Qu'est-ce que la machine virtuelle Ethereum (EVM) et comment exécute-t-elle le code ?

Comprendre la machine virtuelle Ethereum (EVM)

1. La machine virtuelle Ethereum (EVM) est un environnement d'exécution décentralisé qui exécute des contrats intelligents sur la blockchain Ethereum. Il constitue le moteur de calcul principal derrière la capacité d'Ethereum à prendre en charge les transactions programmables et les applications décentralisées (dApps). Chaque nœud du réseau Ethereum exécute une instance de l'EVM, garantissant ainsi un consensus dans l'ensemble du système.

2. L'EVM fonctionne à l'aide d'une architecture basée sur une pile avec une profondeur de pile maximale de 1 024 éléments. Il traite les instructions écrites en bytecode, générées à partir de langages de programmation de haut niveau comme Solidity ou Vyper. Ces codes de contrat intelligent sont compilés en opcodes EVM, des instructions machine de bas niveau que l'EVM peut interpréter et exécuter.

3. Chaque opération au sein de l'EVM consomme une quantité prédéfinie de gaz, qui agit comme un mécanisme de mesure pour éviter les boucles infinies et dissuader les calculs malveillants. Les utilisateurs doivent payer des frais de gaz en Ether (ETH) pour exécuter des transactions ou déployer des contrats, garantissant ainsi que les ressources du réseau sont utilisées efficacement et équitablement.

4. L'EVM maintient une isolation complète du système d'exploitation hôte et du réseau, fournissant ainsi un environnement sandbox sécurisé pour l'exécution du code. Cette conception empêche les contrats intelligents d'accéder directement aux systèmes externes, réduisant ainsi les vulnérabilités liées aux systèmes de fichiers, aux réseaux ou à d'autres processus.

5. Les changements d'état sur Ethereum, tels que la mise à jour des soldes des comptes ou la modification du stockage, ne sont finalisés que si la transaction se termine avec succès. Si une erreur se produit pendant l'exécution, toutes les modifications d'état sont annulées, préservant ainsi l'intégrité des données dans la blockchain.

Comment l'EVM exécute le code du contrat intelligent

1. Lorsqu'un utilisateur envoie une transaction pour déployer ou interagir avec un contrat intelligent, la demande est diffusée sur le réseau peer-to-peer Ethereum. Les mineurs ou les validateurs récupèrent la transaction et l'incluent dans un bloc pour traitement.

2. Avant l'exécution, l'EVM initialise un nouvel environnement d'exécution contenant des informations telles que l'adresse de l'expéditeur, l'adresse du destinataire, les données d'entrée, la limite de gaz et la valeur transférée. Ce contexte définit les conditions dans lesquelles le code s'exécutera.

3. Le bytecode du contrat est chargé en mémoire et l'EVM commence à traiter chaque opcode de manière séquentielle. Les opérations peuvent impliquer des calculs arithmétiques, la manipulation de données en mémoire ou dans un stockage persistant, l'appel d'autres contrats ou le déclenchement d'événements.

4. Pendant l'exécution, l'EVM suit la consommation de gaz après chaque opération. Si le gaz disponible tombe en dessous de zéro à un moment donné, l'exécution s'arrête immédiatement et la transaction échoue. Cependant, les frais de gaz restent facturés car un travail de calcul a été effectué par le réseau.

5. Une fois terminé, toute modification apportée à l'état d'Ethereum, comme l'écriture d'un contrat de stockage ou le transfert de fonds, est validée de manière permanente. Les journaux associés aux émissions d'événements sont également enregistrés et peuvent être interrogés ultérieurement par des dApps ou des services d'indexation.

Le rôle du gaz et des opcodes dans les opérations EVM

1. Le gaz est un composant essentiel de la fonctionnalité EVM, agissant comme une unité d'effort de calcul. Chaque opcode a un coût de gaz spécifique déterminé par sa complexité et son utilisation des ressources. Des opérations simples comme l’addition nécessitent un minimum de gaz, tandis que les écritures de stockage ou les fonctions cryptographiques en demandent beaucoup plus.

2. Les développeurs doivent soigneusement optimiser leur code de contrat intelligent pour minimiser les dépenses en gaz, en particulier lors du déploiement d'applications à grande échelle. Un code inefficace augmente non seulement les coûts, mais peut également rendre les interactions prohibitives pour les utilisateurs finaux.

3. L'EVM applique un déterminisme strict : étant donné les mêmes entrées et le même état initial, chaque nœud doit arriver exactement au même résultat. Cela garantit la cohérence sur l’ensemble du réseau distribué et évite les bifurcations dues à des résultats d’exécution divergents.

4. Des opcodes spéciaux comme CALL, DELEGATECALL et STATICCALL permettent aux contrats d'interagir les uns avec les autres. Ces communications inter-contrats permettent des conceptions modulaires, où la logique complexe est répartie sur plusieurs contrats travaillant en tandem.

5. Malgré sa puissance, l’EVM impose des limites pour maintenir la sécurité et la prévisibilité. Par exemple, il n'existe pas de support natif pour l'arithmétique à virgule flottante, et la récursion est efficacement empêchée grâce aux contraintes de gaz et aux limites de profondeur d'appel.

Foire aux questions

Que se passe-t-il lorsqu’un contrat intelligent tombe à court de gaz ? Lorsqu'un contrat intelligent dépasse la limite de gaz allouée lors de l'exécution, l'EVM arrête immédiatement le traitement. Tous les changements d'état sont annulés, mais la transaction reste sur la blockchain comme ayant échoué et l'expéditeur perd le gaz payé pour le calcul.

L'EVM peut-il exécuter du code à partir de n'importe quel langage de programmation ? L'EVM lui-même ne comprend que le bytecode. Les langages de haut niveau comme Solidity, Vyper ou Yul doivent être compilés en bytecode compatible EVM avant le déploiement. Tant qu'un compilateur existe pour traduire le langage en opcodes valides, le langage source ne restreint pas l'exécution.

L'EVM Turing est-il complet ? L'EVM est quasi-Turing-complet. Bien qu'il prenne en charge le bouclage et la logique conditionnelle, la présence de limites de gaz empêche les calculs infinis. Ce choix de conception sacrifie la complétude totale de Turing pour garantir une terminaison pratique de toutes les exécutions.