Ethereum 仮想マシンとは何ですか? どのように機能しますか?

Ethereum は、主に Ethereum Virtual Machine (EVM) のおかげで、最も人気のあるスマート コントラクト プラットフォームになりました。 

ブロックチェーン技術では、スマートコントラクトの維持から分散型アプリの実行まであらゆることを処理するため、EVM は不可欠です。 

しかし、スケーリングの問題やガスの非効率性など、克服すべき障害は数多くあります。 

この記事は、EVM のアーキテクチャ、利用可能なツール、今後の更新計画を分析し、動的なブロックチェーン環境における EVM の利点と欠点を理解するのに役立ちます。

主要なポイント（要点）

• Ethereum 仮想マシン (EVM) は、Ethereum ブロックチェーン上でスマート コントラクトと分散型アプリケーション (dApps) を実行するために不可欠です。
• EVM は、Binance Smart Chain や Polygon などの複数のブロックチェーンで広く採用されており、チェーン間の互換性を実現しています。
• Optimistic Rollups や zk-Rollups などのレイヤー 2 ソリューションは、EVM を使用して Ethereum のスケーラビリティを向上させ、ガス料金を削減します。
• EVM には、ガス効率の悪さや並列処理の欠如などの制限があり、パフォーマンスを低下させる可能性があります。
• 開発者は、Remix、Truffle、Hardhat などのさまざまなツールにアクセスして、EVM 上でスマート コントラクトを構築、テスト、デバッグできます。
• Ganache のような EVM エミュレーターやシミュレーターを使用すると、開発者はスマート コントラクトをメイン ネットワークに展開する前にローカルでテストできるため、エラーとコストを削減できます。

イーサリアム仮想マシン (EVM) とは何ですか?

出典：Medium

Ethereum 仮想マシン (EVM) は、Ethereum を動かすコア計算エンジンであり、スマート コントラクトの実行とブロックチェーン上での分散型アプリケーション (dApps) の実行を担います。 

これは、誰でも信頼せずにコードを展開および実行できるグローバルな分散型コンピュータとして機能します。 

EVM は、Solidity などの高水準プログラミング言語で記述された命令を処理し、それを実行可能な低水準バイトコードに変換します。 

このバイトコードは Ethereum ブロックチェーンに保存され、ネットワーク内のすべてのノードで実行されるため、システム全体で均一な契約実行が保証されます。

EVM の主な機能の 1 つは、スマート コントラクト (事前に定義されたルールと条件を持つ自動実行契約) を処理できることです。 

これらの契約は EVM 上の分離された環境で実行されるため、システムの他の部分に影響を与えず、セキュリティと信頼性が確保されます。 

また、EVM はスタックベースのアーキテクチャであり、スタックとの間でデータをプッシュおよびポップすることでコマンドを処理します。 

この計算プロセスはガス システムによって制御されており、ユーザーは操作の実行に対して料金を支払う必要があるため、不正使用を防ぎ、リソースを効率的に使用できるようになります。

イーサリアム仮想マシンのアーキテクチャ

Ethereum 仮想マシン (EVM) はスタックベースのアーキテクチャとして動作し、スタックと呼ばれるデータ構造を使用して命令を実行します。 

このモデルでは、EVM はスタックに値をプッシュしたりスタックから値をポップしたりすることでコマンドを処理します。各項目のサイズは 256 ビットです。 

EVMには従来のコンピュータのような汎用レジスタがないため、スタックは計算処理に不可欠です。代わりに、スタックはスマートコントラクト実行中のデータ操作のための一時メモリとして機能します。 

たとえば、加算などの数学演算を実行する場合、EVM は 2 つの数値をスタックにプッシュし、それらを加算して、結果をスタックに戻して保存します。

このスタックベースの設計により、EVM はスマート コントラクトの指示を実行する際に効率的かつ予測可能になります。 

一時データの管理を簡素化し、レジスタベースのシステムに比べて複雑さを軽減します。 

ただし、EVM のスタックには、1024 項目の固定深度などの制限があり、この制限を超えると、過度に複雑な操作によってスタック オーバーフロー エラーが発生する可能性があります。

EVMのコンポーネント

出典：ResearchGate

Ethereum 仮想マシン (EVM) は、スマート コントラクトを実行し、分散型アプリケーションを管理するために連携して動作する複数の主要コンポーネントで構成されています。

コード実行

Ethereum仮想マシン（EVM）では、スマートコントラクトはSolidityなどの高水準言語で記述されます。これらのコントラクトは、EVMが理解できる低水準コードであるバイトコードにコンパイルされます。 

このバイトコードはブロックチェーンに保存され、コントラクトが呼び出されるたびに、EVM はこのバイトコードをステップごとに実行します。

契約が実行されると、EVM は各命令を 1 つずつ実行し、計算、データの保存、他の契約との通信などのロジックを処理します。 

たとえば、あるユーザーから別のユーザーにトークンを転送するコントラクトが記述されている場合、EVM はバイトコードを処理して、コントラクトのストレージ内の残高を更新します。 

これにより、転送が契約のルールに従い、Ethereum ネットワーク内のすべてのノードが同じ結果に到達することが保証されます。

メモリとストレージモデル

EVMは、メモリとストレージという2種類の異なるデータストレージを使用します。

メモリは一時的なものであり、スマートコントラクトの実行中のみ存在します。計算結果や一時的に必要な変数など、中間データを保存するために使用されます。

例えば、コントラクトで2つの数字を加算する場合、結果は処理を進める前にメモリに保存されることがあります。トランザクション終了後にメモリは消去されるため、ストレージよりも効率的でコストも抑えられます。

ストレージは永続的なものであり、トランザクションが完了した後もデータを保持します。ストレージは、トークン残高やコントラクトの状態など、長期にわたって保持する必要のある重要な情報を保存するために使用されます。

