Як працює Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Ethereum відомий не лише як друга за капіталізацією криптовалюта, а й як перший масовий програмований блокчейн. Саме можливість запускати смарт-контракти, створювати DeFi-протоколи, NFT-маркетплейси, DAO та інші децентралізовані застосунки зробила його основою цілої Web3-екосистеми. У центрі цієї програмованості стоїть Ethereum Virtual Machine (EVM) — віртуальна машина, яка виконує код смарт-контрактів і визначає, як змінюється стан мережі.

У цьому матеріалі ми детально розберемося, що таке EVM, як вона влаштована, з чого складається її архітектура, як виконується байткод, навіщо потрібен gas, які є типи акаунтів та стану, що таке opcodes, чому EVM-сумісність стала стандартом для нових блокчейнів, а також яким може бути майбутнє EVM в умовах масштабування Ethereum.

1. Що таке Ethereum Virtual Machine простими словами

Ethereum Virtual Machine — це абстрактна обчислювальна машина, яка виконує код смарт-контрактів у мережі Ethereum. Вона працює поверх блокчейна і забезпечує:

• однаковий результат виконання коду на всіх нодах мережі;
• ізоляцію та безпеку виконання смарт-контрактів;
• управління станом усіх акаунтів і контрактів;
• обмеження ресурсів за допомогою механізму gas.

Якщо спростити, EVM часто називають глобальним децентралізованим комп’ютером. Кожен вузол мережі Ethereum запускає свою локальну копію EVM, яка виконує однакові інструкції і таким чином синхронно підтримує один і той самий стан блокчейна.

2. Основні функції EVM

EVM виконує кілька фундаментальних функцій, без яких Ethereum не був би тим, чим він є сьогодні:

• Виконання смарт-контрактів. Увесь код, написаний на Solidity, Vyper чи інших мовах, компілюється в байткод, який виконується саме EVM.
• Визначення переходів стану. Кожна транзакція — це перехід від одного глобального стану мережі до іншого; EVM відповідає за його коректність.
• Робота з акаунтами. Вона керує акаунтами користувачів і контрактів, їхнім балансом ETH, nonce, кодом та сховищем.
• Облік gas. EVM рахує, скільки обчислювальних ресурсів споживає кожна операція, і забезпечує обмеження.
• Детермінованість виконання. Одна й та сама транзакція повинна на всіх нодах мати один і той самий результат.

3. Архітектура EVM: основні компоненти

EVM — це стекова віртуальна машина, яка працює подібно до простого процесора. Вона оперує з декількома ключовими структурами даних та абстракціями.

3.1. Акаунти в EVM

В Ethereum є два типи акаунтів:

Вартість транзакції у ETH визначається формулою:

Вартість транзакції = Gas Used × Gas Price

Користувач задає max gas (gas limit) і gas price (або max fee), а мережа обчислює, скільки реально було витрачено. Якщо gas закінчується раніше, ніж виконався контракт, транзакція revert’иться, але витрачений gas не повертається (лише невикористана частина відшкодовується, в залежності від моделі).

5. Як EVM виконує смарт-контракт: покроковий приклад

5.1. Крок 1: Формування та підпис транзакції

Користувач (EOA) формує транзакцію: вказує адресу контракту, який потрібно викликати, дані виклику (encoded функція + аргументи), gas limit, max fee тощо. Транзакція підписується приватним ключем.

5.2. Крок 2: Потрапляння в mempool

Після підпису транзакція надсилається в мережу та потрапляє в mempool — список усіх транзакцій, які очікують на включення в блок. Валідатори відбирають транзакції з більш вигідними комісіями.

5.3. Крок 3: Обробка транзакції валідатором

Коли валідатор (в Ethereum після переходу на Proof of Stake) формує блок, він послідовно виконує транзакції в EVM. Для кожної транзакції:

• перевіряється підпис і коректність структури;
• перевіряється, чи достатньо балансу для оплати gas;
• оновлюється nonce акаунта;
• код контракту завантажується в EVM.

5.4. Крок 4: Виконання байткоду

EVM розпочинає виконання опкодів контракту. Кожна інструкція:

• читає/записує дані зі стеку, пам’яті або сховища;
• змінює внутрішній стан машини;
• зменшує доступний баланс gas.

Якщо під час виконання стається помилка або газ закінчується, транзакція вважається невдалою, а зміни в стані (за винятком оплати gas) відкатуються.

5.5. Крок 5: Оновлення глобального стану

Після успішного виконання контракта EVM формує новий стан:

• оновлюються баланси акаунтів;
• змінюється сховище контрактів;
• створюються логи (події), доступні через RPC і індексатори;
• оновлюється корінь дерева станів (state root) блоку.

Новий блок із оновленим станом розсилається іншим нодам, які повторно виконують ті самі транзакції і повинні отримати той самий результат. Якщо результат відрізняється — блок відкидається.

6. Модель стану Ethereum та роль EVM

Стан Ethereum описується як набір акаунтів і зв’язків між ними. Внутрішньо він зберігається у вигляді деревоподібних структур (Merkle Patricia Trie), що дозволяє швидко перевіряти цілісність даних і формувати «криптографічні відбитки» стану.

EVM виступає як машина станів: на вхід подається попередній стан та набір транзакцій, а на виході отримуємо новий стан. Важливо, що цей процес строго детермінований: немає випадкових елементів, які могли б змінити результат виконання.

