Що являє собою Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Вступ

Віталік Бутерін створив Ethereum, прагнучи розширити можливості блокчейну за межі Bitcoin. Він надихався peer-to-peer транзакційною системою Bitcoin, але вважав, що блокчейн має виконувати ширшу функцію, ніж просто фінансові перекази. Ця концепція призвела до появи мережі Ethereum, яка зберегла всі властивості Bitcoin — обробку P2P-транзакцій і їхнє зберігання у незмінному, децентралізованому середовищі, й водночас додала принципово нову функціональність, зокрема виконання смартконтрактів.

Виникає логічне питання: як саме блокчейн виконує смартконтракти? Ethereum забезпечує це через Ethereum Virtual Machine (EVM) — обчислювальний центр мережі. EVM — критична інфраструктура для розгортання та виконання смартконтрактів, яка перетворила Ethereum на глобальну децентралізовану обчислювальну платформу. У цій статті розглядаються принципи роботи EVM, її переваги, застосування та обмеження. Для розуміння ролі EVM спочатку коротко пояснюється концепція смартконтрактів.

Основні положення

• Віталік Бутерін створив Ethereum, щоб реалізувати смартконтракти — самовиконувані цифрові контракти, що працюють на Ethereum Virtual Machine (EVM).

• EVM — складна програмна інфраструктура, яка забезпечує виконання та розгортання смартконтрактів у мережі Ethereum і є обчислювальною основою екосистеми.

• EVM обробляє транзакції у двох станах: на рівні загального стану (баланси рахунків і смартконтракти) та машинного стану (виконання кроків транзакції).

• Смартконтракти пишуться мовою Solidity і компілюються у байткод, який виконує EVM. Комісія gas гарантує безпеку мережі та захист від зловживань ресурсами.

• EVM вплинув на багато блокчейн-інновацій — токени ERC-20, децентралізовані біржі (DEX), невзаємозамінні токени (NFT), DeFi-кредитування, децентралізовані автономні організації (DAO).

Що таке смартконтракти?

Смартконтракти — це автономні програми або додатки, які працюють у блокчейні без участі людини. Вони містять код і дані, що виконують визначені інструкції. Після розгортання смартконтракт працює відповідно до закладеної логіки, і користувачі не можуть його змінювати — він діє згідно зі своїм кодом.

Концепцію смартконтрактів уперше реалізували у мережі Ethereum, що стало важливою подією для блокчейн-індустрії. Це дозволило створити і запустити мільйони смартконтрактів у Ethereum. EVM забезпечила необхідне обчислювальне середовище для їхньої стабільної та безпечної роботи. Самовиконувані контракти дали змогу створювати численні децентралізовані додатки, змінивши підхід до цифрових угод і автоматизованих транзакцій.

Що таке Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Ethereum Virtual Machine — ядро протоколу Ethereum, його обчислювальний двигун. Це віртуальна машина, програмне середовище, яке забезпечує функціонування всієї мережі Ethereum. Програмне забезпечення EVM виконує програми, зберігає дані, з’єднується з мережами і виконує різноманітні обчислювальні завдання, необхідні для роботи блокчейну.

EVM відповідає за виконання коду і розгортання смартконтрактів у блокчейні Ethereum. Вона працює як децентралізований комп’ютер, що розгорнутий на тисячах вузлів у світі, забезпечуючи виконання смартконтрактів відповідно до коду, без ризику простою, цензури, шахрайства чи втручання сторонніх. EVM — середовище виконання для смартконтрактів, яке дає змогу створювати складні децентралізовані додатки (dApps) для взаємодії з блокчейном Ethereum.

Як це працює

Ethereum виконує більше, ніж обробку peer-to-peer транзакцій, тому йому потрібна складна обчислювальна система для розширених функцій. Розробники Ethereum визначають мережу як "unbounded state machine" (необмежена машина стану), що відображає принцип роботи EVM. EVM управляє операціями Ethereum у двох станах: загальному і машинному, кожен має окрему роль.

Загальний стан

Загальний стан — це глобальний рівень, де Ethereum зберігає баланси рахунків і смартконтракти. Як реєстр Bitcoin, цей стан децентралізований, незмінний і публічний. EVM оновлює загальний стан після кожної транзакції, забезпечуючи актуальність інформації про всі рахунки та контракти.

Кожен може скористатися блокчейн-оглядачем, щоб переглянути дані про поточний стан мережі. Загальний стан — це знімок усіх рахунків, їх балансів і стану всіх смартконтрактів на певний момент. Прозорість гарантує довіру до Ethereum — кожен може самостійно перевірити стан мережі.

Машинний стан

У машинному стані EVM виконує поетапну обробку транзакцій. Це ізольоване середовище ("sandbox") для розробників, де відбувається виконання коду. Мережа Ethereum обробляє два типи транзакцій, які EVM опрацьовує по-різному.