例えば、トークンコントラクトでは、各ユーザーの残高がここに保存されます。ストレージ内のデータを変更すると、ガス（計算コスト）の点でコストが高くなるため、開発者はコストを最適化するためにストレージを控えめに使用しようとします。

スタック

EVMはスタックベースのマシンであり、スタックと呼ばれるデータ構造を使用して演算を管理します。

スタックはリストのようなもので、データは先頭からのみ追加または削除でき、「後入れ先出し」（LIFO）の原則に従います。スタックに格納される各項目は256ビットのサイズで、EVMのワードサイズと一致します。

たとえば、EVM が 2 つの数値を加算する必要がある場合、これらの数値をスタックにプッシュします。 

次に、それらをポップし、処理し、結果をスタックにプッシュすることで加算を実行します。スタックは最大1024個のアイテムを保持でき、この制限を超えるとトランザクションは失敗します。 

スタックがシンプルなため、EVM は計算を効率的に処理できますが、スタックがいっぱいになると、過度に複雑な操作によってエラーが発生する可能性もあります。

ガスと手数料

GasはEVMの基本的な構成要素であり、ネットワークの効率性と安全性を確保します。EVM上で実行されるすべての操作には一定量のGasが必要であり、ユーザーはこれをEther（イーサリアムのネイティブ暗号通貨）で支払う必要があります。GasはEVMの計算リソースの使用料として機能し、不正使用やスパム行為を防止します。

たとえば、2 つの数字を加算するなどの単純な操作では 3 ガス ユニットのコストがかかりますが、データをストレージに書き込むなどのより複雑なタスクでは、はるかにコストがかかります。 

トランザクションが完了する前にガスがなくなると、トランザクションは失敗し、行われた変更はすべて元に戻りますが、消費されたガスは返金されません。 

このガス システムは、開発者が効率的なコードを書くことを奨励し、非効率的な操作や悪意のある操作によってネットワークが過負荷になるのを防ぎます。

EVM オペコード

オペコード（オペレーションコード）は、EVMが理解して実行する基本的な命令です。各オペコードは、数値の加算、データの保存、コードの別の部分へのジャンプなど、EVMに実行すべきアクションを指示する単純なコマンドです。 

EVM には 140 を超えるオペコードがあり、それぞれに特定のガス コストが関連付けられています。

具体的な例を挙げますと、以下の通りです。

• 追加: スタックから2つの数値を取り出し、それらを加算し、結果をスタックに戻します。これには3ガスユニットかかります。
• Sストア: データをコントラクトのストレージに保存します。これは最もコストのかかる操作の一つで、20,000ガスユニットかかります。

EVM はスマート コントラクトを処理し、これらのオペコードを段階的に実行することで、すべての命令が Ethereum ネットワーク全体で正確に実行されることを保証します。

通話データ

呼び出しデータとは、スマートコントラクトを呼び出す際にトランザクションと共に送信される入力データを指します。実行される関数とその関数に必要なパラメータに関する情報が含まれます。 

例えば、スマートコントラクトを使用してトークンを転送する場合、呼び出しデータには関数名（例：transfer）とパラメータ（受取人のアドレスと転送する金額）が含まれます。

EVM はこの呼び出しデータを読み取って、どの関数を実行するか、トランザクションをどのように処理するかを理解します。 

通話データはトランザクションの一部ですが、読み取るのにガス料金はかかりませんが、トランザクションに含まれる場合はサイズに基づいてガス料金がかかります。

EVMのワードサイズ

EVMは256ビット（32バイト）の固定ワードサイズで動作します。つまり、数値、アドレス、命令など、処理するすべてのデータは256ビットの長さになります。

ほとんどの暗号化操作 (ハッシュなど) では大量の数値を処理する必要があるため、この設計上の選択は、Ethereum の暗号化セキュリティの重視と一致しています。

たとえば、EVM が 32 バイトのアドレスを処理したり、トランザクションの結果を計算したりする場合は、256 ビットのワード サイズを使用します。 

この一貫したワード サイズにより、EVM は暗号化タスクに必要な複雑な数学演算をより安全かつ効率的に処理できるようになります。 

ただし、これはさらに小さい値も 256 ビットに拡張されることを意味し、データ処理の効率が低下する場合があります。

EVM実行モデル

出典：基本ドキュメント

EVM 実行モデルは、Ethereum の分散型アプリケーションとスマート コントラクトがブロックチェーン上で実行される方法に関するルールとプロセスを定義します。

イーサリアムアカウントモデル

イーサリアム仮想マシン（EVM）は、外部所有アカウント（EOA）とコントラクトアカウントの2種類のアカウントで動作します。

• 外部所有アカウント (EOA) 秘密鍵によって管理され、ネットワーク上のユーザーを表します。これらのアカウントは、Etherの送受信やトランザクションの開始が可能です。
• 契約アカウント一方、スマートコントラクトコードが含まれており、EOAまたは他のコントラクトによってトリガーされた場合にのみアクションを実行できます。秘密鍵は保持しませんが、他のアカウントからの呼び出しに応答します。

たとえば、ウォレットからスマート コントラクトに Ether を送信すると、EOA はコントラクト アカウントと対話し、トークンの転送やデータの保存などの特定の機能を実行するコードをトリガーします。

メッセージ呼び出しとトランザクション

EVMでは、アカウント間のやり取りはメッセージ呼び出しとトランザクションを通じて行われます。

• A トランザクション EOAから送信される署名付きデータパッケージです。Etherの転送やスマートコントラクト内の関数の呼び出しが可能です。トランザクションはEthereumネットワークにブロードキャストされ、マイナーまたはバリデータによって処理されます。
• A メッセージ通話 コントラクトが別のコントラクトまたはEOAとやり取りする際に発生します。トランザクションとは異なり、メッセージ呼び出しは内部的に行われるため、秘密鍵で署名する必要はありません。

