Що таке EVM?

Вступ

Ethereum Virtual Machine (EVM) — це центральна обчислювальна модель для розгортання і виконання смартконтрактів, а також визначення нових станів блоків у блокчейні Ethereum. EVM є «мозком» екосистеми Ethereum і основою всієї блокчейн-індустрії. Сумісність EVM має ключове значення для успіху провідних блокчейнів — Avalanche, головних платформ смартконтрактів, Polygon, Solana, Harmony та Fantom. EVM значно знижує технічні бар’єри і спрощує навчання для розробників, які створюють та розгортають смартконтракти.

Однак EVM стикається із суттєвими технічними проблемами. При навантаженні мережі високі комісії за газ різко підвищують вартість використання DApp, обмежуючи масове впровадження Ethereum. Щоб вирішити ці питання, Layer 2-рішення для масштабування — такі як Optimistic Rollups і zk-Rollups — були розроблені для підвищення масштабованості та пропускної здатності Ethereum.

На ефективність блокчейн-мережі впливає багато чинників, але саме сумісність із EVM є визначальною. Вона забезпечує залучення користувачів і формує активну спільноту розробників. У цій статті ми детально розглянемо EVM, проаналізуємо її значення та пояснимо, чому вона є ключовим елементом розвитку і розширення блокчейн-екосистем.

Що таке віртуальна машина (VM)?

Віртуальна машина (VM) — це технічна абстракція фізичної комп’ютерної системи. Вона дозволяє програмним системам імітувати апаратні функції, забезпечуючи запуск різних програм і розгортання застосунків. Завдяки VM програмне забезпечення може повністю повторювати функціональні можливості апаратної платформи — запускати програми чи встановлювати застосунки — без залежності від конкретних фізичних пристроїв.

Віртуальна машина складається з віртуальної «гостьової» машини та фізичної «хостової» машини. Гостьова машина — це програмне середовище, таке як EVM або VM на macOS, а хост — фізичний ноутбук чи вузол блокчейна. У традиційному програмному забезпеченні VM дозволяє одночасно запускати кілька операційних систем на одному фізичному хості. Кожна ОС діє незалежно, як окрема машина, без взаємного впливу.

Завдяки цій функції VM забезпечує можливість роботи спеціалізованого програмного забезпечення, що потребує ОС, відмінної від основної системи користувача, підвищуючи гнучкість і сумісність. VM також дозволяє створювати ізольовані sandbox-середовища для безпечного тестування програм, налагодження коду чи підтримки особливих обчислювальних задач без впливу на стабільність хост-системи.

EVM: пояснення

Мережа Ethereum — провідна платформа для розробників DApp завдяки продуманій архітектурі EVM і її потужним можливостям. Віталік Бутерін запропонував EVM у 2013 році, а Ґевін Вуд розробив технічний дизайн і реалізацію під час роботи в Ethereum. EVM — це рушій у центрі екосистеми блокчейна Ethereum.

EVM програмується на C++ і використовує проект LLVM для оптимізації компілятора. Вона працює як безперервна спеціалізована машина стану, керуючи переходами станів для кожного блоку Ethereum. Фактично, EVM виконує роль і «мозку», і «серця» Ethereum: управляє змінами стану блокчейна і дозволяє смартконтрактам безпечно виконуватися у мережі. EVM — основа клієнтського програмного забезпечення, такого як Geth чи Nethermind, що необхідно для участі в мережі Ethereum.

EVM не лише керує правилами для вузлів, а й визначає конкретну логіку переходу стану від блоку до блоку. Така система лежить в основі можливостей смартконтрактів Ethereum і необхідна для підтримки складних DApp.

Щоб зрозуміти роль EVM, потрібно розглянути її основні функції для стабільної роботи мережі Ethereum. EVM обробляє вхідні дані та формує детерміновані результати, завжди отримуючи однаковий результат для однакових даних, як математична функція. Це стекова комп’ютерна програма, що використовує структуру даних стек для ефективної роботи з тимчасовими значеннями.

Стек EVM уміщує до 1 024 елементів, кожен — 256-бітове слово, що забезпечує достатню обчислювальну потужність. EVM також підтримує тимчасову пам’ять у вигляді масиву байтів, який змінюється між транзакціями і зберігає дані для виконання. Скомпільований код смартконтракту використовує 140 стандартних опкодів та інші специфічні для блокчейна стекові операції для обчислень.

