Что такое виртуальная машина Ethereum и как она работает?

Ethereum стал самой популярной платформой смарт-контрактов во многом благодаря виртуальной машине Ethereum (EVM). 

В технологии блокчейн EVM играет незаменимую роль, выполняя все функции: от поддержки смарт-контрактов до запуска децентрализованных приложений. 

Однако предстоит преодолеть множество препятствий, таких как проблемы масштабирования и неэффективность использования газа. 

Цель этой статьи — помочь вам понять преимущества и недостатки EVM в динамической среде блокчейна, проанализировав ее архитектуру, доступные инструменты и предстоящие планы обновлений.

Основные выводы

• Виртуальная машина Ethereum (EVM) необходима для выполнения смарт-контрактов и децентрализованных приложений (dApps) на блокчейне Ethereum.
• EVM широко применяется во многих блокчейнах, таких как Binance Smart Chain и Polygon, что обеспечивает кросс-чейн совместимость.
• Решения уровня 2, такие как Optimistic Rollups и zk-Rollups, используют EVM для улучшения масштабируемости Ethereum и снижения комиссий за газ.
• У EVM есть ограничения, включая неэффективность использования газа и отсутствие параллельной обработки, что может снизить производительность.
• Разработчики имеют доступ к различным инструментам, включая Remix, Truffle и Hardhat, которые помогают создавать, тестировать и отлаживать смарт-контракты на EVM.
• Эмуляторы и симуляторы EVM, такие как Ganache, позволяют разработчикам тестировать смарт-контракты локально перед их развертыванием в основной сети, что снижает количество ошибок и затраты.

Что такое виртуальная машина Ethereum (EVM)?

Источник: Medium

Виртуальная машина Ethereum (EVM) — это основной вычислительный механизм, лежащий в основе Ethereum, отвечающий за выполнение смарт-контрактов и запуск децентрализованных приложений (dApps) на блокчейне. 

Он действует как глобальный децентрализованный компьютер, на котором любой желающий может развертывать и выполнять код без необходимости доверия. 

EVM обрабатывает инструкции, написанные на языках программирования высокого уровня, таких как Solidity, и переводит их в байт-код низкого уровня, который он может выполнить. 

Этот байт-код хранится в блокчейне Ethereum и выполняется на каждом узле сети, обеспечивая единообразное выполнение контрактов во всей системе.

Одной из ключевых особенностей EVM является ее способность обрабатывать смарт-контракты — самоисполняемые соглашения с предопределенными правилами и условиями. 

Эти контракты работают в изолированной среде EVM, то есть они не влияют на другие части системы, обеспечивая безопасность и надежность. 

Кроме того, EVM представляет собой стековую архитектуру, которая обрабатывает команды путем помещения данных в стек и извлечения из стека. 

Этот вычислительный процесс контролируется газовой системой, которая требует от пользователей оплаты за выполнение операций, помогая предотвращать злоупотребления и обеспечивая эффективное использование ресурсов.

Архитектура виртуальной машины Ethereum

Виртуальная машина Ethereum (EVM) работает по стековой архитектуре, что означает, что она выполняет инструкции, используя структуру данных, известную как стек. 

В этой модели EVM обрабатывает команды, помещая и извлекая значения из стека, где каждый элемент имеет размер 256 бит. 

Стек необходим для обработки вычислений, поскольку в EVM нет регистров общего назначения, как в традиционных компьютерах. Вместо этого стек служит временной памятью для обработки данных во время выполнения смарт-контракта. 

Например, при выполнении такой математической операции, как сложение, EVM помещает два числа в стек, складывает их, а затем сохраняет результат обратно в стеке.

Такая стековая конструкция позволяет EVM эффективно и предсказуемо выполнять инструкции смарт-контракта. 

Это упрощает управление временными данными, снижая сложность по сравнению с системами на основе регистров. 

Однако стек EVM имеет ограничения, такие как фиксированная глубина в 1024 элемента, что означает, что слишком сложные операции могут привести к ошибкам переполнения стека, если этот предел будет превышен.

Компоненты EVM

Источник: ResearchGate

Виртуальная машина Ethereum (EVM) состоит из нескольких ключевых компонентов, которые работают вместе для выполнения смарт-контрактов и управления децентрализованными приложениями.

Выполнение кода

В виртуальной машине Ethereum (EVM) смарт-контракты пишутся на высокоуровневых языках, таких как Solidity. Затем эти контракты компилируются в байт-код — низкоуровневый код, понятный EVM. 

Этот байт-код хранится в блокчейне, и каждый раз при вызове контракта EVM выполняет этот байт-код шаг за шагом.

При выполнении контракта EVM выполняет каждую инструкцию одну за другой, обрабатывая логику, такую ​​как вычисления, хранение данных и связь с другими контрактами. 

Например, если контракт написан на передачу токенов от одного пользователя другому, EVM обрабатывает байт-код для обновления балансов в хранилище контракта. 

Это гарантирует, что перевод будет соответствовать правилам контракта и что все узлы в сети Ethereum достигнут одинакового результата.

Модель памяти и хранения

В EVM используются два различных типа хранения данных: память и хранилище.

Память является временной и существует только во время выполнения смарт-контракта. Она используется для хранения промежуточных данных, таких как вычисления или переменные, необходимые во временное время.

Например, при сложении двух чисел в контракте результат может быть сохранён в памяти перед дальнейшей обработкой. Поскольку память очищается после завершения транзакции, это эффективнее и дешевле, чем хранение.

