Что представляет собой EVM?

Введение

Ethereum Virtual Machine (EVM) — это ключевая вычислительная модель, лежащая в основе развертывания и исполнения смарт-контрактов, а также формирования новых состояний блоков в блокчейне Ethereum. EVM называют «мозгом» экосистемы Ethereum; он служит фундаментом всей блокчейн-индустрии. Для крупных блокчейнов, таких как Avalanche, ведущих платформ смарт-контрактов, Polygon, Solana, Harmony и Fantom, совместимость с EVM становится критически важной для успеха. EVM существенно снижает технические барьеры и облегчает обучение для разработчиков, создающих и внедряющих смарт-контракты.

Тем не менее, EVM сталкивается с рядом технических вызовов. При перегруженности сети комиссии за газ могут резко возрасти, что увеличивает стоимость использования DApp и сдерживает массовое распространение Ethereum. Для решения этой проблемы появились Layer 2-решения масштабирования, такие как Optimistic Rollups и zk-Rollups, повышающие масштабируемость Ethereum и пропускную способность транзакций.

На эффективность блокчейн-сети влияет множество факторов, однако именно совместимость с EVM выделяется особо. Она ускоряет привлечение пользователей и формирует активное сообщество разработчиков. В статье подробно рассматривается EVM, его значение и причины, по которым он является ключевым элементом роста и расширения блокчейн-экосистем.

Что такое виртуальная машина (VM)?

Виртуальная машина (VM) — это технологическая абстракция физической компьютерной системы. Она позволяет программному обеспечению эмулировать функции аппаратуры, выполняя различные программы и развертывая приложения. С помощью VM программное обеспечение может полностью воспроизводить рабочие возможности аппаратной платформы — запуск программ или установку приложений — без привязки к конкретным устройствам.

Виртуальная машина состоит из виртуальной «гостевой» машины и физической «хостовой» машины. Гостевая машина — это программная среда, например EVM или macOS VM, а хост — физический ноутбук или блокчейн-узел. В традиционном софте технологии VM позволяют запускать несколько операционных систем одновременно на одном хосте. Каждая ОС работает независимо, как отдельный компьютер, без помех друг другу.

Эта функциональность дает возможность запускать специализированное ПО, требующее ОС, отличной от основной системы пользователя, что существенно повышает гибкость и совместимость. С помощью VM можно создавать изолированные песочницы для безопасного тестирования новых программ, отладки кода или поддержки уникальных задач — без ущерба стабильности основной системы.

Объяснение EVM

Ethereum признан ведущей платформой для разработчиков DApp во многом благодаря архитектуре и надежности EVM. Виталик Бутерин предложил EVM в 2013 году, а Гэвин Вуд реализовал детальный технический дизайн и внедрение. EVM — движок, лежащий в основе экосистемы Ethereum.

EVM написан на C++ и использует LLVM для оптимизации компилятора. Постоянно работающая специализированная машина состояний, EVM управляет переходами состояний каждого блока Ethereum. По сути, EVM — это и «мозг», и «сердце» Ethereum: он управляет изменениями состояния блокчейна и обеспечивает безопасное выполнение смарт-контрактов по всей сети. EVM лежит в основе клиентских программ, таких как Geth и Nethermind, обязательных для участия в сети Ethereum.

EVM не только регулирует правила для сетевых узлов, но и определяет конкретную логику перехода состояний между блоками. Эта мощная система управления состоянием — основа для смарт-контрактов Ethereum и поддержка современных DApp.

Чтобы понять роль EVM, важно рассмотреть его основные функции, поддерживающие стабильную работу Ethereum. EVM обрабатывает входящие данные и выдает детерминированные выходные значения: одинаковый вход всегда приводит к одинаковому результату — как математическая функция. Это стековая программа, использующая структуры данных типа стек для эффективной работы с временными данными.

Стек EVM вмещает до 1 024 элементов по 256 бит, что обеспечивает высокий вычислительный потенциал. EVM также поддерживает временную память в виде массива байтов, которая обновляется между транзакциями блокчейна и хранит данные, необходимые для исполнения. Скомпилированный код смарт-контракта использует 140 стандартных опкодов и другие специфические стековые операции для выполнения различных вычислений.

