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

Kernarchitektur des EVM

1. Die Ethereum Virtual Machine fungiert als deterministische Sandbox-Laufzeitumgebung, die in jeden Ethereum-Knoten eingebettet ist.

2. Es ist als stapelbasierte virtuelle Maschine mit einer Wortgröße von 256 Bit implementiert, optimiert für kryptografische Operationen und Zustandsübergänge.

3. Jede EVM-Instanz isoliert die Vertragsausführung vom zugrunde liegenden Hostsystem und verhindert so den direkten Zugriff auf Dateisysteme, Netzwerke oder externe Prozesse.

4. Der Speicher im EVM ist flüchtig und als byteadressierbares lineares Array organisiert, während der Speicher persistent ist und dem globalen Statusversuch der Blockchain zugeordnet ist.

5. Die Ausführung beginnt mit einem festen Gaslimit, das vom Transaktionssender zugewiesen wird, und jeder Opcode verbraucht vordefinierte Gaskosten, um Endlosschleifen und Ressourcenerschöpfung zu verhindern.

Bytecode-Kompilierung und Bereitstellung

1. Intelligente Verträge, die in Hochsprachen wie Solidity geschrieben sind, werden mithilfe von Tools wie solc in EVM-Bytecode kompiliert.

2. Dieser Bytecode besteht aus Opcodes – Low-Level-Anweisungen wie PUSH1 , SSTORE und RETURN –, die jeweils einer Einzelbyte-Kennung zugeordnet sind.

3. Während der Bereitstellung veranlasst die Erstellungstransaktion die EVM zur Ausführung des Konstruktorcodes und speichert dann den resultierenden Laufzeitbytecode an einer neu abgeleiteten Adresse.

4. Der Code des bereitgestellten Vertrags wird unveränderlich; Jeder nachfolgende Aufruf ruft diesen gespeicherten Bytecode ohne Neukompilierung auf.

5. Das EVM überprüft die Gültigkeit des Bytecodes vor der Ausführung und weist Sequenzen zurück, die undefinierte oder fehlerhafte Opcodes enthalten.

Transaktionsgesteuerter Ausführungsablauf

1. Jede Vertragsinteraktion geht von einem externen Konto (EOA) aus, das eine signierte Transaktion für eine bestimmte Vertragsadresse initiiert.

2. Die EVM lädt den Bytecode des Zielvertrags und initialisiert einen neuen Ausführungskontext mit Anruferadresse, übertragenem Wert, Anrufdaten und verbleibendem Gas.

3. Die Ausführung erfolgt Anweisung für Anweisung: Lesen aus Aufrufdaten, Ändern des Speichers, Ausführen von Arithmetik und Verzweigung über bedingte Sprünge.

4. Wenn eine Operation fehlschlägt – beispielsweise eine Division durch Null, kein Gas mehr oder ein ungültiges Sprungziel – macht die EVM alle während dieser Transaktion vorgenommenen Statusänderungen rückgängig.

5. Bei erfolgreicher Ausführung werden Protokolle ausgegeben, der Speicher aktualisiert und möglicherweise verschachtelte Aufrufe anderer Verträge ausgelöst, die jeweils auf ihren eigenen isolierten Stapel- und Speicherbereich beschränkt sind.

Gasbuchhaltung und staatliche Integrität

1. Gas dient sowohl als rechnerischer Preismechanismus als auch als Sicherheitsgrenze; Jeder Opcode zieht vor der Ausführung Gas ab, und bei unzureichendem Gas wird die Verarbeitung sofort angehalten.

2. Speicherschreibvorgänge verursachen deutlich höhere Gaskosten als Speichervorgänge, was ihre Beständigkeit im Weltzustand widerspiegelt.

3. Die EVM erzwingt strikten Determinismus: Identische Eingaben, gleicher Vertragscode und identischer Vorzustand führen immer zu identischem Nachzustand und Ausgang.

4. Es sind keine zufälligen oder zeitbasierten Werte nativ zugänglich. Blocknummer und Zeitstempel sind schreibgeschützte Umgebungsvariablen, die zum Zeitpunkt des Aufrufs eingefügt werden.

5. Alle Zustandsänderungen werden stapelweise durchgeführt und erst dann an den globalen Zustandsversuch übergeben, wenn die vollständige Transaktionsausführung ausnahmslos abgeschlossen ist.

Häufig gestellte Fragen

F: Kann der EVM-Bytecode durch Reverse Engineering in eine lesbare Solidity-Quelle umgewandelt werden? A: Die Dekompilierung liefert eine ungefähre Logik, kann jedoch aufgrund eines irreversiblen Kompilierungsverlusts die ursprünglichen Variablennamen, Kommentare oder Abstraktionen auf hoher Ebene nicht wiederherstellen.

F: Warum verwendet die EVM 256-Bit-Wörter anstelle von 64-Bit oder 128-Bit? A: 256-Bit stimmt mit den kryptografischen Grundprinzipien von Ethereum überein – Keccak-256-Hashing, ECDSA-Signaturen und Merkle-Proofs –, die alle mit 32-Byte-Blöcken arbeiten.

F: Was passiert, wenn sich ein Vertrag selbst zerstört? A: Das EVM entfernt den Vertragscode und den Speicher aus dem Staatsvertrag, erstattet das verbleibende Gas und überweist den gesamten Restbetrag an eine bestimmte Empfängeradresse.

F: Ist die EVM-Ausführung knotenübergreifend parallelisierbar? A: Nein. Ethereum erzwingt eine sequentielle, deterministische Ausführung pro Block; Knoten wiederholen Transaktionen eine nach der anderen in kanonischer Reihenfolge, um einen Konsens über den Endzustand zu erzielen.