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EVM

yinhui included in Blockchain
   4039 words   9 minutes 

一些关于EVM的学习笔记

什么是EVM

在web3的的L0中, 涉及到一个概念 Platform neutral language (有些地方也写做 Platform-neutral computation description language ) 平台中立的计算描述语言, 指一种在不同物理平台（架构、操作系统等）上执行相同程序的方法。

我们知道, 任何一个区块链都需要N个节点按照一定的规则来执行相同的运算, 可以想象成一个平台, 这个平台和硬件以及编程语言都不是强相关的, 在以太坊中, 其采用了虚拟机的形式. 它和我们平时用的VMware有些类似, 但又不同, 因为EVM是分布式的. 另外, 我们很多时候讨论EVM更多的是说的一套规则, 而不是某个具体的EVM实现, EVM的具体实现有很多, 比如golang实现的go-ethereum , c++实现的cpp-ethereum 等等, 更多的参考这里: https://github.com/pirapira/awesome-ethereum-virtual-machine

简言之, EVM提供了一个虚拟的沙盒环境, 为以太坊区块链提供了 一系列的功能

EVM的主要功能

分布式数据库

在其最基本的形式中，以太坊虚拟机是一个大型的分布式数据库，

  1. 用于保存以太坊的所有账户和余额 .

注: 以太坊使用的账户/余额模型, 而不是BTC的UTXO

基于账户的交易模式将资产表示为账户内的余额，类似于银行账户。以太坊使用这种交易模式。有两种不同类型的账户:

  • 私钥控制的用户账户
  • 合约代码控制的账户。

当你创建一个以太币钱包并收到你的第一笔交易时，一个私钥控制的账户被添加到全局状态并存储在网络上的所有节点。部署一个智能合约会导致创建一个代码控制的账户。智能合约可以自己持有资金，它们可以根据合约逻辑中定义的条件重新分配。以太坊的每个账户都有一个余额、存储空间，以及用于调用其他账户或地址的代码空间。

基于账户的模型中的交易会触发节点减少发送方账户的余额，增加接收方账户的余额。为了防止重放攻击，账户模型中的每笔交易都附有一个非授权码。重放攻击是指受款人广播一个欺诈性的交易，他们在其中获得第二次付款。如果欺诈性交易成功，该交易将被第二次执行–它被重放–并且发送者将被收取两倍于他们想要转移的金额。

为了打击这种行为，以太坊的每个账户都有一个公开的可查看的nonce，该nonce在每笔流出的交易中都会被递增1。这可以防止同一交易被多次提交给网络。

在账户模型中，交易费用的工作方式也有所不同。它们是根据完成状态转换所需的计算次数来计算的。以太坊的出发点是成为一个世界计算机。因此，他们决定，费用应该基于消耗的计算资源数量，而不是所占用的存储容量。

账户模型将所有余额作为一个全局状态进行跟踪。这个状态可以理解为所有账户、私钥和合约代码的数据库，以及他们在网络上不同资产的当前余额的控制。

  1. 用于保存智能合约

以太坊在链上有合约（称为智能合约），即代码被编译成字节码，产生的字节在交易中被发送，以坚持到以太坊区块链上。这在你部署智能合约时完成一次。在这之后，人们可以与智能合约与其他交易互动。

注: 关于数据存储, 以太坊区块链上并不适合大量数据存储, 参考这篇论文:

Exploring Ethereum’s Data Stores: A Cost and Performance Comparison

分布式状态机

从基本层面上而言, ETH区块链是一个由交易和共识驱动的状态机, 状态需要永久地存储在区块链上.

随着交易的进行, 区块链会不断更新状态, 这里的状态有两种:

  1. 世界状态(World State): 以太坊地址和账户状态的映射
  2. 账户状态(Account State): 由4个字段组成
    • Nonce: 一个值, 每次从该地址发送交易时都会递增
    • 余额: 这个值代表weis的数量，weis是以太坊中最小的货币单位（wei），由给定地址持有
    • Storage root : 这个字段代表一个MPT的根节点，编码账户的存储内容
    • Code hash: 这是一个不可变的字段，包含与账户相关的智能合约代码的哈希值。 在普通账户的情况下，这个字段包含空字符串的Keccak 256位哈希值

https://github.com/yinhui1984/imagehosting/blob/main/images/1665023633967943000-B15726_11_09.png?raw=true

平时区分一个操作是否会改变区块链的状态, 可以简单地看改操作是否花费gas, 如果不花费gas则其不会改变. 对应到代码层面则参考: https://yinhui1984.github.io/对智能合约的读方法和写方法的调用/

世界计算机

ETH最大的创新点是智能合约. 也就是我们可以编写程序代码来交给每个采矿节点上的EVM进行执行.