7. Мови програмування та EVM: Solidity, Vyper та інші

Хоча EVM працює лише з байткодом, розробники рідко пишуть контракти безпосередньо на рівні opcodes. Замість цього використовуються високорівневі мови, які компілюються в EVM-байткод.

• Solidity — найпопулярніша мова для Ethereum, схожа на JavaScript/TypeScript.
• Vyper — більш стримана мова з синтаксисом, подібним до Python, зі спрощеною моделлю безпеки.
• Yul — проміжна низькорівнева мова, ближча до EVM-байткоду.

Процес виглядає так: розробник пише контракт на Solidity → компілятор (наприклад, solc) перетворює код у байткод → під час деплою байткод записується в акаунт контракту → при виклику EVM читає цей байткод і виконує його.

8. Переваги EVM як обчислювальної моделі

Ethereum Virtual Machine має низку важливих переваг, завдяки яким вона стала стандартом де-факто:

• Універсальність. EVM — Turing-complete машина: у теорії на ній можна реалізувати будь-яку логіку.
• Децентралізація. Одна й та сама логіка виконується на тисячах вузлів без єдиного центру контролю.
• Безпека. Ізоляція виконання, обмеження gas, чітка модель стану.
• Сумісність між блокчейнами. Багато ланцюгів реалізували EVM-сумісність, що дозволяє запускати той самий код у різних мережах.
• Величезна екосистема. Інструменти, бібліотеки, фреймворки, гігантська кількість прикладів і готових рішень.

9. Обмеження та недоліки EVM

Разом з тим у EVM є й слабкі сторони:

• Обмежена продуктивність. Усі ноди мають повторювати виконання коду, тому складні обчислення обходяться дорого.
• Висока вартість зберігання даних. Постійне сховище дуже дороге, що змушує розробників економити кожен байт.
• Ризики помилок у контрактах. Смарт-контракти незворотні: одна помилка в коді може коштувати мільйони.
• Ізоляція від зовнішнього світу. Контракти не можуть напряму звертатися до HTTP-API чи баз даних — потрібні оракули.

10. EVM-сумісні блокчейни

Популярність EVM призвела до того, що інші блокчейни почали реалізовувати сумісність з нею, щоб залучити існуючих розробників і проєкти з Ethereum. Це дозволяє деплоїти ті самі смарт-контракти без значних змін.

Найвідоміші EVM-сумісні мережі:

• BNB Chain;
• Polygon (PoS chain);
• Avalanche C-Chain;
• Fantom;
• Arbitrum, Optimism (L2 для Ethereum);
• Gnosis Chain та інші.

Сумісність із EVM стала свого роду «золотим стандартом» для нових ланцюгів, адже розробникам не потрібно вивчати нові мови чи інструменти — достатньо знати Solidity.

11. Безпека смарт-контрактів і роль EVM

Хоч EVM забезпечує детерміноване виконання та обмеження ресурсів, безпека контрактів значною мірою залежить від розробника. EVM не «розуміє», чи відповідає логіка контракту економічним очікуванням: вона просто виконує байткод.

Типові вразливості смарт-контрактів:

• reentrancy-атаки (повторний вхід у функцію до завершення попереднього виклику);
• integer overflow/underflow (для старих версій Solidity без вбудованих перевірок);
• неправильні права доступу (відсутність onlyOwner, неочевидні backdoor’и);
• маніпуляції з ціною через оракул (oracle manipulation);
• логічні помилки бізнес-логіки (невірна формула, порядок викликів тощо).

Для зменшення ризиків використовуються аудити смарт-контрактів, формальна верифікація, стандартизовані бібліотеки (наприклад OpenZeppelin) та обмежувальні шаблони коду.

12. Майбутнє EVM: масштабування та еволюція

Ethereum активно рухається в напрямку масштабування та підвищення ефективності. Це напряму впливатиме й на роль EVM.

12.1. L2-рішення та rollups

Все більше обчислень виноситься на Layer 2 (Arbitrum, Optimism, zkSync, Scroll тощо), які часто зберігають сумісність із EVM або навіть реалізують zkEVM — докази коректності виконання EVM-коду за допомогою zero-knowledge proof.

12.2. eWASM і потенційна заміна EVM

Уже кілька років обговорюється перехід від EVM до eWASM (Ethereum-flavored WebAssembly), який потенційно може:

• бути швидшим та ефективнішим;
• підтримувати більше мов програмування;
• мати гнучкішу модель виконання.

Водночас EVM має настільки велику екосистему, що повна й швидка міграція малоймовірна. Натомість можлива поетапна інтеграція або гібридні моделі.

13. Висновок

Ethereum Virtual Machine — це фундамент, на якому побудовано весь сучасний Ethereum та значна частина мультичейн-екосистеми Web3. Вона визначає, як виконуються смарт-контракти, як змінюється стан мережі, як обліковуються ресурси та як забезпечуються детермінованість і безпека виконання.

Розуміння принципів роботи EVM — критично важливе для розробників смарт-контрактів, архітекторів DeFi-протоколів, аудиторів безпеки та всіх, хто серйозно працює з Ethereum або EVM-сумісними мережами. Знання про стек, пам’ять, сховище, gas, транзакції, типи акаунтів та модель стану дозволяють писати ефективніший, безпечніший та дешевший у виконанні код.

У найближчі роки роль EVM навряд чи зменшиться: навпаки, завдяки розвитку rollups, zkEVM та інфраструктури L2, вона може стати ще важливішою як спільний стандарт для множини блокчейн-мереж, що формують єдину програмовану економіку.