たとえば、ユーザーが分散型交換コントラクトにトランザクションを送信すると、コントラクトはトークン コントラクトにメッセージ呼び出しを行って、ユーザーに代わってトークンを転送することができます。

ガス力学の実践

EVMは、ガスを使用して操作の実行コストを管理し、ネットワークの不正利用を防止します。ガスとは、トランザクションまたはコントラクトの実行に必要な計算量を測定する単位です。

EVMにおける各操作（単純な計算からデータの保存まで）には、固定のガスコストがかかります。トランザクションを実行する前に、ユーザーはガス制限を指定する必要があります。ガス制限は、その実行に対して支払うガスの最大量を設定します。 

トランザクションが完了する前にガスがなくなると、トランザクションは失敗し、変更はすべて元に戻りますが、消費されたガスは返金されません。

たとえば、Ether を送信するには 21,000 ガス ユニットのコストがかかりますが、契約にデータを保存するにはさらに大幅にコストがかかり、20,000 ガス ユニットを超える可能性があります。

EVM実行サイクル

EVMは、フェッチ・デコード・実行という構造化されたサイクルでトランザクションを実行します。このプロセスには、いくつかのステップが含まれます。

• Fetch: EVM はコントラクトのバイトコードから次の命令 (オペコード) を取得します。
• デコード: EVM は命令をデコードして、実行する操作を理解するのに役立ちます。
• 実行する: EVM は、数学的計算、データの取得、契約の呼び出しなどの操作を実行します。

このサイクルは、すべての命令が処理されるか、トランザクションのガスがなくなるまで繰り返されます。この実行サイクルにより、Ethereumネットワーク内のすべてのノードが同じ命令を処理し、コンセンサスが維持されます。

EVMにおける契約ライフサイクル

EVM のスマート コントラクトは、デプロイメントから最終的な終了まで、特定のライフサイクルに従います。

• 創造コントラクトは、コントラクトのバイトコードを含むトランザクションを送信することでデプロイされます。デプロイされると、コントラクトはEthereumネットワーク上で一意のアドレスを取得します。
• 相互作用コントラクトはトランザクションまたはメッセージ呼び出しによってトリガーされます。トリガーされると、EVMはコントラクトのコードを実行します。これには、データの読み取りまたは書き込み、他のコントラクトの呼び出し、資金の送金などが含まれます。
• 自己破壊: 契約は、 自己破壊 オペコード。これにより、ブロックチェーンからコントラクトが削除され、残っているEtherが指定されたアドレスに転送されます。

たとえば、クラウドファンディング キャンペーンを管理する契約は、キャンペーンが終了すると自動的に破棄され、再利用できなくなります。

プログラミング言語とEVM

Ethereum 仮想マシン (EVM) は複数のプログラミング言語をサポートしており、開発者はスマート コントラクトをシームレスに作成および展開できます。

SolidityとEVM

出典：Medium

Solidityは、イーサリアム上でスマートコントラクトを作成する際に最も広く使用されているプログラミング言語です。これは、イーサリアム仮想マシン（EVM）向けに特別に設計された、高水準の静的型付け言語です。

Solidity を使用すると、開発者は Ethereum ブロックチェーンにデプロイして他のコントラクトや外部所有アカウント (EOA) とやり取りできるスマート コントラクトを作成できます。 

Solidityで記述されたコードはEVMバイトコードにコンパイルされます。EVMバイトコードは、EVMが理解して実行できる低レベルのマシンコードです。

例えば、トークンを転送するための基本的なSolidityコントラクトでは、ユーザー間でトークンの移動を処理するためにtransfer()のような関数を定義します。

このコントラクトがデプロイされると、その Solidity コードがバイトコードにコンパイルされ、コントラクトが呼び出されるたびに EVM がこのバイトコードを実行します。 

Solidityは多様なデータ型と制御構造をサポートしているため、分散型取引所、融資プロトコル、トークン規格（例：ERC-20 、ERC-721）といった複雑な分散型アプリケーション（dApps）を柔軟に作成できます。

その他のEVM互換言語

Solidityが主流の言語である一方、EVM互換のプログラミング言語は他にも存在し、それぞれ異なる機能を提供したり、特定のユースケースに対応したりするように設計されている。注目すべき例を2つ挙げる。

• ヴァイパーVyperは、Solidityよりもシンプルで安全な代替手段です。Vyperは、機能を絞り込むことでスマートコントラクトの複雑さを軽減し、コードの監査と理解を容易にすることを目的としています。Vyperは、セキュリティが極めて重要なアプリケーション、例えば以下のようなアプリケーションでよく使用されます。 分散型ファイナンス（DeFi） プロトコル。
• ユルYulは、より高度な最適化のために設計された中間言語です。Solidityよりも低レベルであるため、開発者はパフォーマンスを微調整でき、ガスコストの最適化に役立ちます。Yulは、開発者がコントラクトの実行を厳密に制御する必要がある場合によく使用されます。

これらの言語は EVM バイトコードにもコンパイルされるため、Solidity ベースのコントラクトと同様に Ethereum ネットワークにデプロイして実行できます。 

たとえば、厳格なセキュリティを必要とするプロジェクトでは Vyper が選択され、ガス料金を最小限に抑えることを目的としたパフォーマンスが重要な dApp では Yul が使用される可能性があります。

EVM バイトコード

出典：Trustlook

EVMバイトコードは、Ethereum仮想マシン（EVM）が実行する低水準機械語です。スマートコントラクトは、SolidityやVyperなどの高水準言語で記述されると、バイトコードにコンパイルされます。 