Перший тип — message call: один рахунок переказує токени ETH іншому. EVM переміщує токени ETH з однієї адреси на іншу, оновлюючи загальний стан після завершення. Відправник сплачує комісію gas за використані ресурси.

Другий тип — створення контракту: розробник виконує смартконтракт у Ethereum. Відправник сплачує gas і надсилає байткод контракту. EVM обробляє байткод, виконує логіку контракту та оновлює загальний стан. Двоступенева система забезпечує узгодженість при обробці складних операцій смартконтрактів.

Мова програмування Solidity

Найпопулярніша мова програмування для смартконтрактів Ethereum — Solidity. Як JavaScript, Solidity — мова високого рівня, призначена для розуміння людиною, але машини не можуть її інтерпретувати напряму. Розробники пишуть смартконтракти зрозумілим кодом, але EVM працює лише з машинними інструкціями.

Після написання смартконтракту на Solidity його потрібно перекласти у байткод за допомогою компілятора Ethereum Virtual Machine, наприклад solc. Компілятор перетворює високорівневий код у низькорівневий байткод для виконання в EVM. Він гарантує коректний переклад логіки контракту у формат для ефективної обробки, зберігаючи функціонал початкового коду.

Виконання смартконтракту

Під час виконання коду смартконтракту запас gas зменшується відповідно до обчислювальних витрат. Кожна операція має свою вартість gas, яка відображає витрачені ресурси. Якщо gas закінчується до завершення транзакції, EVM негайно зупиняє виконання.

Якщо виконання зупинено через нестачу gas, транзакцію скасовують, а зміни не записуються до загального стану. Такий механізм захищає мережу від нескінченних циклів і надмірних витрат ресурсів. Це не шкодить цілісності мережі, але баланс ETH відправника зменшується — він сплачує за ресурси, використані до зупинки. Якщо транзакція завершена вдало, EVM оновлює загальний стан і записує результати у блокчейн.

Комісія gas виконує кілька функцій: винагороджує валідаторів за ресурси, запобігає спаму та атакам, стимулює розробників писати ефективний код. Оплата за ресурси формує економічну мотивацію для ефективної розробки і використання мережі.

Комісії gas у Ethereum

Комісії gas — економічний рушій транзакцій у Ethereum. За Proof of Work (PoW) виконання транзакцій вимагало апаратних ресурсів і електроенергії, а майнери потребували фінансових стимулів. Комісії gas забезпечували мотивацію для захисту мережі та обробки транзакцій.

Для переказів токенів ETH комісії gas змінюються залежно від завантаженості пулу транзакцій. Коли багато користувачів намагаються здійснити операції, ціна gas зростає. У періоди низької активності комісії зменшуються.

Під час виконання смартконтракту комісії gas важливі для безпеки та управління ресурсами. Байткод контракту розбивається на компоненти — opcodes. Це основні інструкції, які EVM використовує для обчислень. Складніші opcodes мають вищу ціну gas. Така система захищає блокчейн Ethereum від зловживань.

Наприклад, під час DDoS-атаки EVM продовжує виконувати шкідливий контракт, але кожна операція сплачується gas. Коли запас gas вичерпується, транзакцію відхиляють до того, як вона може нашкодити мережі. Економічний захист робить атаки надто дорогими, а легітимні користувачі можуть ефективно працювати зі смартконтрактами.

Переваги EVM

EVM захищає мережу від атак через комісії gas і ізольоване середовище виконання. Це гарантує платформу для стабільного виконання смартконтрактів і автоматизованих сервісів, забезпечуючи виконання транзакцій без втручання сторонніх.

Ethereum став найбільшою криптовалютною екосистемою у блокчейн-індустрії. Його вважають стандартом для створення децентралізованих додатків і смартконтрактів. Надійна архітектура EVM надихнула інші блокчейн-мережі створювати сайдчейни та сумісні середовища, щоб розробники могли переносити додатки без зміни коду. Це створило потужну екосистему EVM-сумісних блокчейнів і розширило можливості застосування Ethereum-додатків.

Завдяки децентралізованій структурі EVM будь-хто може створити смартконтракт у Ethereum без дозволу центральної влади. Така модель відкрила доступ до блокчейн-технологій для розробників усього світу. EVM дає змогу запускати децентралізовані сервіси і додатки, що стали популярними у фінансах, геймінгу, соціальних мережах та інших галузях.

Детерміноване виконання EVM гарантує однаковий результат смартконтракту за однакових вхідних умов. Це критично для створення надійних децентралізованих додатків і зробило EVM основою багатьох інноваційних проєктів у блокчейні.