Во время обработки транзакций состояние машины EVM меняется динамично, а мировое состояние хранит информацию об аккаунтах в блокчейне Ethereum. Все действия четко определяются кодом EVM. С 2015 года EVM прошел несколько этапов модернизации, появились более производительные и функциональные версии.

Как работает EVM

Узлы Ethereum составляют основу сети: они записывают и распространяют данные о транзакциях и смарт-контрактах. EVM обрабатывает и проверяет эти данные, чтобы обновлять реестр и обеспечивать единую картину у всех узлов.

Одна из ключевых ролей EVM — служить мостом и переводчиком между узлами и смарт-контрактами. Он компилирует код смарт-контракта, обычно написанный на языках высокого уровня, например Solidity, в байткод — стандартизированный низкоуровневый формат инструкций, который сеть Ethereum может выполнять напрямую. Благодаря этому узлы Ethereum могут точно фиксировать и подтверждать транзакции, связанные с этими контрактами, поддерживая безопасность и согласованность сети.

Высокая совместимость EVM и смарт-контрактов позволяет разработчикам создавать и развертывать контракты на различных блокчейн-платформах, поддерживающих DApp и выпуск токенов. EVM работает как универсальный мост, позволяя смарт-контрактам свободно перемещаться между EVM-совместимыми цепочками, что ускоряет разработку и повышает повторное использование кода.

EVM использует стековую архитектуру с тремя основными типами памяти: storage (для постоянных данных), memory (для временных данных во время исполнения) и stack (для вычислений). Благодаря этим типам памяти EVM эффективно обращается к данным контрактов, хранит их и обеспечивает быстрые обновления состояния сети.

Что такое совместимость с EVM?

EVM-совместимый блокчейн — это платформа смарт-контрактов, полностью интегрированная с экосистемой Ethereum. Пользователи взаимодействуют с DApp так же, как в Ethereum, а DApp могут напрямую общаться с сетью Ethereum, что обеспечивает кроссчейн-взаимодействие. Такая совместимость существенно снижает издержки на обучение и миграцию для разработчиков.

По сравнению с основной сетью Ethereum, EVM-совместимые блокчейны обычно обеспечивают более быструю обработку транзакций и низкие комиссии. Транзакции в этих сетях подтверждаются за секунды и стоят в разы дешевле, чем в Ethereum. Эти платформы предоставляют функциональность смарт-контрактов, полностью эквивалентную Ethereum, за редким техническим отличием.

Стремительный рост децентрализованных финансов (DeFi) объясняется, в том числе, широкой пользовательской базой и преимуществами низкой стоимости и высокой скорости на EVM-совместимых блокчейнах. Эти преимущества делают EVM-совместимые цепочки востребованной альтернативой для разработки DApp, торговли токенами и участия в DeFi, стимулируя инновации и рост конкуренции в отрасли.

Преимущества EVM

Высокий уровень безопасности и изоляция

EVM обеспечивает надежно изолированную среду, в которой разработчики могут выполнять код без угрозы для сети или конфиденциальных данных на узле. Такая изоляция гарантирует безопасное исполнение сложных смарт-контрактов и DApp, защищая их от сбоев отдельных узлов и атак.

Глобальное хранение распределенных данных аккаунтов дает разработчикам возможность создавать собственные смарт-контракты и надежные DApp, безопасно работающие с общими данными без риска подделки или утраты. Эта защищенность позволяет экосистеме Ethereum управлять активами на сотни миллиардов долларов.

Предсказуемые результаты и масштабируемость

Стабильность EVM в обработке транзакций и исполнении смарт-контрактов способствует долгосрочному росту экосистемы Ethereum. Благодаря стандартной кодовой базе и множеству инструментов разработчики используют открытые ресурсы и зрелые фреймворки для ускорения разработки.

Распространение EVM-совместимых блокчейнов второго уровня — таких как zkSync Era, Polygon, Arbitrum и Optimism — постоянно расширяет возможности и производительность EVM. Эти преимущества делают EVM основной платформой для разработки Web3 и привлекают ведущих специалистов по блокчейну по всему миру.

Разнообразие возможностей для разработки

Ethereum Virtual Machine (EVM) — это гибкая и мощная платформа для исполнения смарт-контрактов любого типа. Разработчики могут легко реализовывать и настраивать сложную логику контрактов под бизнес- и технические задачи.