Під час обробки транзакцій машинний стан EVM змінюється динамічно, а світовий стан підтримує інформацію про рахунки у мережі Ethereum. Усі дії суворо регулюються кодом EVM. З моменту запуску Ethereum у 2015 році EVM пройшла значні етапи розвитку і оновлень, з’явилися версії з підвищеною продуктивністю та функціональністю.

Як працює EVM

Вузли Ethereum є основою мережі, оскільки записують і передають дані транзакцій і смартконтрактів. EVM обробляє і перевіряє ці дані, оновлюючи реєстр і забезпечуючи узгодженість вузлів.

Одна з ключових ролей EVM — міст і перекладач між вузлами та смартконтрактами. Вона компілює код смартконтракту, зазвичай написаний мовами високого рівня (Solidity), у байткод, стандартизований набір низькорівневих інструкцій, який Ethereum виконує безпосередньо. Це дозволяє вузлам точно записувати і перевіряти транзакції з контрактами, зберігаючи безпеку і узгодженість мережі.

Висока сумісність EVM і смартконтрактів дає розробникам змогу створювати та розгортати контракти на багатьох блокчейн-платформах, зокрема для DApp і випуску токенів. EVM виступає універсальним мостом, дозволяючи смартконтрактам мігрувати між EVM-сумісними мережами, що прискорює розробку і повторне використання коду.

EVM використовує стекову архітектуру з трьома типами пам’яті: storage (для постійних даних), memory (для тимчасових даних виконання) і stack (для обчислень). Ці типи пам’яті дозволяють EVM ефективно отримувати і зберігати дані контрактів та підтримувати швидке оновлення стану мережі.

Що таке сумісність із EVM?

EVM-сумісний блокчейн — це платформа для смартконтрактів, що працює у тісній взаємодії з екосистемою Ethereum. Користувачі можуть взаємодіяти з DApp, як у Ethereum, а DApp — напряму спілкуватися з Ethereum, забезпечуючи міжмережеву інтеграцію. Така сумісність суттєво знижує витрати на навчання і міграцію для розробників.

Порівняно з Ethereum Mainnet, EVM-сумісні блокчейни зазвичай забезпечують швидше підтвердження транзакцій і нижчі комісії. Транзакції часто здійснюються за секунди і коштують значно дешевше, ніж у Ethereum. Такі платформи забезпечують функціонал смартконтрактів, еквівалентний Ethereum, з незначними технічними відмінностями.

Швидке зростання децентралізованих фінансів (DeFi) частково зумовлене великою користувацькою базою і перевагами низьких витрат та високої швидкості EVM-сумісних блокчейнів. Це зробило такі мережі привабливими для розробки DApp, торгівлі токенами і DeFi, сприяючи інноваціям і конкуренції у блокчейн-індустрії.

Переваги EVM

Підвищена безпека та ізоляція

EVM забезпечує захищене ізольоване середовище для виконання коду, не наражаючи всю мережу чи чутливі дані вузлів на ризик. Така ізоляція гарантує високий рівень безпеки для складних смартконтрактів і DApp, захищаючи їх від відмови вузлів чи атак.

Зберігаючи розподілені дані рахунків глобально, розробники створюють власні смартконтракти і надійні DApp, що безпечно отримують доступ до спільних даних без ризику зміни чи втрати. Така основа безпеки дозволяє екосистемі Ethereum підтримувати сотні мільярдів доларів активів.

Надійність результатів і масштабованість

Стабільність EVM у процесах транзакцій і виконанні смартконтрактів підтримує довгострокове зростання екосистеми Ethereum. Стандартизована кодова база і велика кількість інструментів дозволяють розробникам використовувати open-source ресурси і зрілі фреймворки для пришвидшення розробки.

Розвиток EVM-сумісних Layer 2 блокчейнів — zkSync Era, Polygon, Arbitrum, Optimism — розширює можливості і продуктивність EVM. Це робить EVM платформою вибору для Web3-розробки і залучає провідних блокчейн-фахівців.

