с одного кошелька на другой и отражает транзакцию в глобальном состоянии. Отправитель оплачивает комиссию за газ за вычисления при отправке. Состояние машины позволяет временно изменять или вычислять данные перед фиксацией в глобальном состоянии, обеспечивая согласованность и атомарность транзакций.

Преимущества и ограничения Ethereum Virtual Machine (EVM): плюсы и минусы

Преимущества EVM

EVM защищает сеть от атак с помощью механизма комиссий за газ и контроля исполнения. Она позволяет запускать смарт-контракты и автоматизированные сервисы на надёжной платформе. Сеть Ethereum — крупнейшая крипто-экосистема, эталон для создания DApp и размещения смарт-контрактов.

Многие блокчейны создали сайдчейны, позволяющие разработчикам Ethereum переносить приложения без изменения кода, что доказывает широкую совместимость и распространение EVM. Такая интероперабельность способствует инновациям и снижает расходы на разработку.

EVM работает децентрализованно, любой может создавать смарт-контракты в Ethereum без разрешения. Разработчики могут размещать децентрализованные сервисы и приложения, которые стали популярны в последние годы. Открытый доступ демократизирует работу с блокчейном и позволяет специалистам со всего мира развивать экосистему.

Ограничения EVM

У EVM есть два главных ограничения. Первое — необходимость знаний и навыков программирования на Solidity. Многим сложно работать с кодом, что мешает новым пользователям создавать и использовать смарт-контракты. Этот технический барьер ограничивает массовое распространение и требует образовательной поддержки.

Второе — высокая стоимость комиссий за газ при создании смарт-контрактов и размещении приложений в Ethereum. Особенно это заметно при перегрузке сети. Высокие расходы делают некоторые сценарии экономически невыгодными и стимулируют развитие решений второго уровня и альтернативных блокчейнов.

Экосистема EVM: пять основных сценариев использования

По мере того как EVM исполняет смарт-контракты, в блокчейне появляются новые инновации. Ниже приведены пять главных сценариев использования EVM, иллюстрирующих возможности этой технологии:

Сценарий использования EVM 1: токены ERC-20

Токены ERC-20 создаются смарт-контрактами с заданной структурой данных. Эта структура отвечает за имя, распределение и отслеживание токенов, обеспечивая стандарт для их выпуска. В 2017 году, когда проходили ICO, многие новые криптовалюты запускались с токенами ERC-20. В последние годы наиболее востребованы стейблкоины, такие как USDT, которые обеспечивают стабильность цены и удобство торговли на децентрализованных платформах. Стандарт ERC-20 стал основой токенизации в блокчейне.

Сценарий использования EVM 2: децентрализованные биржи (DEX)

Децентрализованные биржи (DEX) позволяют покупать, продавать и обменивать криптовалюты с помощью смарт-контрактов без посредников. Uniswap и SushiSwap используют механизмы Automated Market Maker (AMM), позволяя работать с пулами ликвидности без третьих лиц. Эти платформы изменили подход к торговле криптовалютой: обеспечили прозрачный, открытый доступ к рынкам и контроль над активами на всём протяжении сделки.

Сценарий использования EVM 3: NFT

NFT — это цифровые произведения, хранящиеся на блокчейне и подтверждающие уникальное право собственности. Энтузиасты используют смарт-контракты для создания и выпуска коллекций NFT, обеспечивая дефицит и подлинность. Среди самых ценных коллекций — Bored Ape Yacht Club (BAYC) и CryptoPunks. Владельцы могут продавать или передавать NFT на площадках, таких как OpenSea, формируя активный рынок цифрового искусства и коллекций.

Сценарий использования EVM 4: DeFi-кредитование

DeFi-кредитование — это платформы, где пользователи могут брать и выдавать займы в криптовалюте без посредников. Смарт-контракты управляют кредитными протоколами, автоматизируя все этапы — от выдачи до погашения. Займы выдаются мгновенно, кредиторы могут ежедневно получать проценты. Такое решение позволяет пользователям по всему миру получать доход с крипто-активов или доступ к ликвидности без банка.

Сценарий использования EVM 5: децентрализованные автономные организации

Децентрализованные автономные организации (DAO) — это публичные структуры, не подчиняющиеся централизованному управлению и работающие на основе коллективных решений. В DAO участники совместно принимают управленческие решения через голосование, реализованное смарт-контрактами. Правила DAO определяются ключевыми членами сообщества и реализуются смарт-контрактами, обеспечивая прозрачное, демократическое управление. Такая структура стала новым стандартом координации и сотрудничества в цифровую эпоху.