编写代码所使用的编程语言可以是 Solidity LLLL 等, 参考:

https://github.com/pirapira/awesome-ethereum-virtual-machine#programming-languages-that-compile-into-evm

但一般指的都是 Solidity, EVM并不能直接执行Solidity，首先必须将代码编译成较低级别的机器指令，称为操作码(Opcodes)

Solidity 与 Opcodes

EVM被广泛地标记为图灵完备或更准确地说是准图灵完备。这意味着，EVM在理论上可以解决任何计算问题。这是通过执行称为EVM操作码的机器级指令来实现的。

EVM操作码协助EVM完成智能合约或交易的具体任务。目前，EVM大约有150个操作码可以执行。它们涵盖了一系列的操作，包括：算术、停止、记录、复制、推送、内存、比较和交换。以及用于检索块和环境信息。你可以找到一个操作代码的列表这里。

举一个HelloWorld的例子

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// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.0;

contract Ex001HelloWorld {
    string public greet = "Hello World!";
}

使用solc进行编译:

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solc --bin --abi --optimize --overwrite -o ./output ./hello.sol

我们得到的*.abi和*.bin文件, 其中 bin只是编译后的字节码的紧凑二进制表示。操作码不是由PUSH、PULL或DELEGATECALL引用的，而是它们的二进制表示，用文本编辑器读取时看起来像随机数字。

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cat Ex001HelloWorld.bin
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

如果我们使用evm来反汇编, 就可以看到

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evm disasm Ex001HelloWorld.bin

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evm disasm Ex001HelloWorld.bin
...
00000: PUSH1 0xc0
00002: PUSH1 0x40
00004: MSTORE
00005: PUSH1 0x0c
00007: PUSH1 0x80
00009: SWAP1
0000a: DUP2
0000b: MSTORE
0000c: PUSH12 0x48656c6c6f20576f726c6421
00019: PUSH1 0xa0
0001b: SHL
0001c: PUSH1 0xa0
0001e: MSTORE
0001f: PUSH1 0x00
00021: SWAP1
00022: PUSH2 0x002b
00025: SWAP1
...

其中的0x48656c6c6f20576f726c6421 就是 Hello World!字符串

部署合约:

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#!/usr/bin/env python3

from web3 import Web3  # pip3 install web3
import solcx  # pip3 install py-solc-x

w3 = Web3(Web3.IPCProvider('../mychain/data/geth.ipc'))
print('Connected to Ethereum client: %s' % w3.clientVersion)

src = '../contracts/Ex001HelloWorld.sol'
contract_src = open(src).read()
print(contract_src)

compiled_sol = solcx.compile_source(contract_src, output_values=['bin', 'abi'])
contract_interface = compiled_sol['<stdin>:Ex001HelloWorld']

Ex001HelloWorld = w3.eth.contract(abi=contract_interface['abi'], bytecode=contract_interface['bin'])
w3.eth.default_account = w3.eth.accounts[0]
tx_hash = Ex001HelloWorld.constructor().transact()
tx_receipt = w3.eth.waitForTransactionReceipt(tx_hash)
print("tx_receipt:\n %s" % tx_receipt)
print("-----------------------------------------------------")
print("合约地址:" + tx_receipt.contractAddress)

# write the contract address to a file
with open("../contracts/Ex001HelloWorld.address", "w") as f:
    f.write(tx_receipt.contractAddress)
    f.close()

调用合约

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import Web3 from "web3";
import net from "net";
import * as fs from "fs";
const web3 = new Web3(new Web3.providers.IpcProvider("../mychain/data/geth.ipc", net));



const contractName = "Ex001HelloWorld";

// read the contract abi from the file
let abi = JSON.parse(fs.readFileSync("../contracts/build/"+contractName+".abi").toString());
// read the contract address from the file
const address = fs.readFileSync("../contracts/"+contractName+".address").toString();
// create the contract object
const contract = new web3.eth.Contract(abi, address);

// get the value of  the field "greet"
contract.methods.greet.call().call().then((e) => {
    console.log(e);
    process.exit(0);
});

