Was ist die Ethereum Virtual Machine (EVM) und wie führt sie Code aus?

Die Ethereum Virtual Machine (EVM) verstehen

1. Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ist eine dezentrale Laufzeitumgebung, die Smart Contracts auf der Ethereum-Blockchain ausführt. Es dient als zentrale Rechenmaschine hinter der Fähigkeit von Ethereum, programmierbare Transaktionen und dezentrale Anwendungen (dApps) zu unterstützen. Jeder Knoten im Ethereum-Netzwerk führt eine Instanz der EVM aus und sorgt so für einen Konsens im gesamten System.

2. Das EVM arbeitet mit einer stapelbasierten Architektur mit einer maximalen Stapeltiefe von 1024 Elementen. Es verarbeitet Anweisungen, die in Bytecode geschrieben sind, der aus höheren Programmiersprachen wie Solidity oder Vyper generiert wird. Diese intelligenten Vertragscodes werden in EVM-Opcodes kompiliert – Maschinenanweisungen auf niedriger Ebene, die das EVM interpretieren und ausführen kann.

3. Jeder Vorgang innerhalb des EVM verbraucht eine vordefinierte Menge Gas, die als Messmechanismus dient, um Endlosschleifen zu verhindern und böswillige Berechnungen abzuwehren. Benutzer müssen Gasgebühren in Ether (ETH) zahlen, um Transaktionen auszuführen oder Verträge bereitzustellen, um sicherzustellen, dass Netzwerkressourcen effizient und fair genutzt werden.

4. Die EVM bleibt vollständig vom Host-Betriebssystem und Netzwerk isoliert und bietet so eine sichere Sandbox-Umgebung für die Codeausführung. Dieses Design verhindert, dass Smart Contracts direkt auf externe Systeme zugreifen, und verringert so Schwachstellen im Zusammenhang mit Dateisystemen, Netzwerken oder anderen Prozessen.

5. Statusänderungen auf Ethereum – wie die Aktualisierung des Kontostands oder die Änderung des Speichers – werden nur dann abgeschlossen, wenn die Transaktion erfolgreich abgeschlossen wurde. Wenn während der Ausführung ein Fehler auftritt, werden alle Statusänderungen rückgängig gemacht, wodurch die Datenintegrität in der gesamten Blockchain gewahrt bleibt.

Wie die EVM Smart Contract Code ausführt

1. Wenn ein Benutzer eine Transaktion sendet, um einen Smart Contract bereitzustellen oder mit ihm zu interagieren, wird die Anfrage über das Peer-to-Peer-Netzwerk von Ethereum gesendet. Miner oder Validatoren holen die Transaktion ab und fügen sie zur Verarbeitung in einen Block ein.

2. Vor der Ausführung initialisiert das EVM eine neue Ausführungsumgebung, die Informationen wie Absenderadresse, Empfängeradresse, Eingabedaten, Gaslimit und zu übertragender Wert enthält. Dieser Kontext definiert die Bedingungen, unter denen der Code ausgeführt wird.

3. Der Bytecode des Vertrags wird in den Speicher geladen und die EVM beginnt, jeden Opcode nacheinander zu verarbeiten. Operationen können arithmetische Berechnungen, die Manipulation von Daten im Arbeitsspeicher oder persistenten Speicher, das Aufrufen anderer Verträge oder das Auslösen von Ereignissen umfassen.

4. Während der Ausführung verfolgt das EVM den Gasverbrauch nach jedem Vorgang. Wenn das verfügbare Gas zu irgendeinem Zeitpunkt unter Null fällt, wird die Ausführung sofort angehalten und die Transaktion schlägt fehl. Die Gasgebühr wird jedoch weiterhin erhoben, da vom Netz Rechenarbeit geleistet wurde.

5. Nach erfolgreichem Abschluss werden alle am Ethereum-Status vorgenommenen Änderungen – wie das Schreiben in den Vertragsspeicher oder die Übertragung von Geldern – dauerhaft übernommen. Protokolle im Zusammenhang mit Ereignisemissionen werden ebenfalls aufgezeichnet und können später von dApps oder Indexierungsdiensten abgefragt werden.

Die Rolle von Gas und Opcodes im EVM-Betrieb

1. Gas ist eine entscheidende Komponente der EVM-Funktionalität und fungiert als Einheit des Rechenaufwands. Jeder Opcode hat spezifische Gaskosten, die durch seine Komplexität und Ressourcennutzung bestimmt werden. Einfache Vorgänge wie das Hinzufügen erfordern nur minimalen Gasverbrauch, während Speicherschreibvorgänge oder kryptografische Funktionen deutlich mehr erfordern.

2. Entwickler müssen ihren Smart-Contract-Code sorgfältig optimieren, um den Gasaufwand zu minimieren, insbesondere bei der Bereitstellung umfangreicher Anwendungen. Ineffizienter Code erhöht nicht nur die Kosten, sondern kann auch dazu führen, dass Interaktionen für Endbenutzer unerschwinglich werden.

3. Die EVM erzwingt einen strikten Determinismus: Bei gleichen Eingaben und gleichem Anfangszustand muss jeder Knoten zum exakt gleichen Ergebnis kommen. Dies stellt die Konsistenz im gesamten verteilten Netzwerk sicher und verhindert Forks aufgrund unterschiedlicher Ausführungsergebnisse.

4. Spezielle Opcodes wie CALL, DELEGATECALL und STATICCALL ermöglichen die Interaktion von Verträgen untereinander. Diese vertragsübergreifende Kommunikation ermöglicht modulare Designs, bei denen komplexe Logik auf mehrere zusammenarbeitende Verträge aufgeteilt wird.

5. Trotz seiner Macht erlegt das EVM Einschränkungen auf, um Sicherheit und Vorhersehbarkeit zu gewährleisten. Beispielsweise gibt es keine native Unterstützung für Gleitkomma-Arithmetik und eine Rekursion wird durch Gaseinschränkungen und Aufruftiefenbeschränkungen effektiv verhindert.

Häufig gestellte Fragen

Was passiert, wenn einem Smart Contract das Benzin ausgeht? Wenn ein Smart Contract während der Ausführung sein zugewiesenes Gaslimit überschreitet, stoppt die EVM die Verarbeitung sofort. Alle Statusänderungen werden rückgängig gemacht, aber die Transaktion bleibt auf der Blockchain als fehlgeschlagen und der Absender verliert den für die Berechnung bezahlten Betrag.

Kann die EVM Code aus jeder Programmiersprache ausführen? Die EVM selbst versteht nur Bytecode. Hochsprachen wie Solidity, Vyper oder Yul müssen vor der Bereitstellung auf EVM-kompatiblen Bytecode kompiliert werden. Solange ein Compiler vorhanden ist, der die Sprache in gültige Opcodes übersetzt, schränkt die Quellsprache die Ausführung nicht ein.

Ist die EVM Turing-vollständig? Die EVM ist quasi-Turing-vollständig. Es unterstützt zwar Schleifenbildung und bedingte Logik, das Vorhandensein von Gasgrenzwerten verhindert jedoch unendliche Berechnungen. Diese Designwahl opfert die vollständige Turing-Vollständigkeit, um eine praktische Beendigung aller Ausführungen sicherzustellen.