Криптовалюта и совместимость с EVM: какие криптовалюты поддерживают EVM?

EVM-совместимые блокчейны решают проблему высоких комиссий за газ и сохраняют совместимость с инструментами разработчиков Ethereum. Разработчики используют элементы сети Ethereum и создают DApp, позволяющие быстро перемещать активы между любыми сетями с поддержкой EVM. К наиболее популярным блокчейнам с поддержкой EVM относятся:

• Ведущие платформы смарт-чейнов
• Avalanche
• Fantom
• Cardano
• Polygon
• Tron

Эти EVM-совместимые блокчейны дают разработчикам гибкость для размещения приложений на разных сетях и используют существующие инструменты и инфраструктуру Ethereum. Такой мультичейн-подход способствует инновациям и конкуренции, развивает масштабируемость, снижает затраты и улучшает пользовательский опыт в отрасли блокчейна.

Будущее EVM: новые тренды в развитии смарт-контрактов

Виталик Бутерин стремился создать децентрализованный суперкомпьютер, доступный всем, опираясь на фундамент Bitcoin. Ethereum Virtual Machine сыграла ключевую роль в реализации этой идеи, превратив блокчейн из реестра транзакций в глобальную вычислительную платформу. С момента появления EVM регулярно обновляется и развивается, внедряя новые возможности и оптимизации.

Сегодня смарт-контракты стимулируют главные тренды блокчейна — DeFi, NFT, DAO. В будущем EVM откроет новые возможности для децентрализованных приложений, способных менять отрасли: от финансов до логистики, гейминга и других сфер. Развитие решений второго уровня, кроссчейн-мостов и инструментов для разработчиков сделает EVM доступнее и эффективнее, расширяя её влияние на цифровую экономику.

FAQ

Что такое Ethereum Virtual Machine (EVM)? Какова её основная задача?

EVM — это изолированная среда для исполнения смарт-контрактов в Ethereum. Она компилирует код Solidity в байткод и безопасно исполняет его. Главная задача EVM — обеспечивать детерминированное выполнение контрактов, контролировать расход газа и поддерживать согласованность состояния сети.

Как EVM исполняет смарт-контракты? Каковы принципы работы?

EVM исполняет смарт-контракты, загружая байткод и пошагово выполняя инструкции по стековой модели. Она обрабатывает опкоды в изолированной среде: код контракта не может обращаться к внешним сетям и системам. Все изменения состояния записываются в блокчейн с учётом расхода газа.

Чем EVM отличается от других виртуальных машин блокчейна, например Solana VM?

EVM использует контрактную модель управления памятью и последовательное выполнение, а Solana VM — аккаунтную модель и параллельную обработку. EVM ориентирована на безопасность через изоляцию состояния, Solana VM — на производительность благодаря параллельности на уровне аккаунтов.

Какие языки и инструменты нужны для разработки смарт-контрактов на EVM?

Для EVM используют язык Solidity. Главные инструменты — Hardhat и Truffle для компиляции, тестирования и размещения. Для работы с блокчейном применяют библиотеки Web3.js или Ethers.js.

Как работает механизм комиссий за газ в EVM?

Газ — мера вычислительных ресурсов в EVM. Расход газа включает исполнение кода и вызовы сообщений. Комиссии динамичны: их размер зависит от сложности операций, а платит пользователь для выполнения транзакции.

Какие основные решения второго уровня масштабирования есть в экосистеме EVM?

К основным решениям второго уровня относятся Optimism, Polygon 2.0, Mantle, zkSync. Они увеличивают масштабируемость и пропускную способность Ethereum с помощью rollup и zero-knowledge proofs.

Как обеспечить безопасность смарт-контрактов на EVM?

Для защиты смарт-контрактов на EVM проводят аудит кода, избегают недетерминированных операций (случайные числа, таймштампы), проводят тестирование и используют инструменты формальной верификации для поиска уязвимостей до размещения.

Что такое EVM-совместимые блокчейны? Почему они выбирают совместимость с EVM?

К основным EVM-совместимым сетям относятся BNB Chain, Polygon, Avalanche, Arbitrum, Optimism. Они поддерживают EVM для использования инструментов Ethereum, кошельков вроде MetaMask и смарт-контрактов, ускоряя развитие экосистемы, упрощая миграцию пользователей и снижая сложность разработки.