Великі можливості для розробників

Ethereum Virtual Machine (EVM) — це високофункціональна і гнучка платформа для виконання будь-яких смартконтрактів. Розробники легко впроваджують і налаштовують складну логіку контрактів для бізнесових і технічних потреб.

EVM дає міцну основу для різних цілей — децентралізована торгівля на DApp, DeFi-протоколи, блокчейн-ігри, створення і торгівля NFT. Така універсальність дозволяє екосистемі Ethereum підтримувати сценарії від простих переказів токенів до складних DeFi-рішень і понад це.

Потужна спільнота розробників

EVM об’єднує велику, активну і глобальну спільноту розробників. Така мережа важлива для розвитку функцій EVM, оптимізації продуктивності і спрощення доступу до розробки.

Завдяки постійному обміну знаннями, open-source інструментам, технічним ресурсам і найкращим практикам нові розробники швидко знаходять підтримку для складних питань роботи з EVM. Така колаборація сприяє інноваціям і прискорює запуск нових застосунків і протоколів, стимулюючи зростання Ethereum.

Недоліки EVM

Високі комісії за транзакції та газ

Головний недолік EVM — високі комісії за транзакції і газ, особливо для складних смартконтрактів у мережі Ethereum Mainnet. Комісії сплачуються в ETH і залежать від складності контракту, обсягу обчислень і навантаження мережі. У пікові періоди навіть прості перекази токенів можуть коштувати десятки доларів, а складні DeFi-транзакції — понад сто доларів.

Розробники і блокчейн-стартапи мають враховувати ці витрати при ціноутворенні і плануванні бюджету. Високі комісії можуть стримувати невеликі проєкти чи застосунки для масових користувачів, знижуючи конкурентоспроможність і якість користувацького досвіду. Це одна з причин зростання популярності Layer 2-рішень і EVM-сумісних мереж.

Залежність від мови Solidity

EVM сильно залежить від мови програмування Solidity для смартконтрактів, що вимагає від розробників спеціалізованих знань. Робота з EVM потребує глибокого розуміння Solidity і навичок написання безпечних, ефективних та оптимізованих контрактів.

Недосконалі практики, неефективні структури даних або нестача досвіду з Solidity можуть збільшити витрати на транзакції і газ, шкодячи продуктивності і комерційній життєздатності. Solidity є відносно новою мовою, тому навчальні ресурси і інструменти ще розвиваються — це підвищує складність навчання для розробників.

Незмінність смартконтрактів

Смартконтракти, розгорнуті у EVM, незмінні і не можуть бути змінені після розміщення у блокчейні. Це гарантує довіру і захист від втручання, але виявлення вразливостей, помилок чи необхідність оновлення може бути складним для недосвідчених команд.

Для вирішення таких проблем розробникам доводиться створювати нові версії контракту і переносити користувачів, що збільшує витрати і ризикує порушити роботу проєкту чи втратити користувачів. Тому перед запуском смартконтрактів потрібне ретельне тестування і аудит коду.

Ризики безпеки при оновленні смартконтрактів

Під час оновлення смартконтрактів EVM розробники часто застосовують proxy-патерн — створюють проміжні контракти, які посилаються на початкову адресу і відокремлюють логіку від даних. Це дає змогу оновлювати контракти, але підвищує ризики безпеки і складність.

Proxy-контракти потребують ретельного проектування і комплексного аудиту безпеки. Недоліки у процесах оновлення, логіці proxy або управлінні правами можуть призвести до критичних вразливостей і ризиків експлуатації, що може загрожувати заблокованим коштам і репутації проєкту. У минулому вже були випадки викрадення коштів через некоректне оновлення контрактів.

Майбутнє EVM

Попри технічні виклики, розробники і блокчейн-підприємці мають багато стратегій, щоб подолати обмеження EVM. Це оптимізація споживання комісій за газ, інвестування у навчання Solidity, дослідження альтернатив (Vyper), комплексне тестування і аудит безпеки, а також найкращі практики оновлення контрактів. Системне вирішення цих питань і використання переваг EVM дозволяє створювати надійні та успішні блокчейн-додатки на Ethereum.