Будь то децентрализованная торговля на DApp, работа DeFi-протоколов, блокчейн-гейминг или выпуск и торговля NFT — EVM предоставляет устойчивую инфраструктуру для любых целей разработки. Эта универсальность позволяет экосистеме Ethereum поддерживать сценарии от простых токен-трансферов до сложных DeFi-протоколов и других решений.

Активное сообщество разработчиков

EVM объединяет большое, динамичное и глобальное сообщество разработчиков. Эта экосистема крайне важна для развития EVM, повышения производительности и упрощения доступа к разработке.

Благодаря постоянному обмену знаниями, open-source-инструментам, техническим материалам и лучшим практикам новые разработчики быстро получают поддержку и решения для сложных задач в EVM. Такое сотрудничество ускоряет технологический прогресс и запуск новых приложений и протоколов, формируя положительный цикл роста Ethereum.

Недостатки EVM

Высокие комиссии за транзакции и газ

Основной недостаток EVM — высокие комиссии за транзакции и газ, особенно при исполнении сложных смарт-контрактов в основной сети Ethereum. Оплата комиссии происходит в ETH и зависит от сложности контракта, вычислений и нагрузки сети. В часы пик даже простые переводы токенов обходятся в десятки долларов, а сложные DeFi-операции — в сотни долларов комиссии.

Разработчикам и блокчейн-стартапам приходится учитывать эти издержки при ценообразовании и планировании бюджета. Высокие комиссии затрудняют запуск небольших проектов или массовых приложений, уменьшая конкурентоспособность и ухудшая пользовательский опыт. Поэтому решения второго уровня и EVM-совместимые блокчейны приобрели популярность.

Зависимость от языка Solidity

EVM тесно связан с языком Solidity для программирования смарт-контрактов, что требует специальных компетенций от разработчиков. Для работы с EVM необходимо глубокое знание Solidity и умение писать безопасные, эффективные и оптимизированные контракты.

Плохое качество кода, неэффективные структуры данных или недостаток опыта с Solidity приводят к увеличению затрат на транзакции и газ, ухудшая производительность и перспективы проекта. Solidity остается относительно новым языком, его обучающие материалы и инструменты еще развиваются, что увеличивает сложность для разработчиков.

Неизменяемость смарт-контрактов

Развернутые на EVM смарт-контракты не подлежат изменению после размещения в блокчейне. Это обеспечивает доверие и устойчивость к подделкам, но обнаружение уязвимостей, ошибок или необходимость обновлений становится сложной задачей для неопытных команд.

Для устранения таких проблем разработчики вынуждены развертывать новые версии контрактов и переводить пользователей, что увеличивает затраты на разработку и внедрение, а также может привести к сбоям в работе проекта или потере пользователей. Поэтому тщательное тестирование и аудит кода крайне важны до запуска смарт-контракта.

Риски безопасности при обновлении смарт-контрактов

При обновлении смарт-контрактов EVM часто используют паттерн прокси — создают промежуточные контракты, которые ссылаются на исходный адрес для разделения логики и данных. Такой подход облегчает обновления, но вносит дополнительные риски безопасности и усложняет архитектуру.

Прокси-контракты требуют тщательного проектирования и комплексного аудита для обеспечения целостности системы. Ошибки в процессе обновления, логике прокси или управлении правами приводят к критическим уязвимостям и рискам эксплуатации, что может поставить под угрозу заблокированные средства и репутацию проекта. Уже были случаи кражи средств из-за неправильных обновлений контрактов.

Будущее EVM

Несмотря на технические трудности, разработчики и блокчейн-предприниматели используют различные стратегии для преодоления ограничений EVM. Среди них — оптимизация расхода газа, обучение Solidity, освоение альтернатив вроде Vyper, комплексное тестирование и аудит безопасности, а также внедрение лучших практик обновлений контрактов. Системно решая эти задачи и используя преимущества EVM, разработчики создают надежные и успешные блокчейн-приложения на Ethereum.

Стремительное развитие EVM-совместимых блокчейнов открывает новые возможности для кроссчейн-взаимодействия. Разработчики получают доступ к широкой пользовательской базе Ethereum и могут обеспечивать безопасные, удобные переводы активов и данных между цепочками, способствуя интеграции Web3-экосистемы.

