Что представляет собой Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Введение

Виталик Бутерин создал Ethereum, чтобы расширить возможности блокчейн-технологии за пределы Bitcoin. Вдохновившись одноранговой системой транзакций Bitcoin, Бутерин считал, что блокчейн должен использоваться не только для финансовых операций. Это видение привело к созданию сети Ethereum, которая унаследовала все преимущества Bitcoin — обработку P2P-транзакций и их хранение в неизменяемой и децентрализованной форме — и внедрила ключевые новшества, прежде всего возможность выполнения смарт-контрактов.

Логичный вопрос: как блокчейн-сеть реализует выполнение смарт-контрактов? Ethereum отвечает на этот вызов с помощью Ethereum Virtual Machine (EVM) — вычислительного ядра сети. EVM — это инфраструктура, позволяющая разработчикам развертывать и выполнять смарт-контракты, превращая Ethereum из простой криптовалюты в глобальную децентрализованную вычислительную платформу. В этой статье мы разберем, что собой представляет EVM, как она работает, ее преимущества, практические применения и ограничения. Перед основным рассмотрением кратко объясним, что такое смарт-контракты, чтобы понять роль EVM.

Основные моменты

• Виталик Бутерин создал Ethereum для внедрения смарт-контрактов — самовыполняющихся контрактов, работающих на Ethereum Virtual Machine (EVM).

• EVM — это программная инфраструктура для выполнения и развертывания смарт-контрактов в сети Ethereum, вычислительная основа всей экосистемы.

• EVM обрабатывает транзакции на двух уровнях: глобального состояния (балансы аккаунтов и смарт-контракты) и состояния машины (пошаговое выполнение транзакций).

• Смарт-контракты пишутся на языке Solidity и компилируются в байткод, который выполняет EVM. Комиссии за газ обеспечивают безопасность сети и защищают от злоупотреблений.

• EVM лежит в основе многих блокчейн-решений: токены ERC-20, децентрализованные биржи (DEX), NFT, DeFi-кредитование и децентрализованные автономные организации (DAO).

Что такое смарт-контракты?

Смарт-контракты — это автономные программы или приложения на блокчейне, работающие без участия человека. Они содержат код и данные, которые разработчики размещают для выполнения определенных инструкций. После развертывания смарт-контракты действуют по запрограммированной логике, пользователи не могут ими управлять — все процессы определяет исходный код.

Первое успешное внедрение смарт-контрактов состоялось в сети Ethereum, что стало важным этапом в эволюции блокчейна. Благодаря этому миллионы смарт-контрактов были созданы и развернуты на Ethereum. EVM обеспечила вычислительную среду для их надежной и безопасной работы. Самовыполняющиеся контракты открыли путь множеству децентрализованных сервисов и приложений, изменив представление о цифровых соглашениях и автоматизированных транзакциях.

Что такое Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Ethereum Virtual Machine — вычислительное ядро протокола Ethereum. Это виртуальная машина, программная среда, управляющая всей сетью Ethereum. Она способна выполнять программы, хранить данные, подключаться к сетям и решать вычислительные задачи, необходимые для функционирования блокчейн-экосистемы.

EVM отвечает за исполнение кода и развертывание смарт-контрактов в блокчейне Ethereum. Она работает как децентрализованный компьютер на тысячах узлов по всему миру, обеспечивая выполнение смарт-контрактов без сбоев, цензуры и вмешательства третьих сторон. EVM предоставляет среду выполнения для смарт-контрактов, позволяя создавать сложные децентрализованные приложения (dApps) с расширенными возможностями работы с блокчейном Ethereum.

Как работает EVM

Ethereum реализует расширенную функциональность, выходящую за рамки одноранговых транзакций, поэтому требует сложной вычислительной системы. Разработчики видят сеть как «машину с неограниченным состоянием», а не просто распределенный реестр, что отражает принцип работы EVM. EVM управляет операциями в двух состояниях: глобальном и состоянии машины, каждое из которых выполняет отдельные задачи.

Глобальное состояние

Глобальное состояние — это уровень, где Ethereum хранит балансы аккаунтов и смарт-контракты. Подобно реестру Bitcoin, это состояние децентрализовано, неизменно и доступно любому желающему онлайн. EVM обновляет глобальное состояние после каждой транзакции, обеспечивая актуальность данных о всех аккаунтах и контрактах.

Любой может воспользоваться блок-эксплорером, чтобы просмотреть Ethereum и получить одинаковые, актуальные данные о состоянии сети. Глобальное состояние отражает все аккаунты, их балансы и текущее состояние смарт-контрактов. Эта прозрачность лежит в основе доверия Ethereum, позволяя пользователям независимо проверять состояние сети.