Хранилище данных является постоянным и сохраняет данные даже после завершения транзакции. Оно используется для сохранения важной информации, такой как баланс токенов или состояние контрактов, которая должна сохраняться в течение длительного времени.

Например, в контракте на токены баланс каждого пользователя хранится здесь. Изменение данных в хранилище обходится дороже с точки зрения газа (платы за вычисления), поэтому разработчики стремятся экономно использовать хранилище для оптимизации затрат.

Стек

EVM — это машина, работающая по принципу стека, что означает, что для управления операциями она использует структуру данных, называемую стеком .

Стек подобен списку, где данные можно добавлять или удалять только сверху, по принципу «последним пришёл — первым ушёл» (LIFO). Каждый элемент, помещённый в стек, имеет размер 256 бит, что соответствует размеру слова EVM.

Например, если EVM необходимо сложить два числа, она помещает эти числа в стек. 

Затем он выполняет сложение, извлекая их, обрабатывая и помещая результат обратно в стек. Стек может содержать до 1024 элементов, и при превышении этого лимита транзакция завершается неудачей. 

Простота стека позволяет EVM эффективно выполнять вычисления, но это также означает, что слишком сложные операции могут привести к ошибкам, если стек заполнится.

Газ и сборы

Газ — это фундаментальная часть EVM, обеспечивающая эффективность и безопасность сети. Каждая операция, выполняемая в EVM, требует определённого количества газа, которое пользователи оплачивают в Ether (внутренней криптовалюте Ethereum). Газ выступает в качестве платы за использование вычислительных ресурсов EVM, предотвращая злоупотребления и спам.

Например, такие простые операции, как сложение двух чисел, могут стоить 3 единицы газа, тогда как более сложные задачи, такие как запись данных в хранилище, обходятся гораздо дороже. 

Если до завершения транзакции газ заканчивается, она не выполняется, и все внесенные изменения отменяются, но потраченный газ не возвращается. 

Эта газовая система стимулирует разработчиков писать эффективный код и предотвращает перегрузку сети неэффективными или вредоносными операциями.

Коды операций EVM

Коды операций (опкоды) — это базовые инструкции, которые понимает и выполняет EVM. Каждый опкод — это простая команда, сообщающая EVM, какое действие необходимо выполнить, например, сложение чисел, сохранение данных или переход к другой части кода. 

В EVM имеется более 140 кодов операций, и с каждым из них связана определенная стоимость газа.

Например:

• ДОБАВИТЬ: берёт два числа из стека, складывает их и возвращает результат обратно. Это стоит 3 единицы газа.
• SSTORE: Сохраняет данные в хранилище контракта. Это одна из самых дорогостоящих операций, стоимость которой составляет 20 000 единиц газа.

EVM обрабатывает смарт-контракты и обеспечивает точное выполнение каждой инструкции во всей сети Ethereum, выполняя эти коды операций шаг за шагом.

Данные вызовов

Данные вызова — это входные данные, отправляемые вместе с транзакцией при вызове смарт-контракта. Они содержат информацию о выполняемой функции и любых параметрах, требуемых этой функцией. 

Например, если вы переводите токены с помощью смарт-контракта, данные вызова будут включать имя функции (например, transfer ) и параметры (адрес получателя и сумму перевода).

EVM считывает эти данные вызова, чтобы понять, какую функцию выполнить и как обработать транзакцию. 

Хотя данные вызовов являются частью транзакции, их чтение не требует затрат на газ, но при включении в транзакцию за них взимается плата в зависимости от их размера.

Размер слова в EVM

Плата EVM работает с фиксированным размером слова в 256 бит (32 байта). Это означает, что все обрабатываемые ею данные, будь то числа, адреса или инструкции, имеют длину 256 бит.

Такой выбор дизайна соответствует акценту Ethereum на криптографическую безопасность, поскольку большинство криптографических операций (например, хеширование) требуют обработки больших чисел.

Например, когда EVM обрабатывает 32-байтовый адрес или вычисляет результат транзакции, она использует размер слова 256 бит. 

Постоянный размер слова делает EVM более безопасным и эффективным при выполнении сложных математических операций, необходимых для криптографических задач. 

Однако это также означает, что даже меньшие значения расширяются до 256 бит, что иногда может привести к неэффективности обработки данных.

Модель исполнения EVM

Источник: Базовая документация

Модель выполнения EVM определяет правила и процессы, определяющие, как децентрализованные приложения и смарт-контракты Ethereum работают на блокчейне.

Модель счетов Ethereum

Виртуальная машина Ethereum (EVM) работает с двумя типами учетных записей: внешними учетными записями (EOA) и контрактными учетными записями.

• Внешние счета (EOA) Контролируются закрытыми ключами и представляют пользователей в сети. Эти учётные записи могут отправлять и получать эфир, а также инициировать транзакции.
• Контокоррентные счетаС другой стороны, они содержат коды смарт-контрактов и могут выполнять действия только при активации EOA или другого контракта. Они не имеют закрытых ключей, но отвечают на запросы других аккаунтов.

Например, когда вы отправляете Ether из своего кошелька в смарт-контракт, ваш EOA взаимодействует с учетной записью контракта, запуская ее код для выполнения определенной функции, например, перевода токенов или хранения данных.

Сообщения, звонки и транзакции

В системе EVM взаимодействие между учетными записями происходит посредством вызовов сообщений и транзакций.

• A сделка Это подписанный пакет данных, отправленный из EOA. Он может передавать Ethereum или вызывать функцию в смарт-контракте. Транзакции транслируются в сеть Ethereum и обрабатываются майнерами или валидаторами.
• A сообщение вызова происходит при взаимодействии контракта с другим контрактом или соглашением о взаимопонимании (EOA). В отличие от транзакций, вызовы сообщений являются внутренними и не требуют подписи закрытым ключом.