В перспективе долгосрочная техническая дорожная карта Ethereum предусматривает переход от EVM к Ethereum WebAssembly (eWASM). eWASM разрабатывается как модульная и независимая от платформы среда, способная радикально преобразовать инфраструктуру Ethereum. Если проект eWASM будет успешным, другие блокчейны могут также внедрить этот рантайм для развертывания и исполнения смарт-контрактов, что обеспечит значительный рост производительности и функциональности.

Однако окончательно неясно, заменит ли eWASM EVM в роли самого надежного и массового механизма исполнения смарт-контрактов. Все будет зависеть от технического прогресса, позиций сообщества и практического тестирования. В любом случае EVM уже стал вехой в истории блокчейна и заложил прочную основу для индустрии.

FAQ

Что такое EVM? Каковы его основные функции?

EVM, или Ethereum Virtual Machine, — среда исполнения для смарт-контрактов. Она работает в изолированной песочнице, исполняет байткод и использует механизм Gas для учета затрат. Основные функции: компиляция и исполнение кода смарт-контрактов, управление памятью и хранилищем, обеспечение согласованных результатов на всех узлах и предоставление детерминированной децентрализованной среды вычислений.

Как EVM исполняет смарт-контракты? Как обрабатывается байткод?

EVM компилирует код смарт-контрактов высокого уровня в байткод и поэтапно исполняет каждый опкод. Он использует стековую модель обработки данных, управляет памятью, хранилищем и счетчиком программы, обеспечивая безопасное и эффективное исполнение контрактов в изолированной среде.

В чем отличие EVM от других виртуальных машин (например, JVM и WASM)?

EVM создан специально для Ethereum и исполняет байткод смарт-контрактов. JVM предназначен для экосистемы Java и общего программирования, WASM — кроссплатформенный стандарт для эффективного исполнения. EVM отличается полностью децентрализованной архитектурой и механизмом Gas.

Зачем Ethereum нужен EVM? Какую проблему он решает?

Ethereum необходим EVM для создания единой среды исполнения смарт-контрактов, чтобы код работал одинаково на всех узлах, а все транзакции давали идентичные результаты. Это обеспечивает надежную работу децентрализованных приложений.

Что такое механизм Gas в EVM? Зачем нужен Gas?

Gas — система учета вычислительных затрат в EVM, оплачиваемая в Ether. Каждая операция требует определенного объема Gas для предотвращения злоупотребления ресурсами. Если Gas заканчивается во время исполнения, выполнение автоматически останавливается, обеспечивая эффективность и устойчивость сети.

Какие языки программирования поддерживает EVM? Как компилируется Solidity в байткод EVM?

EVM поддерживает в основном языки Solidity и Serpent. Код на Solidity компилируется в байткод EVM с помощью специального компилятора, который анализирует логику и создает набор инструкций для исполнения в сети.

Есть ли у EVM риски безопасности или ограничения?

EVM ограничен по производительности (например, пропускная способность транзакций), связан с рисками безопасности Solidity и сложностью отладки байткода. Для решения этих проблем внедряются различные технические решения.

Как Layer 2-решения (например, Arbitrum и Optimism) обеспечивают совместимость с EVM?

Layer 2-решения используют Optimistic Rollups, чтобы сохранять совместимость с EVM и полностью поддерживать среду исполнения Ethereum. Это дает возможность напрямую разворачивать смарт-контракты, существенно снижать затраты, увеличивать пропускную способность и обеспечивать бесшовное взаимодействие с основной сетью.

Каковы основные узкие места производительности EVM? Как их планируется устранить?

Главное узкое место EVM — последовательная обработка. В будущем планируется внедрение параллельного исполнения (через новые опкоды), сегментацию (sharding), оптимизацию дисковых операций и mempool, а также использование ZK-доказательств. Эти решения позволят увеличить производительность L2 с 1 000 TPS до значительно более высоких показателей.

Как запустить и протестировать EVM локально?

Используйте Ganache или Hardhat для создания локальной среды Ethereum. Оба инструмента запускают EVM в памяти, что позволяет быстро разворачивать и тестировать смарт-контракты без подключения к основной сети.