Состояние машины

В состоянии машины EVM пошагово обрабатывает транзакции. Это среда, где исполняется код, часто называемая «песочницей» для разработчиков. В Ethereum есть два основных типа транзакций, которые EVM обрабатывает по-разному.

Первый тип — передача сообщений (message call), когда один аккаунт переводит токены ETH другому. EVM перемещает токены ETH между адресами и обновляет глобальное состояние после завершения транзакции. Отправитель платит комиссию за газ за вычислительные ресурсы.

Второй тип — создание контракта, когда разработчик запускает смарт-контракт. Отправитель платит комиссию за газ и отправляет байткод контракта. EVM обрабатывает байткод, исполняет логику и обновляет глобальное состояние. Такая двухуровневая система позволяет Ethereum обрабатывать сложные операции смарт-контрактов последовательно и согласованно.

Язык программирования Solidity

Главный язык создания смарт-контрактов Ethereum — Solidity. Это высокоуровневый язык, похожий на JavaScript, предназначенный для удобства чтения человеком, но не интерпретируемый машиной напрямую. Разработчики пишут смарт-контракты на Solidity, а EVM работает только с машинными инструкциями.

Чтобы решить эту задачу, после написания контракта на Solidity его компилируют в байткод с помощью компилятора Ethereum Virtual Machine — например, solc. Компиляция переводит код Solidity в байткод, понятный EVM. Компилятор обеспечивает точную передачу логики смарт-контракта для корректного и эффективного исполнения на EVM.

Выполнение смарт-контракта

При исполнении кода смарт-контракта EVM расходует газ согласно вычислительной сложности операций. Каждая операция имеет свою цену газа, отражающую объем необходимых ресурсов. Если запас газа закончится до завершения транзакции, EVM останавливает выполнение.

Если выполнение прервано из-за нехватки газа, транзакция отменяется, изменения не записываются в глобальное состояние. Этот механизм защищает сеть от бесконечных циклов и перегрузки ресурсов. Баланс ETH отправителя уменьшается — он платит за потраченные вычисления. Если газа хватает, EVM обновляет глобальное состояние, фиксируя результаты транзакции в блокчейне.

Механизм газа служит для вознаграждения валидаторов, предотвращения спама и стимулирует эффективное проектирование смарт-контрактов. Оплата вычислительных ресурсов формирует экономическую мотивацию для разработки оптимального кода и ответственного использования сети.

Комиссии за газ в Ethereum

Комиссии за газ — экономическая основа обработки транзакций в Ethereum. При использовании Proof of Work (PoW) транзакции требовали аппаратных ресурсов и электроэнергии, а майнеры получали стимул для вычислений через комиссии за газ. Комиссии обеспечивали безопасность и обработку транзакций.

Для простых переводов ETH комиссия зависит от загруженности пула транзакций. Чем больше пользователей совершают операции одновременно, тем выше цена газа; при низкой активности комиссии падают.

В смарт-контрактах комиссия за газ играет роль в обеспечении безопасности и управлении ресурсами. При исполнении байткод разбивается на опкоды — базовые инструкции для EVM. Каждый опкод имеет свою цену газа: чем сложнее операция, тем выше стоимость. Такая детализация защищает Ethereum от атак.

Например, при DDoS-атаке EVM продолжает выполнение вредоносного контракта, но комиссия за газ взимается за каждое действие, и когда газ отправителя исчерпан, транзакция отклоняется до нанесения вреда сети. Экономический механизм делает атаки слишком дорогими, а легальным пользователям позволяет эффективно работать со смарт-контрактами.

Преимущества EVM

EVM защищает сеть от атак с помощью комиссии за газ и изолированной среды исполнения, обеспечивая надежную платформу для смарт-контрактов и автоматизированных сервисов. Это дает уверенность пользователям, что их транзакции будут выполнены корректно.

Ethereum стала крупнейшей криптоэкосистемой и стандартом для децентрализованных приложений и смарт-контрактов. Надежная архитектура EVM вдохновила другие блокчейны на создание сайдчейнов и совместимых сред, позволяющих разработчикам переносить приложения без изменения кода. Это расширило экосистему EVM-совместимых блокчейнов и возможности Ethereum-приложений.

Благодаря децентрализации EVM любой может создать смарт-контракт без разрешения центрального органа. Это демократизировало доступ к блокчейн-технологиям и позволило разработчикам со всего мира вносить вклад в экосистему. EVM дает возможности для создания децентрализованных сервисов и приложений, которые стали популярны во многих сферах — финансы, игры, социальные сети и другие индустрии.

Детерминированное исполнение в EVM гарантирует одинаковый результат смарт-контрактов при одинаковых входных данных, независимо от времени и узла исполнения. Эта предсказуемость необходима для надежных децентрализованных приложений и делает EVM фундаментом инновационных проектов на блокчейне.