Например, когда пользователь отправляет транзакцию на децентрализованный биржевой контракт, контракт может сделать вызов сообщения на контракт токена для перевода токенов от имени пользователя.

Газовая механика в исполнении

Система EVM использует газ для управления затратами на выполнение операций и предотвращения злоупотреблений в сети. Газ — это единица измерения объема вычислительной работы, необходимой для выполнения транзакции или контракта.

Каждая операция в EVM, от простых математических вычислений до хранения данных, имеет фиксированную стоимость газа. Перед выполнением транзакции пользователь должен указать лимит газа, который определяет максимальное количество газа, которое он готов заплатить за выполнение транзакции. 

Если до завершения транзакции газ заканчивается, она не выполняется, и все изменения отменяются, хотя потраченный газ не возвращается.

Например, отправка Ether стоит 21 000 единиц газа, тогда как хранение данных в контракте обойдется значительно дороже, потенциально более 20 000 единиц газа.

Цикл выполнения EVM

EVM выполняет транзакции в структурированном цикле «выборка-декодирование-выполнение» . Этот процесс включает в себя несколько этапов:

• получать: EVM извлекает следующую инструкцию (код операции) из байт-кода контракта.
• раскодировать: EVM декодирует инструкции, чтобы помочь вам понять, какую операцию следует выполнить.
• Выполнить: EVM выполняет операцию, например, математический расчет, извлечение данных или вызов контракта.

Этот цикл повторяется до тех пор, пока все инструкции не будут обработаны или пока транзакция не исчерпает свой ресурс. Цикл выполнения гарантирует, что каждый узел сети Ethereum обрабатывает одни и те же инструкции, поддерживая консенсус.

Жизненный цикл контракта в EVM

Смарт-контракты в EVM следуют определенному жизненному циклу — от развертывания до окончательного прекращения:

• Создание: Контракт разворачивается путем отправки транзакции, содержащей байт-код контракта. После развёртывания контракт получает уникальный адрес в сети Ethereum.
• Взаимодействие: Контракты запускаются транзакциями или вызовами сообщений. После запуска EVM выполняет код контракта, который может включать чтение или запись данных, вызов других контрактов или перевод средств.
• Саморазрушение: Контракты могут быть расторгнуты путем вызова САМОРАЗРУШЕНИЕ Код операции. Это удаляет контракт из блокчейна и переводит весь оставшийся эфир на указанный адрес.

Например, контракт на управление краудфандинговой кампанией может самоуничтожиться после завершения кампании, что гарантирует невозможность его повторного использования.

Языки программирования и EVM

Виртуальная машина Ethereum (EVM) поддерживает несколько языков программирования, что позволяет разработчикам легко писать и развертывать смарт-контракты.

Solidity и EVM

Источник: Medium

Solidity — наиболее широко используемый язык программирования для написания смарт-контрактов в сети Ethereum. Это высокоуровневый статически типизированный язык, разработанный специально для виртуальной машины Ethereum (EVM).

Solidity позволяет разработчикам писать смарт-контракты, которые можно развернуть на блокчейне Ethereum и взаимодействовать с другими контрактами или внешними учетными записями (EOA). 

Код, написанный на Solidity, компилируется в байт-код EVM , который представляет собой низкоуровневый машинный код, понятный и выполняемый EVM.

Например, базовый контракт Solidity для передачи токенов мог бы определять такие функции, как transfer(), для обработки перемещения токенов между пользователями.

При развертывании этого контракта его код Solidity компилируется в байт-код, и EVM выполняет этот байт-код всякий раз, когда вызывается контракт. 

Solidity поддерживает множество типов данных и управляющих структур, что делает его гибким инструментом для создания сложных децентрализованных приложений (dApps), таких как децентрализованные биржи, протоколы кредитования или стандарты токенов (например, ERC-20 , ERC-721).

Другие языки, совместимые с EVM

Хотя Solidity является доминирующим языком, существуют и другие языки программирования, совместимые с EVM, разработанные для предоставления различных функций или для удовлетворения конкретных потребностей. Два примечательных примера:

• Vyper: Vyper — более простая и безопасная альтернатива Solidity. Он призван снизить сложность смарт-контрактов за счёт сокращения функций, что упрощает аудит и понимание кода. Vyper часто используется в приложениях, где безопасность критически важна, например, децентрализованных финансов (DeFi) протоколы.
• Юл: Yul — это промежуточный язык, предназначенный для более продвинутой оптимизации. Он более низкого уровня, чем Solidity, что позволяет разработчикам точно настраивать производительность, что делает его полезным для оптимизации расходов на газ. Yul часто используется в случаях, когда разработчикам требуется точный контроль над выполнением контрактов.

Эти языки также компилируются в байт-код EVM, что позволяет развертывать и выполнять их в сети Ethereum так же, как контракты на базе Solidity. 

Например, Vyper можно выбрать для проекта, требующего строгой безопасности, а Yul можно использовать в критически важном для производительности dApp, целью которого является минимизация комиссий за газ.

Байт-код EVM

Источник: Trustlook

Байт-код EVM — это низкоуровневый машинный язык, который исполняет виртуальная машина Ethereum (EVM). После написания смарт-контракта на высокоуровневом языке, таком как Solidity или Vyper, он компилируется в байт-код. 

Затем этот байт-код сохраняется в блокчейне Ethereum и запускается EVM при каждом вызове контракта.