このバイトコードは Ethereum ブロックチェーンに保存され、コントラクトが呼び出されるたびに EVM によって実行されます。

EVMバイトコードはオペコードで構成されており、オペコードとは、算術演算、データ格納コマンド、制御フロー命令など、EVMが理解できる個々の命令のことです。

たとえば、ADD オペコードは EVM にスタックに 2 つの数値を追加するように指示し、SSTORE オペコードはコントラクトのストレージに値を格納します。 

各オペコードには特定のガス コストがあり、バイトコードの構造を最適化すると、契約の実行に必要なガスを削減できます。

たとえば、トークンの転送を処理するように設計されたコントラクトには、残高の確認、ストレージの更新、イベントの発行などのバイトコード命令が含まれます。 

EVM は、コントラクトが呼び出されるたびにこれらの命令を読み取って実行し、Ethereum ネットワーク内のすべてのノードで同じ結果が保証されます。

ガスのコスト、料金、効率

出典：Finematics

ガス料金と手数料は、イーサリアム仮想マシン（EVM）上のスマートコントラクトとdAppsの効率性と拡張性を決定する上で重要な役割を果たします。

ガスの計算と効率

イーサリアム仮想マシン（EVM）において、ガスとはトランザクションまたはスマートコントラクトを実行するために必要な計算コストを表します。単純な加算からストレージへのデータ書き込みまで、EVMによって実行されるすべての操作には、それぞれ固有のガスコストが発生します。

例えば、2つの数値を加算するような基本的な演算には3ガス単位のコストがかかりますが、SSTOREオペコードを使用してコントラクトにデータを保存するには、最大20,000ガス単位のコストがかかる場合があります。

ガス料金はイーサリアム（ETH）で支払われ、トランザクションの総ガス料金は、使用されたガス量にガス料金を掛けることで計算されます。

ガス価格はユーザーによって設定され、ガス1単位あたりに支払う意思のあるイーサリアムの価格を表します。ネットワークが混雑している場合、ユーザーはマイナーやバリデーターにトランザクションを優先させるインセンティブを与えるために、より高いガス価格を設定することがあります。 

ガスを効率的に使用することは非常に重要です。最適化されていない契約では手数料が高くなり、ユーザーにとって取引コストが高くなる可能性があるためです。

たとえば、アカウント間で Ether を転送するには 21,000 ガス ユニットかかりますが、複雑なスマート コントラクトとのやり取りには、特にコントラクトに複数のストレージ変更や関数呼び出しが含まれる場合は、さらに大幅にコストがかかる可能性があります。

ガス最適化技術

ガスの最適化はスマートコントラクト開発者にとって重要な考慮事項です。ガス使用量を削減することで、トランザクションコストを大幅に削減できるからです。ガスを最適化するための一般的な手法には、以下のようなものがあります。

• ストレージ書き込みの最小化ブロックチェーンにデータを保存することは最もコストのかかる操作の 1 つであるため、開発者はデータがストレージに書き込まれる回数を最小限に抑えることでガスの使用を最適化できます。 

たとえば、開発者は複数のトランザクション中にユーザーの残高を繰り返し更新する代わりに、更新をバッチ処理してストレージ操作の数を減らすことができます。

• 効率的なデータ構造適切なデータ構造を選択すると、ガスコストを削減できます。例えば、より小さな配列やよりコンパクトなデータ型を使用すると、ストレージ使用量が削減され、 ガス代. 

開発者は、契約のロジックにとってより小さな数値で十分な場合、uint256よりもuint8またはuint16を好むことが多い。

• ループと関数の最適化ループや反復タスクはガス消費量を急速に増加させる可能性があります。開発者は、ループ内の反復回数を制限したり、コードをリファクタリングして不要な計算を削除したりすることで、ガスコストを削減できます。 

たとえば、コントラクトでは、大規模なデータセットを反復処理する複雑なループはコストが高くなる可能性があるため、避ける必要があります。

これらおよびその他の最適化手法を適用することで、開発者はユーザーにとってより効率的でコスト効率の高い契約を作成できます。

ガス制限とガス切れのシナリオ

すべてのイーサリアム取引にはガス制限を含める必要があり、これはユーザーがその取引に費やすことができる最大ガス量を設定します。

このガス制限により、トランザクションの実行時間が長すぎる場合にユーザーが誤ってすべての Ether を使い果たしてしまうことがなくなります。 

取引が完了する前にガス制限を超過した場合、ガス不足エラーが発生し、取引は失敗します。

たとえば、最終的に 60,000 ガス単位が必要となるトランザクションに対して、ユーザーが 50,000 ガス単位のガス制限を設定した場合、トランザクションは途中で停止し、ブロックチェーンには変更が加えられません。 

ユーザーは、障害発生時点までのガスに費やしたEtherを失います。そのため、ユーザーと開発者は、トランザクションの失敗を避けるために、ガス制限を正確に見積もることが重要です。

複雑なスマート コントラクトでは、開発者はトランザクションで予期せずガスが不足しないようにするためにガス チェックを組み込むことがよくあります。 

同様に、ユーザーはトランザクションの予想される複雑さに基づいてガス制限を調整し、トランザクションが正常に完了することを確認できます。

EVMのセキュリティ

Ethereum 仮想マシン (EVM) のセキュリティは、スマート コントラクトと分散型アプリケーションの整合性と安全性を確保するために重要です。

スマートコントラクトの一般的な脆弱性

Ethereum 仮想マシン (EVM) にデプロイされたスマート コントラクトは、不変かつ公開されている性質上、さまざまな脆弱性にさらされています。 

スマートコントラクトは一度デプロイされると変更できないため、セキュリティの確保が極めて重要です。最も一般的な脆弱性には以下が含まれます。

• 再入攻撃再入攻撃は、外部コントラクトが最初の実行が完了する前に元のコントラクトを呼び出すことで発生します。これにより、攻撃者はコントラクトの状態を悪用し、例えばコントラクトの残高が更新される前に資金を繰り返し流出させるといった攻撃が可能になります。 