Застосування EVM

Завдяки здатності EVM виконувати смартконтракти у блокчейні з’явилися інноваційні рішення для роботи з цифровими активами та сервісами. Ось п’ять найпопулярніших і найважливіших застосувань EVM:

Токени ERC-20

Смартконтракти створюють токени ERC-20 за допомогою структур даних для іменування, розподілу і відстеження токенів. Стандартизовані контракти забезпечують однакову поведінку токенів у екосистемі Ethereum, сумісність з гаманцями, біржами і додатками. Під час ICO-буму 2017 року з’явилося багато токенів на стандарті ERC-20, що показало ефективність стандартизованих смартконтрактів.

Останніми роками ERC-20 токени активно використовуються для стейблкоїнів — USDT (Tether), USDC (USD Coin), DAI. Такі цифрові активи підтримують стабільність ціни через прив’язку до валют або активів, забезпечуючи надійний засіб обміну і зберігання вартості у криптоекосистемі. Простота стандарту і його популярність зробили ERC-20 основним для взаємозамінних токенів у Ethereum.

Децентралізовані біржі (DEX)

Децентралізовані біржі дають змогу купувати, продавати або обмінювати криптовалюти через смартконтракти без посередників. Платформи Uniswap, SushiSwap та інші використовують Automated Market Maker (AMM) для доступу до пулів ліквідності без участі третіх сторін.

DEX працюють на смартконтрактах, які керують пулами ліквідності, виконують угоди і розподіляють комісії. Користувачі контролюють свої активи протягом торгівлі, що знижує ризик контрагента порівняно з централізованими біржами. Прозорі смартконтракти гарантують сталість торгових правил, забезпечуючи довіру до платформи.

Невзаємозамінні токени (NFT)

Невзаємозамінні токени — це унікальні цифрові об’єкти у блокчейні, які підтверджують право власності і не можуть бути замінені. Смартконтракти використовуються для створення NFT-колекцій, де кожен токен — окремий цифровий актив (арт, музика, віртуальна нерухомість, колекційний предмет).

Найвідоміші NFT-колекції — Bored Ape Yacht Club (BAYC), CryptoPunks — мають культурне і фінансове значення. Власники можуть продавати або обмінювати NFT на маркетплейсах OpenSea, Rarible тощо, а смартконтракти автоматично виконують передачу власності, роялті та інші операції. EVM забезпечує виконання складних контрактів, що сприяло швидкому зростанню ринку NFT.

DeFi-кредитування

Платформи децентралізованих фінансів (DeFi) дають змогу позичати і надавати криптовалюту без банків і посередників. Смартконтракти керують кредитними протоколами, автоматизуючи від управління заставою до розподілу відсотків.

Позичальники отримують кредити миттєво із заставою, кредитори — щоденні відсотки, формуючи ефективні ринки капіталу без географічних обмежень. Aave, Compound, MakerDAO керують мільярдами доларів активів, надаючи фінансові послуги користувачам без доступу до традиційних банків.

Децентралізовані автономні організації (DAO)

Децентралізована автономна організація — це спільнота без центральної влади, де учасники разом ухвалюють рішення щодо проєкту. Основні учасники встановлюють правила DAO, які реалізують і виконують смартконтракти.

Смартконтракти керують голосуванням, казначейством, пропозиціями, членством. DAO — новий підхід до організації, що дає змогу глобального співробітництва і автоматизованого управління без ієрархії. Приклади — інвестиційні DAO, протокольні DAO, соціальні DAO, які використовують EVM для прозорого автоматизованого управління.

Обмеження EVM

EVM має два суттєвих обмеження. Перше — для створення і роботи зі смартконтрактами потрібні знання Solidity і навички програмування. Це ускладнює доступ новим користувачам і обмежує екосистему спеціалістами.

Друге — високі комісії gas при створенні контрактів або запуску додатків у періоди навантаження. Це робить деякі додатки економічно невигідними. Вирішенням стали layer-2 рішення і альтернативні EVM-сумісні блокчейни з нижчими комісіями та сумісністю з екосистемою Ethereum.

EVM-сумісні криптовалюти

EVM-сумісні блокчейни вирішують проблему високих комісій, пропонуючи альтернативні середовища для смартконтрактів Ethereum. Розробники використовують компоненти архітектури Ethereum і створюють децентралізовані додатки (DApps) для швидких переказів активів між EVM-сумісними мережами. Це створило мультичейн-екосистему для запуску додатків на різних мережах без переписування коду.

Популярні блокчейни з підтримкою EVM:

• BNB Smart Chain: нижчі комісії, швидші блоки, сумісність з Ethereum
• Avalanche: висока пропускна здатність, швидке підтвердження, підтримка EVM
• Fantom: архітектура DAG для масштабованості
• Cardano: EVM-сумісність через сайдчейни
• Polygon: layer-2 рішення для масштабування Ethereum
• Tron: альтернатива з підтримкою EVM для DApps

Такі мережі дозволяють запускати смартконтракти Ethereum з мінімальними змінами, розширюючи аудиторію додатків і даючи користувачам альтернативи при високих комісіях Ethereum.