Байт-код EVM состоит из кодов операций , которые представляют собой отдельные инструкции, понятные EVM, такие как арифметические операции, команды хранения данных или инструкции управления потоком выполнения.

Например, код операции ADD сообщает EVM о необходимости сложить два числа в стеке, тогда как код операции SSTORE сохраняет значение в хранилище контракта. 

Каждый код операции имеет определенную стоимость газа, и оптимизация структуры байт-кода может помочь сократить затраты газа, необходимые для выполнения контракта.

Например, контракт, предназначенный для обработки переводов токенов, будет включать инструкции байт-кода для проверки баланса, обновления хранилища и генерации событий. 

EVM считывает и выполняет эти инструкции каждый раз при вызове контракта, обеспечивая одинаковый результат на всех узлах сети Ethereum.

Стоимость газа, сборы и эффективность

Источник: Finematics

Стоимость газа и комиссии играют решающую роль в определении эффективности и масштабируемости смарт-контрактов и децентрализованных приложений (dApps) на виртуальной машине Ethereum (EVM).

Расчет и эффективность газа

В виртуальной машине Ethereum (EVM) газ представляет собой вычислительную стоимость, необходимую для выполнения транзакции или смарт-контракта. Каждая операция, выполняемая EVM, будь то простое сложение или запись данных в хранилище, имеет определенную стоимость газа.

Например, простая операция, такая как сложение двух чисел, стоит 3 единицы газа, в то время как хранение данных в контракте с использованием кода операции SSTORE может стоить до 20 000 единиц газа.

Оплата за газ производится в эфире (ETH), а общая стоимость газа за транзакцию рассчитывается путем умножения количества использованного газа на его цену.

Цена на газ устанавливается пользователем и отражает количество эфира, которое он готов заплатить за единицу газа. В случае перегрузки сети пользователи могут установить более высокую цену на газ, чтобы стимулировать майнеров или валидаторов отдавать приоритет своим транзакциям. 

Эффективное использование газа имеет решающее значение, поскольку плохо оптимизированные контракты могут привести к повышению комиссий, что сделает транзакции более дорогими для пользователей.

Например, перевод Ethereum между счетами стоит 21 000 единиц газа, но взаимодействие со сложными смарт-контрактами может обойтись значительно дороже, особенно если контракт подразумевает множественные изменения хранилища или вызовы функций.

Методы оптимизации газа

Оптимизация расхода газа — ключевой фактор для разработчиков смарт-контрактов, поскольку сокращение расхода газа может значительно снизить транзакционные издержки. Некоторые распространённые методы оптимизации расхода газа включают:

• Минимизация записи на хранилище: Поскольку хранение данных в блокчейне является одной из самых затратных операций, разработчики могут оптимизировать использование газа, минимизируя количество записей данных в хранилище. 

Например, вместо того, чтобы многократно обновлять баланс пользователя во время нескольких транзакций, разработчики могут выполнять пакетные обновления, чтобы сократить количество операций по хранению.

• Эффективные структуры данных: Выбор правильных структур данных может помочь снизить расходы на газ. Например, использование меньших массивов или более компактных типов данных может привести к уменьшению использования хранилища, что, в свою очередь, снизит плата за газ. 

Разработчики часто предпочитают uint8 или uint16 вместо uint256 , если для логики контракта достаточно меньших чисел.

• Оптимизация циклов и функций: Циклы и повторяющиеся задачи могут быстро увеличить расход газа. Разработчики могут снизить расходы на газ, ограничив количество итераций в циклах или рефакторингируя код для устранения ненужных вычислений. 

Например, в контрактах следует избегать сложных циклов, которые повторяются по большим наборам данных, поскольку это может оказаться дорогостоящим.

Применяя эти и другие методы оптимизации, разработчики могут создавать контракты, которые будут более эффективными и экономичными для пользователей.

Сценарии ограничения газа и отсутствия газа

Каждая транзакция в сети Ethereum должна включать лимит газа , который устанавливает максимальное количество газа, которое пользователь готов потратить на эту транзакцию.

Этот лимит газа гарантирует, что пользователи случайно не исчерпают весь свой Ether в транзакции, которая длится слишком долго. 

Если сумма транзакции превысит лимит газа до завершения, это приведет к ошибке нехватки газа , и транзакция не удастся.

Например, если пользователь установит лимит газа в 50 000 единиц газа для транзакции, которая в конечном итоге потребует 60 000 единиц газа, транзакция остановится на полпути, и никакие изменения в блокчейн внесены не будут. 

Пользователь всё равно теряет эфир, потраченный на газ до момента сбоя. Поэтому пользователям и разработчикам важно точно оценивать лимиты газа, чтобы избежать сбоев транзакций.

В сложных смарт-контрактах разработчики часто включают проверки газа, чтобы гарантировать, что транзакции не исчерпают газ неожиданно. 

Аналогичным образом пользователи могут корректировать свой лимит газа в зависимости от ожидаемой сложности транзакции, чтобы гарантировать ее успешное завершение.

Безопасность в EVM

Безопасность виртуальной машины Ethereum (EVM) имеет решающее значение для обеспечения целостности и безопасности смарт-контрактов и децентрализованных приложений.

Распространенные уязвимости в смарт-контрактах

Смарт-контракты, развернутые на виртуальной машине Ethereum (EVM), подвержены различным уязвимостям из-за их неизменяемой и публичной природы. 

После внедрения смарт-контракты невозможно изменить, поэтому крайне важно обеспечить их безопасность. Вот некоторые из наиболее распространённых уязвимостей:

• Повторные атакиАтака с повторным входом происходит, когда внешний контракт обращается к исходному контракту до завершения первоначального выполнения. Это может позволить злоумышленнику использовать состояние контракта, например, многократно списывать средства до обновления баланса контракта. 