たとえば、2016 年に発生した悪名高い DAO ハッキングでは、再入可能性の脆弱性が悪用され、数百万の Ether が盗まれました。

• 整数オーバーフロー/アンダーフロー: スマートコントラクトでは、整数演算は慎重に管理する必要があります。数値がデータ型の処理能力を超えて大きくなったり小さくなったりすると、オーバーフローまたはアンダーフローが発生します。 

これにより、不正なトークンの作成や値の操作など、誤った契約動作が発生する可能性があります。

• サービス拒否（DoS）DoS攻撃は、過剰なデータやトランザクションによってコントラクトが意図的に過負荷状態になり、使用不能に陥る場合に発生します。攻撃者はガス制限を悪用し、正当なユーザーがコントラクト機能を実行するためのコストを過度に高く設定することもできます。

これらの脆弱性は、資金の損失、コントラクトの機能不全、ネットワークの不安定化につながる可能性があります。そのため、開発者はベストプラクティスに従い、コントラクトを展開する前に徹底的なテストを実施してリスクを軽減する必要があります。

EVM セキュリティメカニズム

Ethereum仮想マシンには、コントラクトを保護し、トランザクションの整合性を確保するための複数のセキュリティメカニズムが組み込まれています。これらのメカニズムには以下が含まれます。

• ガス制限ガスシステムは、無限ループや過剰な計算に対する保護層として機能します。すべてのトランザクションは、ユーザーが提供するガスの量によって制限されるため、契約が無期限に実行されたり、過剰なリソースが消費されたりすることはありません。 

これにより、ネットワークの不正使用を防ぎ、無限ループによる DoS 攻撃から契約を保護することができます。

• 分離EVMはスマートコントラクトを互いに分離します。コントラクトはサンドボックス環境で実行されるため、明示的に定義された関数を通じてのみ他のコントラクトやデータとやり取りできます。 

これにより、たとえ 1 つの契約が侵害されたとしても、別のアカウントに保存されている他の契約やデータの実行に直接干渉することはできません。

• 署名検証EVMは、外部アカウントによって開始されたトランザクションが暗号鍵を使用して適切に署名されていることを保証します。これにより、秘密鍵の所有者のみが自身のアカウントからトランザクションを開始できるため、トランザクションへの不正アクセスや改ざんを防止できます。

これらのメカニズムは基礎レベルのセキュリティを提供しますが、開発者は依然として契約ロジックを保護し、既知の脆弱性を回避する責任があります。

EVMセキュリティのためのスマートコントラクトの監査

監査は、スマート コントラクトが Ethereum ネットワークに展開される前にそのセキュリティを確保するための重要なステップです。 

スマートコントラクト監査には、コントラクトのコードベースのレビュー、潜在的な脆弱性の特定、そしてベストプラクティスへの準拠の確認が含まれます。監査プロセスは通常、以下の点に重点を置きます。

• コードレビュー監査人はコントラクトコードを行ごとにレビューし、バグ、脆弱性、非効率なロジックを検出します。これにより、整数オーバーフロー、不適切なアクセス制御、脆弱な外部呼び出しなどの問題を特定できます。
• テスト監査人は、契約に対して手動テストと自動テストの両方を実施します。これには、個々の機能に対するユニットテストと、大量のトランザクションやエッジケースなどの様々なシナリオにおける契約の動作を評価するためのシミュレーションテストが含まれます。
• 正式な検証: 場合によっては、スマートコントラクトの動作の正しさを数学的に証明するために形式手法が用いられます。これは、特に分散型金融（DeFi）アプリケーションで使用されるようなハイステークスな契約において、より高いレベルの保証を提供できます。

CertiKやOpenZeppelinといった監査会社は、スマートコントラクトの詳細なレビューを専門とし、リスクを特定して改善策を提案します。包括的な監査は脆弱性を最小限に抑え、EVM上でコントラクトが安全に実行されることを保証します。

EVMのユースケース

Ethereum 仮想マシン (EVM) は、分散型金融 (DeFi) から NFT やスマート コントラクトまで、さまざまなブロックチェーン アプリケーションを強化する上で重要な役割を果たします。

分散型アプリケーション（dApps）

出典：ブルーマナキン

分散型アプリケーション (dApps) は、通常、バックエンド ロジックにスマート コントラクトを使用して、ブロックチェーン ネットワーク上で実行されるソフトウェア プログラムです。 

Ethereum 仮想マシン (EVM) は、安全かつ分散化された方法でブロックチェーンとやり取りできるため、これらの dApp の実行において重要な役割を果たします。

たとえば、Uniswap（分散型取引所）やAave（分散型融資プラットフォーム）などの人気のdAppsは、中央機関に依存せずに、EVMを使用して取引、ローン、その他のやり取りを処理します。 

ブロックチェーンと直接やり取りすることができ、EVMはすべてのトランザクションがスマートコントラクトコードに記述された通りに実行されることを保証します。この分散型アプローチにより、セキュリティ、透明性、そしてユーザーによる資金やデータに対するコントロールが向上します。

スマート契約

スマートコントラクトは、契約条件がコードに直接記述された自動実行型の契約です。EVMはこれらの契約の実行を担い、デプロイ後に意図したとおりに機能することを保証します。 