Применение EVM

Благодаря возможностям EVM в блокчейн-индустрии появились инновационные решения для работы с цифровыми активами и сервисами. Ниже приведены пять самых популярных сценариев использования EVM:

Токены ERC-20

Смарт-контракты создают токены ERC-20 с помощью заданных структур данных для управления названием, распределением и учетом токенов. Стандартизированные контракты обеспечивают единое поведение токенов, что делает их совместимыми с кошельками, биржами и приложениями. Во время ICO-бума 2017 года многие новые токены были выпущены по стандарту ERC-20, продемонстрировав эффективность стандартизации.

Сегодня токены ERC-20 активно используются в стейблкоинах, таких как USDT (Tether), USDC (USD Coin) и DAI. Эти активы обеспечивают стабильность курса, привязываясь к традиционным валютам или другим активам, и служат надежным средством обмена и хранения стоимости. Простота и широкая поддержка ERC-20 сделали его основным стандартом для взаимозаменяемых токенов Ethereum.

Децентрализованные биржи (DEX)

Децентрализованные биржи позволяют пользователям покупать, продавать или обменивать криптовалюты через смарт-контракты, без посредников. Платформы Uniswap, SushiSwap и другие используют автоматические маркетмейкеры (AMM), предоставляя доступ к пулам ликвидности токенов без участия третьих лиц.

DEX работают на смарт-контрактах, которые управляют пулами ликвидности, совершают сделки и распределяют комиссии между поставщиками ликвидности. Пользователи сохраняют контроль над своими активами, снижая риски контрагента. Прозрачность смарт-контрактов обеспечивает неизменность торговых правил, что повышает доверие к платформе.

NFT (невзаимозаменяемые токены)

Невзаимозаменяемые токены — уникальные цифровые объекты на блокчейне, подтверждающие право собственности, которые нельзя заменить или скопировать. Пользователи создают коллекции NFT с помощью смарт-контрактов, где каждый токен — отдельный цифровой актив: искусство, музыка, виртуальная недвижимость, коллекционные предметы.

К самым известным коллекциям относятся Bored Ape Yacht Club (BAYC) и CryptoPunks. Владельцы могут продавать или обменивать NFT на таких площадках, как OpenSea или Rarible, а смарт-контракты автоматически оформляют передачу собственности, выплату роялти и другие операции. Возможности EVM обеспечили стремительный рост NFT-рынка.

DeFi-кредитование

Платформы DeFi позволяют пользователям брать и предоставлять займы в криптовалюте без посредников. Смарт-контракты регулируют кредитные протоколы, автоматизируя процессы — от управления залогом до распределения процентов.

Заемщики получают кредиты сразу при достаточном залоге, кредиторы — проценты, формируя круглосуточные рынки капитала без географических ограничений. Платформы Aave, Compound и MakerDAO показали возможности кредитования на основе смарт-контрактов, управляя миллиардами долларов и предоставляя услуги пользователям, не имеющим доступа к традиционным банкам.

Децентрализованные автономные организации (DAO)

DAO — это сообщество без централизованного управления, где участники совместно решают вопросы управления проектом. Члены сообщества формулируют правила, которые реализуются через смарт-контракты.

Смарт-контракты DAO отвечают за голосование, управление казной, обработку предложений и управление членством. DAO — это новый формат организации, позволяющий глобальное сотрудничество без иерархии. Примеры — инвестиционные, управленческие и социальные DAO, все используют возможности EVM для автоматизации управления.

Ограничения EVM

У EVM есть два важных ограничения. Во-первых, для создания и работы со смарт-контрактами необходимо знать язык Solidity и обладать программными навыками — это создает барьер для новых пользователей.

Во-вторых, комиссии за газ при создании смарт-контрактов или запуске приложений могут быть высокими при сильной загрузке сети, что делает некоторые решения экономически невыгодными. Поэтому появились layer-2 решения и альтернативные EVM-совместимые блокчейны с низкими комиссиями, сохраняя совместимость с экосистемой Ethereum.

EVM-совместимые криптовалюты

EVM-совместимые блокчейны решают проблему высоких комиссий, предлагая альтернативные среды исполнения с поддержкой смарт-контрактов Ethereum. Разработчики используют элементы архитектуры Ethereum для создания DApps, обеспечивающих быстрый обмен активами между любыми EVM-сетями. Это создало мультицепочную экосистему, позволяющую развертывать приложения на разных сетях без переписывания кода.

Популярные блокчейны с EVM-совместимостью:

• BNB Smart Chain: низкие комиссии, быстрые блоки, совместимость с Ethereum
• Avalanche: высокая пропускная способность, быстрые транзакции, поддержка EVM
• Fantom: архитектура DAG для масштабируемости
• Cardano: совместимость с EVM через сайдчейны
• Polygon: layer-2 решение для масштабирования Ethereum
• Tron: альтернатива с поддержкой EVM для децентрализованных приложений

Эти сети позволяют развертывать смарт-контракты Ethereum с минимальными изменениями, расширяя аудиторию приложений и предоставляя альтернативы при высоких комиссиях в Ethereum.

