Ethereum Virtual Machine (EVM)

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Die physische Überschreibung der EVM kann nicht auf dieselbe Weise beschrieben werden, wie eine Wolke oder Ozeanwelle. Sie existiert vielmehr als eine zusammenhängende Einheit, die von tausenden verbundenen Computern, die einen Ethereum-Client laufen lassen, aufrechterhalten wird.

Das Ethereum-Protokoll selbst besteht ausschließlich zu dem Zweck, den kontinuierlichen, ununterbrochenen und unveränderlichen Betrieb dieser speziellen Zustandsmaschine aufrechtzuerhalten. Es ist das Umfeld, in dem alle Ethereum-Konten und Smart Contracts existieren. Bei jedem Block in der Kette hat Ethereum genau einen "kanonischen" Zustand und die EVM definiert die Regeln für die Berechnung eines neuen gültigen Zustands von Block zu Block.

Voraussetzungen

Um den EVM zu verstehen, sind ein paar grundlegende Kenntnisse der gängigen Informatikterminologie wie Bytes(opens in a new tab), Speicher(opens in a new tab) und Stack(opens in a new tab) notwendig. Es wäre auch hilfreich, wenn du dich mit Kryptografie-/Blockchain-Konzepten wie Hash-Funktionen(opens in a new tab), Proof-of-Work(opens in a new tab) und dem Merkle-Baum(opens in a new tab) auskennst.

Vom Ledger zur Zustandsmaschine

Die Analogie eines 'verteilten Schalters' wird oft verwendet, um Blockchains wie Bitcoin zu beschreiben, die eine dezentrale Währung mit grundlegenden Tools der Kryptographie ermöglichen. Eine Kryptowährung verhält sich wie eine "normale" Währung, da es Regeln gibt, die bestimmen, was man tun kann und was nicht, um den Ledger zu verändern. Zum Beispiel kann eine Bitcoin-Adresse nicht mehr Bitcoin ausgeben, als sie zuvor erhalten hat. Diese Regeln untermauern alle Transaktionen auf Bitcoin und vielen anderen Blockchains.

Während Ethereum seine eigene native Kryptowährung (Ether) hat, die fast genau den gleichen intuitiven Regeln folgt, ermöglicht es auch eine wesentlich leistungsfähigere Funktion: Smart Contracts. Für diese komplexere Funktion ist eine ausgeklügeltere Analogie erforderlich. Anstelle eines verteilten Ledgers ist Ethereum eine verteilte Zustandsmaschine(opens in a new tab). Ethereums Zustand ist eine große Datenstruktur, die nicht nur alle Konten und Kontostände enthält, sondern einen Maschinenzustand, der nach einer vordefinierten Reihe von Regeln von Block zu Block wechselt und beliebigen Maschinencode ausführen kann. Die spezifischen Regeln für das Ändern des Zustands von Block zu Block werden vom EVM definiert.

(opens in a new tab) Diagramm angepasst von Ethereum EVM illustriert(opens in a new tab)

Ethereum-Zustandsübergangsfunktion

Die EVM verhält sich wie eine mathematische Funktion: Mit einer Eingabe, erzeugt sie eine deterministische Ausgabe. Folglich ist es sehr hilfreich, Ethereum formaler als eine Zustandsübergangsfunktion enthaltend zu beschreiben:

1Y(S, T)= S'
2

Bei einem alten gültigen Zustand (S) und einem neuen Satz gültiger Transaktionen (T) erzeugt die Ethereum-Statusübergangsfunktion Y(S, T) einen neuen gültigen Ausgabezustand S'.

Zustand

Im Rahmen von Ethereum ist der Zustand eine enorme Datenstruktur, die eine modifizierte Merkle-Patricia-Trie(opens in a new tab) genannt wird, die alle Konten durch Hashes verbunden hält und mit einem einzigen Root-Hash in der Blockchain abrufbar ist.

Transaktionen

Transaktionen sind kryptographisch signierte Anweisungen von Konten. Es gibt zwei Arten von Transaktionen: solche, die zu Nachrichtenanrufen führen, und solche, die zur Erstellung von Verträgen führen.

Die Erstellung von Verträgen führt zur Erstellung eines neuen Vertragskontos mit zusammengestelltem Smart-Contract-Bytecode. Immer wenn ein anderes Konto einen Nachrichtenaufruf an diesen Vertrag stellt, führt es seinen Bytecode aus.

EVM-Anweisungen

Die EVM wird als Stackmaschine(opens in a new tab) mit einer Tiefe von 1024 Artikeln ausgeführt. Jedes Element ist ein 256-Bit-Wort, das für die einfache Verwendung mit 256-Bit-Kryptographie (wie Keccak-256-Hashes oder secp256k1-Signaturen) gewählt wurde.

Während der Ausführung behält die EVM einen transienten -Speicher (als wortadressiertes Byte-Array), der zwischen Transaktionen nicht vorhanden ist.

Verträge enthalten jedoch eine Merkle-Patricia-Speicher-Trie (als wortadressierbares Wort-Array), mit der das betreffende Konto und ein Teil des globalen Zustands verbunden sind.

Kompilierter Smart-Contract-Bytecode wird als eine Anzahl von EVM-Opcodes ausgeführt, die standardmäßige Stackoperationen wie XOR, UND, ADD, SUB etc. ausführen. Die EVM implementiert auch eine Reihe von Blockchain-spezifischen Stack-Operationen, wie ADDRESS, BALANCE, BLOCKHASH usw.

(opens in a new tab) Diagramm angepasst von Ethereum EVM illustriert(opens in a new tab)

EVM-Implementierungen

Alle Implementierungen der EVM müssen sich nach der im Yellowpaper von Ethereum beschriebenen Spezifikation richten.

Während der fünfjährigen Geschichte von Ethereum hat die EVM mehrere Revisionen durchlaufen und es gibt mehrere Implementierungen der EVM in verschiedenen Programmiersprachen.

Alle Ethereum-Clients enthalten eine EVM-Implementierung. Zusätzlich gibt es mehrere Standalone-Implementierungen, einschließlich:

Py-EVM(opens in a new tab) - Python
evmone(opens in a new tab) - C++
ethereumjs-vm(opens in a new tab) - JavaScript
eEVM(opens in a new tab) - C++

Weiterführende Informationen

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