これらの契約は、単純なトークン転送から複雑な金融契約まで、幅広いプロセスを自動化し、多くの Ethereum ベースのサービスの基盤となります。

たとえば、スマート コントラクトを使用してエスクロー サービスを作成し、事前に定義された条件が満たされるまで資金を保留することができます。 

商品の配送など、条件が満たされると、EVMは自動的に資金を売り手に送金するため、仲介業者は不要になります。スマートコントラクトを活用することで、コスト削減、効率性向上、そして当事者間の信頼関係のないやり取りが可能になります。

DeFiプラットフォーム

分散型金融（DeFi）プラットフォームは、EVM（電子バリューマーケット）を活用して、従来の金融仲介機関に依存しない金融商品やサービスを生み出します。

これらのプラットフォームは、ブロックチェーン上で直接、貸付、借入、取引、イールドファーミングなどのさまざまな金融ツールをユーザーに提供します。

例えば、CompoundとMakerDAOは、イーサリアムネットワーク上に構築された2つのDeFiプラットフォームです。これらのプラットフォームでは、ユーザーは銀行を介さずに暗号通貨の貸し借りを行うことができます。 

EVM は、金利、担保要件、その他の要素を自動的に計算し、貸付プロトコルが安全に実行されることを保証します。 

スマート コントラクトを介してこれらのプラットフォームとやり取りすることで、利息を稼いだり、ローンを組んだりすることができ、EVM によりすべての条件が確実に履行されます。

代替不可能なトークン（NFT）

非代替性トークン（NFT）とは、美術品、音楽、収集品など、特定のアイテムやコンテンツの所有権を表す、固有のデジタル資産です。

EVM は、ERC-721 や ERC-1155 などの標準に準拠したスマート コントラクトを通じて NFT の作成と転送を可能にします。

例えば、OpenSeaやRaribleといったプラットフォームは、EVMを使用してNFTの鋳造、売買を行っています。ユーザーがNFTを購入すると、EVMはイーサリアムブロックチェーンに所有権の移転を記録し、購入者が検証可能かつ変更不可能な所有権記録を保持できるようにします。 

NFT は、すべての取引が EVM によって処理され、保護されることにより、クリエイターが作品をトークン化してコレクターに直接販売できるようにすることで、デジタル アートやゲームなどの業界に変化をもたらしました。

クロスチェーンおよびマルチチェーンEVM実装

イーサリアム仮想マシン（EVM）はもはやイーサリアムに限定されず、クロスチェーンおよびマルチチェーン実装を通じて、複数のブロックチェーンにわたるアプリケーションを支えるようになっている。

他のブロックチェーン上のEVM

Ethereum 仮想マシン (EVM) は、Ethereum 以外のさまざまなブロックチェーンで採用されており、開発者は他のネットワーク上で Ethereum 互換のスマート コントラクトを構築して実行できます。 

これらのブロックチェーンは、同じSolidityベースのアプリケーションをサポートするためにEVMを実装しており、開発者が複数のプラットフォームにdAppsを展開することを容易にしています。例としては、以下のようなものがあります。

• Binanceスマートチェーン（BSC）BSCはEVM互換のブロックチェーンであり、開発者は最小限の変更でEthereum dAppsを移植できます。Ethereumと比較してトランザクション速度が速く、手数料が低いため、分散型取引所（DEX）やイールドファーミングプラットフォームなどの分散型アプリケーションにとって魅力的な選択肢となります。
• ポリゴン（旧マティック）Polygonは、EVMをサポートするイーサリアム向けのレイヤー2スケーリングソリューションです。これにより、イーサリアムdAppsのトランザクション手数料を削減し、処理時間を短縮できます。ゲーム、NFTマーケットプレイス、DeFiアプリケーションなどで広く利用されています。
• アバランチとファントムAvalanche と Fantom はどちらも EVM を実装した高性能ブロックチェーンであり、Ethereum 開発者に、より高速かつ低コストでアプリケーションを新しいネットワークに拡張する機会を提供します。

これらの EVM 互換チェーンは、Ethereum ベースの dApp との互換性を維持しながら、スケーラビリティや手頃な価格などの明確な利点を持つ代替プラットフォームを提供することで、Ethereum のエコシステムを強化します。

EVMおよびレイヤー2ソリューション

出典：BTSE

レイヤー2ソリューションは、ネットワークのスケーリング、トランザクション手数料の削減、スループットの向上を目的としてイーサリアム上に構築されており、ベースレイヤー（レイヤー1）を変更することなく実現されます。

多くのレイヤー2ソリューションはEVM互換となるように設計されており、既にEthereum上で稼働しているdAppsへのシームレスな移行を保証します。主な例としては以下が挙げられます。

• 楽観的ロールアップOptimismやArbitrumなどのソリューションは、楽観的ロールアップを用いて複数のトランザクションをオフチェーンで一括処理し、単一の証明をイーサリアムのメインチェーンに送信します。これらはEVMと互換性があるため、開発者は最小限の調整でスマートコントラクトを移行できます。
• zk-ロールアップzkSyncが開発したようなzk-Rollupは、ゼロ知識証明を用いてオフチェーントランザクションの有効性を検証します。これらのロールアップはEVMにも対応しており、セキュリティを維持しながらイーサリアムの計算負荷を軽減するように設計されています。

レイヤー 2 ソリューションは、契約実行に EVM を使用しながらガス料金を大幅に削減し、Ethereum ネットワークのスループットを向上させるため、Ethereum のスケーラビリティ戦略にとって重要になります。

EVMの進化

時間の経過とともに、EVM は限界を克服するように適応し、Ethereum 2.0 やレイヤー 2 ソリューションなどの開発により、より効率的な仮想マシンが約束されました。