Например, печально известный взлом DAO в 2016 году использовал уязвимость повторного входа, что привело к краже миллионов Ethereum.

• Целочисленное переполнение/отсутствие значимости: В смарт-контрактах операции с целыми числами должны тщательно контролироваться. Если число становится больше или меньше, чем может обработать тип данных, это приводит к переполнению или потере значимости. 

Это может привести к некорректному поведению контракта, такому как несанкционированный выпуск токенов или манипулирование стоимостью.

• Отказ в обслуживании (DoS): DoS-атаки могут происходить, когда контракт намеренно перегружен избыточным объемом данных или транзакций, что делает его непригодным к использованию. Злоумышленники также могут использовать ограничения по газу, делая выполнение функций контракта слишком затратным для законных пользователей.

Эти уязвимости могут привести к потере средств, сбоям в работе контрактов или нестабильности сети. Поэтому разработчикам необходимо следовать передовым практикам и проводить тщательное тестирование для снижения рисков перед запуском контрактов.

Механизмы безопасности EVM

Виртуальная машина Ethereum включает в себя несколько механизмов безопасности для защиты контрактов и обеспечения целостности транзакций. Эти механизмы включают:

• Ограничение газа: Газовая система служит защитой от бесконечных циклов и избыточных вычислений. Каждая транзакция ограничена количеством газа, предоставленным пользователем, что гарантирует невозможность бесконечного выполнения контракта или использования чрезмерных ресурсов. 

Это помогает предотвратить злоупотребление сетью и защищает контракты от DoS-атак из-за бесконечных циклов.

• Isolation: EVM изолирует смарт-контракты друг от друга. Контракты работают в изолированной среде, то есть они могут взаимодействовать с другими контрактами и данными только посредством явно определённых функций. 

Это гарантирует, что даже если один контракт будет скомпрометирован, это не сможет напрямую повлиять на выполнение других контрактов или данных, хранящихся в отдельных учетных записях.

• Проверка подписи: EVM гарантирует, что транзакции, инициированные внешними учётными записями, корректно подписаны с помощью криптографических ключей. Это предотвращает несанкционированный доступ или манипулирование транзакциями, поскольку инициировать транзакцию со своей учётной записи может только владелец закрытого ключа.

Хотя эти механизмы обеспечивают базовый уровень безопасности, разработчики по-прежнему несут ответственность за защиту логики своих контрактов и избежание известных уязвимостей.

Аудит смарт-контрактов для обеспечения безопасности EVM

Аудит — важнейший шаг в обеспечении безопасности смарт-контрактов перед их развертыванием в сети Ethereum. 

Аудит смарт-контракта включает в себя проверку кодовой базы контракта, выявление потенциальных уязвимостей и проверку его соответствия лучшим практикам. В процессе аудита обычно основное внимание уделяется:

• Проверка кодаАудиторы проверяют код контракта построчно, чтобы обнаружить ошибки, уязвимости и неэффективную логику. Это может помочь выявить такие проблемы, как переполнение целочисленных значений, некорректное управление доступом или уязвимые внешние вызовы.
• ТестированиеАудиторы проводят как ручное, так и автоматизированное тестирование контракта. Это включает модульное тестирование отдельных функций и имитационное тестирование для оценки поведения контракта в различных сценариях, таких как высокие объемы транзакций или граничные случаи.
• Формальная проверкаВ некоторых случаях для математического подтверждения корректности работы смарт-контракта используются формальные методы. Это может обеспечить более высокий уровень уверенности, особенно для контрактов с высокими ставками, таких как те, которые используются в приложениях децентрализованного финансирования (DeFi).

Аудиторские компании, такие как CertiK и OpenZeppelin, специализируются на проведении углубленных проверок смарт-контрактов для выявления рисков и разработки рекомендаций по улучшению. Комплексный аудит помогает минимизировать уязвимости, гарантируя безопасную работу контракта в EVM.

Варианты использования EVM

Виртуальная машина Ethereum (EVM) играет важную роль в обеспечении работы различных блокчейн-приложений: от децентрализованных финансов (DeFi) до NFT и смарт-контрактов.

Децентрализованные приложения (dApps)

Источник: Blue Manakin

Децентрализованные приложения (dApps) — это программы, работающие в сети блокчейнов и обычно использующие смарт-контракты для своей внутренней логики. 

Виртуальная машина Ethereum (EVM) играет важную роль в выполнении этих dApps, поскольку она позволяет им взаимодействовать с блокчейном безопасным и децентрализованным образом.

Например, такие популярные dApps, как Uniswap (децентрализованная биржа) и Aave (децентрализованная платформа кредитования), используют EVM для обработки сделок, займов и других взаимодействий без необходимости полагаться на центральный орган. 

Вы можете напрямую взаимодействовать с блокчейном, а EVM гарантирует, что все транзакции будут выполнены в соответствии с кодом смарт-контракта. Такой децентрализованный подход повышает безопасность, прозрачность и контроль пользователей над своими средствами и данными.

Смарт-контракты

Смарт-контракты — это самоисполняемые соглашения, условия которых непосредственно прописаны в коде. ВМЭ отвечает за исполнение этих контрактов, гарантируя их точную работу после развертывания. 

Эти контракты автоматизируют широкий спектр процессов: от простых переводов токенов до сложных финансовых соглашений, и являются основой многих сервисов на базе Ethereum.