Швидке зростання EVM-сумісних блокчейнів відкриває нові можливості для міжмережевої інтеграції. Розробники можуть безперешкодно працювати з великою користувацькою базою Ethereum і забезпечувати більш безпечний обмін активами та даними між блокчейнами, сприяючи інтеграції Web3-екосистеми.

Довгострокова технічна стратегія Ethereum передбачає перехід від EVM до Ethereum WebAssembly (eWASM). eWASM має бути модульною і незалежною від платформи, що може змінити інфраструктуру Ethereum. Якщо eWASM буде успішною, вона може надихнути інші блокчейни на впровадження цього середовища виконання для смартконтрактів, забезпечуючи значний приріст продуктивності і функціональності.

Однак неясно, чи замінить eWASM EVM як найнадійніше і найпоширеніше середовище виконання смартконтрактів. Це залежить від технічного прогресу, дискусій у спільноті і реальних тестувань. У будь-якому разі EVM вже є важливою віхою блокчейн-індустрії і заклала її фундамент.

FAQ

Що таке EVM? Які основні функції?

EVM, або Ethereum Virtual Machine, — це середовище виконання для смартконтрактів. Вона працює в ізольованому sandbox, виконує байткод і використовує механізм Gas для обліку вартості. Основні функції — компіляція і виконання коду смартконтракту, управління сховищем і пам’яттю, забезпечення стабільних результатів на всіх вузлах і створення децентралізованого обчислювального середовища.

Як EVM виконує смартконтракти? Як обробляється байткод?

EVM компілює код смартконтракту високого рівня у байткод і поетапно виконує кожен opcode. Вона застосовує стекову модель для обробки даних, керує пам’яттю, сховищем і лічильником програм, забезпечуючи безпечне і ефективне виконання контрактів в sandbox.

Чим EVM відрізняється від інших віртуальних машин (JVM, WASM)?

EVM створена для Ethereum і виконує байткод смартконтрактів. JVM — для екосистеми Java і загального програмування, WASM — кросплатформний стандарт для ефективного виконання. EVM відрізняється децентралізованою архітектурою і механізмом Gas.

Навіщо Ethereum потрібна EVM? Яку проблему вона вирішує?

Ethereum використовує EVM для створення єдиного середовища виконання смартконтрактів, що гарантує ідентичну роботу коду на всіх вузлах і однакові результати транзакцій. Це забезпечує надійність децентралізованих застосунків.

Що таке механізм Gas у EVM? Навіщо потрібен Gas?

Gas — це система обліку обчислювальної вартості EVM, що сплачується в Ether. Кожна операція має вартість Gas, щоб запобігти надмірному використанню ресурсів. Якщо під час виконання Gas закінчується, процес автоматично припиняється, зберігаючи ефективність і стабільність мережі.

Які мови підтримує EVM? Як компілюється Solidity у байткод EVM?

EVM підтримує переважно Solidity і Serpent. Код Solidity компілюється у байткод EVM спеціальним компілятором, який аналізує логіку і створює набір інструкцій для виконання у блокчейні.

Чи є у EVM ризики безпеки або обмеження?

EVM має обмеження продуктивності (пропускна здатність транзакцій), ризики безпеки у Solidity і труднощі налагодження байткоду. Для вирішення цих питань розробляються технічні рішення.

Як Layer 2-рішення (Arbitrum, Optimism) забезпечують сумісність із EVM?

Layer 2-рішення використовують Optimistic Rollups для підтримки сумісності з EVM і повного середовища виконання Ethereum. Це дозволяє розгортати смартконтракти напряму, знижує комісії, підвищує пропускну здатність і забезпечує інтеграцію з основною мережею.

Які вузькі місця продуктивності у EVM? Як їх буде вирішено?

Головне вузьке місце EVM — послідовна обробка. Майбутні покращення — паралельне виконання (нові opcode), шардинг, оптимізація дискового вводу/виводу і mempool, ZK-докази. Ці інновації можуть підвищити продуктивність L2 з 1 000 TPS до значно більших рівнів.

Як локально запустити і тестувати EVM?

Використовуйте Ganache або Hardhat для локальної симуляції Ethereum. Обидва інструменти запускають EVM у пам’яті, дозволяючи швидко розгортати і тестувати смартконтракти без підключення до основної мережі.