EVMの限界

Ethereum 仮想マシンは分散型アプリケーションにとって強力なツールであることが証明されていますが、いくつかの制限があります。

• パフォーマンスのボトルネックEVMはトランザクションを順次処理するため、特にネットワークが混雑している場合には実行時間が遅くなる可能性があります。その結果、ガス料金が高額になり、トランザクションの確認が遅れる場合があります。
• ガスの非効率性EVMの一部の操作、特にストレージや特定の算術演算は、ガスコストが高くつきます。開発者はトランザクションのコストが法外に高くなるのを避けるために、ガス効率を常に最適化する必要があり、スマートコントラクトの複雑さが制限されます。
• 並列化の欠如EVMの現在の設計では、トランザクションの並列実行がサポートされていないため、すべての操作を一度に1つずつ処理する必要があります。これにより、特にイーサリアムネットワークの需要が増加すると、スケーラビリティとスループットが制限されます。

これらの制限により、EVM のパフォーマンス、スケーラビリティ、効率性を向上させるために、EVM の一部を改善または交換することを目的とした継続的な研究開発が推進されています。

イーサリアム2.0とEVMの未来

イーサリアム2.0 （ETH2）への移行に伴い、イーサリアムネットワークはプルーフ・オブ・ワーク（PoW）からプルーフ・オブ・ステーク（PoS）コンセンサス機構へと移行する。

このアップグレードは、スケーラビリティ、セキュリティ、エネルギー効率の向上を目的としています。ただし、EVM自体は置き換えられるのではなく、この新しいエコシステム内で機能するように進化します。

• シャードチェーンイーサリアム2.0ではシャーディングが導入され、ネットワークは小さなチェーン（シャード）に分割され、各シャードがトランザクションを並列処理します。これにより混雑が緩和され、ガス料金が削減される可能性がありますが、EVMがこれらのシャードチェーンとやり取りする方法を調整する必要があります。
• 実行環境: イーサリアム2.0では、 実行環境は、EVM と連携してより複雑なアプリケーションをサポートし、他の仮想マシンが Ethereum 上で共存できるようにします。 

これにより、EVM を根本的に変更することなく、スマート コントラクトの実行方法の柔軟性が高まり、パフォーマンスが向上する可能性があります。

Ethereum 2.0 のロードマップは、ネットワークの将来において EVM が引き続き役割を果たし、拡張性と適応性が強化されることを示しています。

EVMの革新とアップグレード

EVMをより効率的かつ多用途にするために、アップグレードに向けた取り組みがいくつか進行中です。注目すべき革新には以下が含まれます。

• EVM384この提案は、EVMのネイティブデータ型を拡張し、現在ガスを大量に消費する暗号演算をより効率的に実行できるようにすることを目的としています。EVMのワードサイズを拡張することで、特定の計算を効率化し、複雑な演算のコストを削減することができます。
• eWASM（イーサリアムWebアセンブリ）eWASMは、EVMをより現代的で汎用性の高い仮想マシンであるWebAssembly (WASM)に置き換える取り組みです。WASMは高速で並列実行をサポートしており、ブロックチェーンアプリケーション以外でも広く利用されています。 

eWASM が完全に実装されれば、Ethereum は契約をより効率的に処理できるようになり、主流のプログラミング言語に精通した開発者にネットワークを開放できるようになります。

• アカウントの抽象化このアップグレード提案は、アカウントとコントラクトがネットワークとやり取りする方法を簡素化することを目的としています。署名検証とトランザクション管理に関連する特定の複雑さを抽象化することで、より柔軟でユーザーフレンドリーなスマートコントラクト設計が可能になり、EVMの機能が向上します。

これらの革新は、EVM が競争力を維持し、長期的に Ethereum の成長をサポートできるようにすることを目的としています。

EVMエコシステムとツール

Ethereum 仮想マシン (EVM) には、開発者がスマート コントラクトを効率的に構築、テスト、最適化できるように設計されたツールのエコシステムが成長を続けています。

EVM向け開発ツール

Ethereum 仮想マシン (EVM) での作業をより効率的かつユーザーフレンドリーにするために、幅広い開発者ツールが構築されています。 

これらのツールは、開発者がスマートコントラクトの作成、コンパイル、デプロイ、テストを行うのに役立ち、パフォーマンスとセキュリティが最適化されていることを確認します。最も人気のあるツールには以下が含まれます。

• リミックスIDERemixは、スマートコントラクトの作成とテストのためのWebベースの統合開発環境（IDE）です。Ethereumスマートコントラクトの作成に用いられる主要言語であるSolidityをサポートし、デバッグおよびデプロイメントツールスイートを提供しています。その使いやすさと柔軟性から、初心者から経験豊富な開発者まで幅広く利用されています。
• トリュフスイートTruffleは、分散型アプリケーション（dApps）の構築プロセスを簡素化する開発フレームワークです。コントラクト管理、自動テストの実行、Ethereumブロックチェーンとのやり取りのためのライブラリ一式が含まれています。また、テスト目的でブロックチェーンをローカルでシミュレートするGanacheなどのツールとも連携します。
• ヘルメットHardhatは、スマートコントラクトのコンパイル、デバッグ、テスト実行のための豊富な機能を備えた人気の開発環境です。Solidityをサポートし、開発中の迅速なイテレーションのためにEVMをローカルで実行する機能など、柔軟なプラグインを提供しています。

これらのツールは開発プロセスを合理化し、開発者が EVM ベースのアプリケーションを効率的に構築、テスト、展開できるようにします。

EVMのデバッグとテスト

ブロックチェーンのトランザクションは不変であるため、デバッグとテストはスマート コントラクトの開発において重要なステップです。 

スマートコントラクトをデプロイすると、エラーを簡単に修正できなくなるため、綿密なテストが不可欠です。デバッグとテストに使用できる主要なツールには、以下のものがあります。