Например, с помощью смарт-контракта можно создать службу условного депонирования, где средства будут храниться до тех пор, пока не будут выполнены заранее определенные условия. 

После проверки этих условий (например, доставки товара) EVM автоматически перечисляет средства продавцу, устраняя необходимость в посредниках. Использование смарт-контрактов снижает издержки, повышает эффективность и обеспечивает взаимодействие сторон без доверия.

Платформы DeFi

Платформы децентрализованных финансов (DeFi) используют EVM для создания финансовых продуктов и услуг, которые не зависят от традиционных финансовых посредников.

Эти платформы предлагают пользователям различные финансовые инструменты, такие как кредитование, заимствование, торговля и выращивание урожая, непосредственно на блокчейне.

Например, Compound и MakerDAO — это две DeFi-платформы, построенные на сети Ethereum. Они позволяют пользователям брать или одалживать криптовалюты без необходимости посещения банка. 

EVM обеспечивает безопасное выполнение протоколов кредитования, автоматически рассчитывая процентные ставки, требования к обеспечению и другие факторы. 

Вы можете получать проценты или брать кредиты, взаимодействуя с этими платформами посредством смарт-контрактов, при этом EVM гарантирует соблюдение всех условий.

Не взаимозаменяемые токены (NFT)

Невзаимозаменяемые токены (NFT) — это уникальные цифровые активы, представляющие собой право собственности на конкретный предмет или контент, например, произведение искусства, музыку или предметы коллекционирования.

EVM позволяет создавать и передавать NFT посредством смарт-контрактов, которые соответствуют таким стандартам, как ERC-721 или ERC-1155.

Например, такие платформы, как OpenSea и Rarible, используют EVM для создания, покупки и продажи NFT. Когда пользователь приобретает NFT, EVM регистрирует передачу права собственности в блокчейне Ethereum, гарантируя покупателю проверяемую и неизменяемую запись о праве собственности. 

NFT изменили такие отрасли, как цифровое искусство и игры, позволив создателям токенизировать свои работы и продавать их напрямую коллекционерам, при этом все транзакции обрабатываются и защищаются EVM.

Реализации EVM с кросс-цепочками и несколькими цепочками

Виртуальная машина Ethereum (EVM) больше не ограничивается только Ethereum, поскольку теперь она обеспечивает работу приложений в нескольких блокчейнах благодаря кроссчейн и мультичейн реализациям.

EVM на других блокчейнах

Виртуальная машина Ethereum (EVM) используется различными блокчейнами за пределами Ethereum, что позволяет разработчикам создавать и запускать совместимые с Ethereum смарт-контракты в других сетях. 

Эти блокчейны реализуют EVM для поддержки тех же приложений на базе Solidity, что упрощает разработчикам развертывание dApps на разных платформах. Примеры:

• Умная сеть Binance (BSC)BSC — это блокчейн, совместимый с EVM, который позволяет разработчикам портировать децентрализованные приложения Ethereum с минимальными изменениями. Он обеспечивает более быстрые транзакции и более низкие комиссии по сравнению с Ethereum, что делает его привлекательным для некоторых децентрализованных приложений, таких как децентрализованные биржи (DEX) и платформы для фермерства.
• Полигон (ранее Matic)Polygon — это решение для масштабирования уровня 2 для Ethereum с поддержкой EVM, что позволяет децентрализованным приложениям Ethereum работать с более низкими комиссиями за транзакции и более быстрой обработкой. Оно широко используется в играх, на торговых площадках NFT и в приложениях DeFi.
• Лавина и Фантом: Avalanche и Fantom — это высокопроизводительные блокчейны, реализующие EVM, предоставляя разработчикам Ethereum возможность масштабировать свои приложения для новых сетей с большей скоростью и меньшими затратами.

Эти EVM-совместимые цепочки улучшают экосистему Ethereum, предоставляя альтернативные платформы с особыми преимуществами, такими как масштабируемость и доступность, сохраняя при этом совместимость с dApps на базе Ethereum.

EVM и решения уровня 2

Источник: BTSE

Решения второго уровня (Layer 2) строятся на основе Ethereum, чтобы помочь масштабировать сеть, снизить комиссию за транзакции и увеличить пропускную способность без изменения базового уровня (Layer 1).

Многие решения уровня 2 разработаны с учётом совместимости с EVM, что обеспечивает плавный переход для децентрализованных приложений, уже работающих на Ethereum. Ключевые примеры:

• Оптимистичные Своды: Такие решения, как Optimism и Arbitrum, используют оптимистичные роллапы для пакетной обработки нескольких транзакций вне блокчейна и отправки единого доказательства в основную цепочку Ethereum. Они совместимы с EVM, что позволяет разработчикам переносить смарт-контракты с минимальными изменениями.
• zk-накопительные пакеты: zk-Rollup-ы, такие как разработанные zkSync, используют доказательства с нулевым разглашением для проверки действительности транзакций вне блокчейна. Эти роллапы также совместимы с EVM и предназначены для снижения вычислительной нагрузки на Ethereum, сохраняя при этом безопасность.

Решения уровня 2 значительно снижают комиссии за газ и увеличивают пропускную способность сети Ethereum, при этом продолжая использовать EVM для исполнения контрактов, что делает их важными для стратегии масштабируемости Ethereum.

Эволюция EVM

Со временем EVM адаптировалась для преодоления своих ограничений благодаря таким разработкам, как Ethereum 2.0 и решениям уровня 2, обещающим более эффективную виртуальную машину.