Майбутнє EVM

Віталік Бутерін розвинув ідеї Bitcoin і створив децентралізований суперкомп’ютер, доступний кожному. Ethereum Virtual Machine стала ключовим елементом цього, перетворивши блокчейн на глобальну обчислювальну платформу. EVM постійно оновлюється і вдосконалюється, відповідаючи потребам екосистеми.

Оновлення Dencun реалізувало EIP-4844 — proto-danksharding для зниження комісій gas і ефективної обробки layer-2 транзакцій. Основою є новий тип даних — blob-об’єкти, які видаляються з блокчейну, скорочуючи потребу у зберіганні. EIP-4788 — ще один компонент Dencun, який покращує сумісність і дає EVM доступ до стану Beacon Chain, що важливо для ліквідного стейкінгу і кросчейн-взаємодії. Оновлення Dencun завершено на початку 2024 року.

Дорожня карта Ethereum передбачає масштабування через rollups, а zero-knowledge EVM (zkEVM) відіграють ключову роль. zkEVM забезпечують ефективну обробку транзакцій поза мережею з сумісністю Ethereum, підвищуючи масштабованість без втрат безпеки. Вони використовують zero-knowledge докази для перевірки транзакцій, дозволяючи обробляти тисячі операцій поза мережею і підтверджувати їх на блокчейні з мінімальними витратами.

У майбутньому очікується підвищення ефективності виконання, безпеки та інтеграції з layer-2 рішеннями. Дослідження нових моделей зберігання, безстейтових клієнтів і сучасної криптографії зроблять EVM ще потужнішою та доступнішою.

Висновок

Ethereum Virtual Machine — фундаментальна складова інфраструктури Ethereum, обчислювальний двигун екосистеми. Вона незамінна для виконання смартконтрактів, а її програмне забезпечення забезпечує стабільну роботу децентралізованих додатків.

EVM захищає мережу через механізм комісій gas і ізольоване середовище, запобігаючи атакам і підтримуючи безпеку, стійкість і децентралізацію для розробників усього світу. Детерміноване виконання дозволило створити тисячі децентралізованих додатків у фінансах, геймінгу, соціальних мережах, логістиці і багатьох інших сферах.

Ethereum розвивається через оновлення, такі як Dencun, і layer-2 рішення, а EVM залишається основою екосистеми, адаптуючись до потреб користувачів і розробників. Її вплив поширюється за межі Ethereum — EVM-сумісні блокчейни розширюють можливості додатків і створюють мультичейн-екосистему. Подальший розвиток і популярність EVM гарантують, що вона й надалі буде основою блокчейн-технологій, сприяючи інноваціям і новим формам децентралізованої економіки.

FAQ

Що таке Ethereum Virtual Machine (EVM)? Яка її основна функція?

EVM — основний компонент Ethereum, який виконує смартконтракти в ізольованому середовищі. Головна функція — обробка і верифікація коду контрактів у мережі, забезпечення безпеки, децентралізації і програмованих блокчейн-додатків.

Як EVM виконує код смартконтракту?

EVM виконує код смартконтракту, інтерпретуючи скомпільований байткод у opcodes, поетапно обробляючи інструкції у стековому середовищі, ізолюючи зміни стану і пам’яті у sandbox.

Чим EVM відрізняється від інших віртуальних машин блокчейну, таких як Solana VM і Cosmos VM?

EVM розроблена для Ethereum, підтримує виконання смартконтрактів з моделью облікових записів. Solana VM використовує паралельну обробку для високої пропускної здатності, Cosmos VM — для взаємодії між блокчейнами. Кожна має власну архітектуру, консенсус і мови програмування.

Чому EVM називають "світовим комп’ютером"?

EVM — це децентралізована мережа на комп’ютерах у світі, яка виконує смартконтракти. Така структура забезпечує безкордонні обчислення для будь-кого.

Що таке комісія gas і як вона стосується роботи EVM?

Комісія gas — це вартість виконання транзакцій і смартконтрактів у Ethereum. Вона безпосередньо пов’язана з EVM, адже кожен обчислювальний крок споживає gas, забезпечуючи безпеку мережі і захист від спаму.

Як розробники розгортають і виконують смартконтракти у EVM?

Розробники пишуть смартконтракти на Solidity і використовують інструменти, такі як Truffle чи Hardhat, для компіляції і розгортання у EVM-сумісних блокчейнах. Після розгортання контракти виконуються автоматично за визначеною логікою і взаємодією користувачів.