• ガナッシュTruffleスイートの一部であるGanacheは、開発者が独自のEthereumネットワークを作成できるローカルブロックチェーンエミュレータです。ブロックチェーンをシミュレートすることで、開発者はガス料金を支払ったり、メインのEthereumネットワークからの確認を待ったりすることなく、スマートコントラクトをテストできます。そのため、様々な条件下でのコントラクトの機能をテストするのに最適です。
• ハードハットデバッガーHardhatは、開発者がスマートコントラクトの実行を段階的に検査できる組み込みデバッグツールを提供します。これにより、ロジックの問題やガス効率の悪さが発生する可能性のある箇所を容易に特定できます。このツールはローカルネットワーク上でリアルタイムテストを可能にし、バグのあるコントラクトや非効率なコントラクトをデプロイするリスクを軽減します。
• SolidityカバレッジSolidity Coverageは、スマートコントラクトのコードがどの程度テストされているかを測定するツールです。これにより、重要な機能とエッジケースがテストでカバーされ、デプロイされたコントラクトに未発見の脆弱性が存在するリスクを軽減できます。

これらのツールを使用して徹底的にテストを行うことで、実際の契約におけるコストのかかるエラーやセキュリティ上の脆弱性を防ぐことができます。

EVM エミュレーターとシミュレーター

EVM エミュレーターとシミュレーターを使用すると、開発者はローカルマシン上で Ethereum ネットワークの実行環境を模倣できます。 

これらのツールは、スマートコントラクトをメインネットにデプロイする前のテスト、パフォーマンスチューニング、デバッグに役立ちます。広く使用されているシミュレーターやエミュレーターには、以下のものがあります。

• ガナッシュ: ブロックチェーンエミュレーターであるGanacheは、開発者がローカルのEthereumブロックチェーンを実行し、制御された環境でトランザクションのテスト、コントラクトのデプロイ、ガス使用量のモニタリングを行うことを可能にします。開発者は現実世界のインタラクションをシミュレートすることで、dAppやコントラクトの微調整に役立ちます。
• EVM プレイグラウンドEVM Playgroundは、開発者がサンドボックス環境でE​​VMバイトコードを直接記述、コンパイル、実行できるブラウザベースのツールです。これは、特定のEVMオペコードの動作を調査したり、低レベルのコントラクトに関する問題をトラブルシューティングしたりしたい開発者にとって特に便利です。
• エスフィドルEthFiddleは、Solidityスニペットをリアルタイムで試すことができる軽量オンラインツールです。開発者はコードスニペットを迅速に共有・テストできるため、コードの小さな部分をデバッグ・テストするための共同作業ツールとして活用できます。

これらのエミュレーターとシミュレーターは、スマート コントラクトが展開前に期待どおりに動作することを確認するために不可欠であり、開発プロセスの時間とリソースを節約します。

結論

Ethereum 仮想マシン (EVM) は、Ethereum ブロックチェーンのバックボーンであり、分散型アプリケーション、スマート コントラクト、DeFi プラットフォーム、NFT を強化します。 

クロスチェーンの互換性とレイヤー 2 ソリューションにおける役割は、より広範なブロックチェーン エコシステムにおけるその重要性を際立たせています。 

しかし、ガスの非効率性や並列化の欠如といった制限にも直面しており、Ethereum 2.0 などの進行中のアップグレードや eWASM などのイノベーションはこれらの問題に対処することを目指しています。 

開発者ツール、デバッグ システム、エミュレーターの堅牢なエコシステムにより、EVM は継続的に開発され、Ethereum の成長する分散型環境の重要なエンジンであり続けます。

ブロックチェーン技術が進歩するにつれて、EVM は適応と強化を続け、さまざまなプラットフォームにわたる分散型アプリケーションとスマート コントラクトの未来を推進します。

Ethereum仮想マシン（EVM）に関するよくある質問 

この FAQ セクションでは、選択肢を絞り込むのに役立つよくある質問をいくつか取り上げます。

EVM は他のブロックチェーンでも動作しますか?

はい、EVM は Binance Smart Chain、Avalanche、Polygon などの他の複数のブロックチェーンと互換性があり、Ethereum ベースのアプリケーションを実行できます。

EVM に使用されるプログラミング言語は何ですか?

EVM に使用される主なプログラミング言語は Solidity であり、これは Ethereum ネットワーク上で実行するために EVM バイトコードにコンパイルされます。

EVM はガス料金をどのように計算しますか?

EVM は、各トランザクションまたはスマート コントラクトの実行に必要な計算リソースに基づいてガス料金を計算します。より複雑な操作では、より多くのガスが必要になります。

EVM はあらゆるタイプのコードを実行できますか?

はい、EVM はチューリング完全です。つまり、十分な時間とリソースがあれば、あらゆる計算アルゴリズムを実行できます。

レイヤー 2 ソリューションは EVM をどのように改善するのでしょうか?

レイヤー 2 ソリューションは、メインの Ethereum ネットワークからトランザクションをオフロードし、混雑を軽減してガス料金を下げることで EVM を改善します。

EVM はすべての Ethereum ベースのアプリケーションで使用されていますか?

はい、Ethereum ネットワーク上のすべての分散型アプリケーション (dApps) とスマート コントラクトは EVM を使用して実行されます。

EVM はスマート コントラクトのセキュリティをどのように処理しますか?

EVM は、スマート コントラクトを隔離された環境で実行することでセキュリティを強化し、悪意のあるコードが他のコントラクトやネットワークに影響を与えるのを防ぎます。

EVM オペコードとは何ですか?

EVM オペコードは、数学演算、データ ストレージ、スマート コントラクトの制御フローなどのタスクを実行するために EVM によって実行される低レベルの命令です。