Ограничения EVM

Виртуальная машина Ethereum зарекомендовала себя как мощный инструмент для децентрализованных приложений, но у нее есть определенные ограничения:

• Узкие места производительности: EVM обрабатывает транзакции последовательно, что может привести к замедлению выполнения, особенно в условиях перегрузки сети. Это приводит к высоким комиссиям за газ и задержкам в подтверждении транзакций.
• Неэффективность газа: Некоторые операции EVM требуют больших затрат газа, особенно при хранении и выполнении некоторых арифметических операций. Это ограничивает сложность смарт-контрактов, поскольку разработчикам приходится постоянно оптимизировать расходы газа, чтобы избежать чрезмерной дороговизны транзакций.
• Отсутствие распараллеливанияТекущая архитектура EVM не поддерживает параллельное выполнение транзакций, что означает, что все операции должны обрабатываться по одной. Это ограничивает масштабируемость и пропускную способность, особенно в условиях роста спроса на сеть Ethereum.

Эти ограничения стимулируют постоянные исследования и разработки, направленные на улучшение или замену частей EVM для повышения ее производительности, масштабируемости и эффективности.

Ethereum 2.0 и будущее EVM

С переходом на Ethereum 2.0 (ETH2) сеть Ethereum переходит от механизма консенсуса Proof-of-Work (PoW) к механизму консенсуса Proof-of-Stake (PoS).

Это обновление направлено на повышение масштабируемости, безопасности и энергоэффективности. Однако сама EVM не заменяется, а скорее эволюционирует для работы в этой новой экосистеме.

• Осколок цепи: В Ethereum 2.0 реализовано шардинг, при котором сеть разделяется на более мелкие цепочки (шарды), обрабатывающие транзакции параллельно. Это может снизить нагрузку и снизить комиссию за газ, но потребует корректировки взаимодействия EVM с этими цепочками шардов.
• Среды выполнения: В Ethereum 2.0 есть планы создать среды выполнения, которая будет работать вместе с EVM для поддержки более сложных приложений и позволит другим виртуальным машинам сосуществовать на Ethereum. 

Это может открыть путь к большей гибкости в исполнении смарт-контрактов и повышению производительности без кардинального изменения EVM.

Дорожная карта Ethereum 2.0 сигнализирует о сохранении роли EVM в будущем сети, но с улучшенной масштабируемостью и адаптивностью.

Инновации и обновления EVM

В настоящее время предпринимаются попытки усовершенствовать EVM, чтобы сделать его более эффективным и универсальным. Среди наиболее заметных инноваций:

• ЭВМ 384: Это предложение направлено на расширение собственных типов данных EVM, что позволит повысить эффективность криптографических операций, которые в настоящее время требуют больших затрат ресурсов. Расширение размера слова EVM может упростить некоторые вычисления, снизив стоимость сложных операций.
• eWASM (Ethereum WebAssembly): eWASM — это инициатива по замене EVM на WebAssembly (WASM), более современную и универсальную виртуальную машину. WASM быстрее, поддерживает параллельное выполнение и широко используется за пределами блокчейн-приложений. 

В случае полной реализации eWASM позволит Ethereum обрабатывать контракты более эффективно и откроет сеть для разработчиков, знакомых с основными языками программирования.

• Абстракция аккаунтаПредлагаемое обновление призвано упростить взаимодействие учётных записей и контрактов с сетью. Абстрагируя некоторые сложности, связанные с проверкой подписей и управлением транзакциями, это обновление позволит создавать более гибкие и удобные для пользователя смарт-контракты, расширяя функциональность EVM.

Эти нововведения направлены на обеспечение конкурентоспособности EVM и ее способности поддерживать рост Ethereum в долгосрочной перспективе.

Экосистема и инструменты EVM

Виртуальная машина Ethereum (EVM) располагает растущей экосистемой инструментов, призванных помочь разработчикам эффективно создавать, тестировать и оптимизировать смарт-контракты.

Инструменты разработчика для EVM

Для повышения эффективности и удобства работы с виртуальной машиной Ethereum (EVM) был создан широкий спектр инструментов разработчика. 

Эти инструменты помогают разработчикам писать, компилировать, развертывать и тестировать смарт-контракты, гарантируя их оптимизацию для производительности и безопасности. Вот некоторые из самых популярных инструментов:

• Ремикс IDERemix — это веб-интегрированная среда разработки (IDE) для написания и тестирования смарт-контрактов. Она поддерживает Solidity, основной язык программирования смарт-контрактов Ethereum, и предоставляет набор инструментов для отладки и развертывания. Благодаря простоте использования и гибкости, она широко используется как начинающими, так и опытными разработчиками.
• Люкс "Трюфель"Truffle — это фреймворк разработки, упрощающий процесс создания децентрализованных приложений (dApps). Он включает в себя набор библиотек для управления контрактами, запуска автоматизированных тестов и взаимодействия с блокчейном Ethereum. Truffle также интегрируется с другими инструментами, такими как Ganache, который локально симулирует блокчейн для тестирования.
• каскаHardhat — ещё одна популярная среда разработки, предлагающая обширные возможности для компиляции смарт-контрактов, отладки и запуска тестов. Она поддерживает Solidity и предлагает гибкие плагины, такие как возможность локального запуска EVM для ускорения итераций в процессе разработки.

Эти инструменты оптимизируют процесс разработки и помогают разработчикам эффективно создавать, тестировать и развертывать свои приложения на базе EVM.

Отладка и тестирование EVM

Отладка и тестирование являются важнейшими этапами в разработке смарт-контрактов, учитывая неизменяемую природу транзакций блокчейна. 