Будущее EVM

Виталик Бутерин развил идеи Bitcoin, создавая децентрализованный суперкомпьютер для всех. Ethereum Virtual Machine стала ключевым инструментом реализации этой идеи, превратив блокчейн из реестра транзакций в глобальную вычислительную платформу. С момента создания EVM получила множество обновлений и продолжает развиваться с ростом экосистемы.

Обновление Dencun внедрило EIP-4844, добавив протодэнкшардинг. Это снизило комиссии за газ, позволив сети эффективнее обрабатывать данные layer-2 транзакций. В основе — новый тип данных blob-объекты, которые удаляются из блокчейна, снижая требования к долгосрочному хранению. EIP-4788 улучшил совместимость и дал EVM прямой доступ к Beacon Chain для ликвидного стейкинга и межсетевых взаимодействий. Обновление завершено в начале 2024 года и стало важной вехой в развитии Ethereum.

В стратегии Ethereum упор делается на масштабирование с помощью rollup-решений, а zkEVM — виртуальные машины на основе нулевого знания — играют центральную роль. zkEVM позволяют эффективно обрабатывать транзакции вне блокчейна, поддерживая совместимость и безопасность. Используются доказательства с нулевым разглашением, что позволяет тысячи операций обрабатывать вне цепи и подтверждать их с минимальными затратами.

В будущем ожидается рост эффективности исполнения, расширение функций безопасности, интеграция с layer-2 решениями, а также внедрение новых моделей хранения и криптографии, что сделает EVM еще мощнее и доступнее.

Заключение

Ethereum Virtual Machine — это ядро инфраструктуры Ethereum, вычислительная основа экосистемы. Она необходима для выполнения смарт-контрактов, а сложное программное обеспечение обеспечивает надежную работу децентрализованных приложений.

EVM защищает сеть благодаря комиссии за газ и изолированной среде исполнения, предотвращая атаки, обеспечивая безопасность и децентрализацию платформы для разработчиков. Благодаря стабильной и детерминированной среде EVM в Ethereum создано тысячи децентрализованных приложений для финансов, игр, социальных сетей, управления цепями поставок и других областей.

Ethereum развивается — обновления, такие как Dencun, и новые layer-2 решения сохраняют роль EVM как ядра экосистемы, позволяя ей отвечать на запросы пользователей и разработчиков. Влияние EVM выходит за пределы Ethereum — множество совместимых блокчейнов расширяют возможности приложений, формируя мультицепочную экосистему. Дальнейшее развитие и массовое внедрение EVM гарантируют ее ключевую роль в блокчейн-технологиях, стимулируя инновации и новые формы децентрализованного взаимодействия.

FAQ

Что такое Ethereum Virtual Machine (EVM)? Какова ее основная функция?

EVM — это ядро Ethereum, отвечающее за выполнение смарт-контрактов в изолированной среде. Главная задача — обработка и проверка кода контрактов во всей сети, обеспечение безопасности и децентрализации, а также поддержка программируемых блокчейн-приложений.

Как EVM выполняет код смарт-контрактов?

EVM исполняет код смарт-контрактов, интерпретируя байткод в опкоды, используя стековую модель для пошаговой обработки инструкций, изолируя изменения состояния и памяти в песочнице.

Чем EVM отличается от других виртуальных машин, таких как Solana VM и Cosmos VM?

EVM разработана для Ethereum и поддерживает выполнение смарт-контрактов по модели аккаунтов. Solana VM использует параллельную обработку для высокой пропускной способности, Cosmos VM — для межсетевой совместимости. Все они различаются архитектурой, консенсусом и языками программирования.

Почему EVM называют «мировым компьютером»?

EVM называют «мировым компьютером», потому что она работает как децентрализованная сеть, распределенная по компьютерам во всем мире, и исполняет смарт-контракты. Такая архитектура обеспечивает глобальные, открытые вычисления для любого пользователя.

Что такое комиссия за газ? Как она связана с работой EVM?

Комиссия за газ — это плата за выполнение транзакций и смарт-контрактов в Ethereum. Она непосредственно связана с работой EVM — каждая вычислительная операция расходует газ, обеспечивая безопасность сети и защиту от спама.

Как разработчики развертывают и запускают смарт-контракты на EVM?

Разработчики пишут смарт-контракты на языке Solidity, используют инструменты — такие как Truffle или Hardhat — для компиляции и развертывания на EVM-совместимых блокчейнах. После развертывания контракты автоматически работают в сети по заданной логике и действиям пользователей.