После внедрения смарт-контракта ошибки сложно исправить, поэтому тщательное тестирование крайне важно. Некоторые ключевые инструменты для отладки и тестирования включают:

• GanacheGanache, входящий в состав пакета Truffle, — это локальный эмулятор блокчейна, позволяющий разработчикам создавать собственную сеть Ethereum. Он имитирует работу блокчейна, позволяя разработчикам тестировать смарт-контракты без оплаты газа и ожидания подтверждений от основной сети Ethereum. Это делает его идеальным инструментом для тестирования функциональности контрактов в различных условиях.
• Hardhat DebuggerHardhat предоставляет встроенные инструменты отладки, позволяющие разработчикам поэтапно проверять выполнение смарт-контрактов. Это упрощает выявление проблем в логике или выявление возможных источников неэффективного расхода газа. Инструмент позволяет проводить тестирование в режиме реального времени в локальной сети, снижая риск развертывания ошибочных или неэффективных контрактов.
• Покрытие SoliditySolidity Coverage — это инструмент, который измеряет объём тестирования кода смарт-контракта. Это гарантирует, что критические функции и пограничные случаи будут охвачены тестированием, снижая риск появления необнаруженных уязвимостей в развёрнутом контракте.

Тщательное тестирование с использованием этих инструментов помогает предотвратить дорогостоящие ошибки и уязвимости безопасности в действующих контрактах.

Эмуляторы и симуляторы EVM

Эмуляторы и симуляторы EVM позволяют разработчикам имитировать среду выполнения сети Ethereum на своих локальных машинах. 

Эти инструменты помогают тестировать, настраивать производительность и отлаживать смарт-контракты перед их развертыванием в основной сети. Вот некоторые из наиболее распространённых симуляторов и эмуляторов:

• Ganache: Ganache — это эмулятор блокчейна, позволяющий разработчикам запускать локальный блокчейн Ethereum для тестирования транзакций, развертывания контрактов и мониторинга расхода газа в контролируемой среде. Разработчики могут моделировать взаимодействие с реальным миром, что помогает им оптимизировать свои децентрализованные приложения и контракты.
• EVM-игровая площадкаEVM Playground — это браузерный инструмент, позволяющий разработчикам писать, компилировать и выполнять байт-код EVM непосредственно в «песочнице». Это особенно полезно для разработчиков, желающих изучить поведение конкретных опкодов EVM или устранить неполадки в низкоуровневых контрактах.
• Этфиддл: EthFiddle — это лёгкий онлайн-инструмент, позволяющий пользователям экспериментировать с фрагментами кода Solidity в режиме реального времени. Разработчики могут быстро обмениваться фрагментами кода и тестировать их, что делает его инструментом для совместной работы по отладке и тестированию небольших фрагментов кода.

Эти эмуляторы и симуляторы необходимы для обеспечения ожидаемой работы смарт-контрактов до развертывания, что позволяет экономить время и ресурсы в процессе разработки.

Заключение

Виртуальная машина Ethereum (EVM) является основой блокчейна Ethereum, обеспечивая работу децентрализованных приложений, смарт-контрактов, платформ DeFi и NFT. 

Его кросс-чейн совместимость и роль в решениях уровня 2 подчеркивают его значимость в более широкой экосистеме блокчейнов. 

Однако он также сталкивается с ограничениями, такими как неэффективность использования газа и отсутствие распараллеливания, на решение которых направлены текущие обновления, такие как Ethereum 2.0, и инновации, такие как eWASM. 

Благодаря надежной экосистеме инструментов разработчика, систем отладки и эмуляторов EVM продолжает развиваться, гарантируя, что она останется ключевым двигателем для растущего децентрализованного ландшафта Ethereum.

По мере развития технологии блокчейн EVM будет продолжать адаптироваться и совершенствоваться, определяя будущее децентрализованных приложений и смарт-контрактов на различных платформах.

Часто задаваемые вопросы о виртуальной машине Ethereum (EVM) 

В этом разделе часто задаваемых вопросов рассматриваются некоторые распространенные вопросы, которые могут помочь вам сузить свой выбор:

Работает ли EVM на других блокчейнах?

Да, EVM совместима с множеством других блокчейнов, таких как Binance Smart Chain, Avalanche и Polygon, что позволяет им запускать приложения на базе Ethereum.

Какой язык программирования используется для EVM?

Основным языком программирования, используемым для EVM, является Solidity, который компилируется в байт-код EVM для выполнения в сети Ethereum.

Как EVM рассчитывает плату за газ?

EVM рассчитывает комиссию за газ на основе вычислительных ресурсов, необходимых для каждой транзакции или выполнения смарт-контракта, при этом более сложные операции требуют большего количества газа.

Может ли EVM выполнять любой тип кода?

Да, EVM является полной по Тьюрингу, то есть она может запустить любой вычислительный алгоритм при наличии достаточного времени и ресурсов.

Как решения уровня 2 улучшают EVM?

Решения уровня 2 совершенствуют EVM, разгружая транзакции из основной сети Ethereum, уменьшая перегрузку и снижая комиссии за газ.

Используется ли EVM во всех приложениях на базе Ethereum?

Да, все децентрализованные приложения (dApps) и смарт-контракты в сети Ethereum выполняются с использованием EVM.

Каким образом EVM обеспечивает безопасность смарт-контрактов?

EVM обеспечивает безопасность, выполняя смарт-контракты в изолированной среде, предотвращая влияние вредоносного кода на другие контракты или сеть.

Что такое коды операций EVM?

Коды операций EVM — это низкоуровневые инструкции, выполняемые EVM для выполнения таких задач, как математические операции, хранение данных и управление потоком в смарт-контрактах.