大体流程可以用下图表示:

https://github.com/yinhui1984/imagehosting/blob/main/images/1665026182729146000-62200da42c402a5326990b36_rEl7cW1Opu3_7T91NDwUH81oWJJY6M9ksop7shhO_BMVGQ2emHYaAeqL5SKVbvXPDSjpyAziiE40F7smnSF0uw1rIbKGxeq8L2m8T_E7adHoxE7z9wNIxdkTwQuFVY-xmArgqKU.jpeg?raw=true

gas

gas的目的是作为每个以太坊节点所做的智能合约的计算操作的费用。需要有计算费用，以防止攻击者通过部署大量需要长时间计算的复杂合约，使网络陷入停顿。这种类型的DDoS攻击的运行成本很高(需要很多gas).

每个操作码都有一个gas成本分配给它，更复杂的操作码有更高的成本。例如，简单的加法需要3个gas，每笔交易的成本为21,000个gas.

关于gas成本计算: 参考这里 https://github.com/wolflo/evm-opcodes/blob/main/gas.md

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gas费 = 消耗的gas总量 x gas价格

gas费是为了补偿验证人，验证人负责确保交易中的信息是有效的，没有来自EVM的错误/例外，并且发送方确实有必要的资金来支付计算。当一个发件人设置了一个高的gas限制，它表明操作是复杂的，这激励验证者为获得高额回报而拾取交易

当网络活动较多时，验证者可以简单地从具有较高gas限额的待定交易池中选择。因此，gas费受到供求关系的影响。好的是，任何未消耗的gas都会退还给发送者。

如果达到了预付的gas限额，验证人的工作仍会得到补偿，但交易不会完成。这也就是为啥说EVM是准图灵完备的，因为它能完成的计算被限制在发件人愿意支付的金额

EVM的特点

确定的

如果一个程序对同一组输入给出相同的输出，无论执行多少次代码，它都是确定性的。确定性函数的一个完美例子是经典的数学运算。例如，假设所有的数字都是以10为基数，无论你重复多少次这个操作, 1+4总是5。

一个相反的例子的浮点数, 用C或者C++随意写关于浮点数计算的代码并且期望它们能够在不同的编译器或者不同架构的机器上得到完全一致的结果是非常非常天真的。 EVM上的Solidity也用同样的问题, 所以其干脆是不支持浮点数的.

可终止的

以太坊智能合约是图灵完备的。如果有足够的时间和资源，智能合约应该能够解决任何问题。然而，无法判断一个合约是否能在给定的时间限制内完成所有操作。这就是为什么智能合约应该有一个终止机制。以太坊智能合约使用 “gas “来定义"寿命”。当一个执行合约的gas限制过后，它就会停止所有操作。

关于图灵完备, 有些地方也说的是其为"准图灵完备”, 因为不可能无gas限制地运行一个智能合约.

孤立的

EVM运行智能合约时, 智能合约应该在一个完全隔离的环境中运行。如果改智能合约发生了一些错误，它不应该影响底层协议的其他部分.

EVM的主要问题

EVM是区块链行业的一项突破性创新，因为它使我们所知的dApps成为可能。同时，一些专家注意到它的设计缺陷。

  1. 字节码不是人类可以阅读的。这使得开发人员和独立观察员很难分析和验证智能合约代码。

  2. 难以调试。这是上一点的直接后果：你必须将字节码反编译成人类可读的形式，以了解dApp出了什么问题。

  3. 它的速度很慢，而且要收取大量的gas。注意，EVM的速度是指每秒处理的操作码数量，所以它与以太坊区块链处理交易的能力不一样–以太坊区块链的速度也很慢，每秒15笔交易。

  4. 它不够安全。EVM应该保护区块链和dApps免受 “坏 “代码的影响。然而，我们不断看到新的智能合约漏洞。特别危险的是重入式攻击，当黑客重复调用提款函数以耗尽合约的资金时。

  5. 合约是不可升级的。一旦你发现什么地方出了问题，你就无法修复它，因为以太坊智能合约在部署后不能被改变。你必须从头开始，部署一个新的合约，迁移用户等等。

  6. EVM不支持本地库。库是一组与虚拟机一起分发的标准合约。开发人员可以使用库中的现成项目，而不是从头开始编写所有的代码，从而节省大量的时间。对于智能合约，使用库也可以节省gas–也就是节省金钱。但由于EVM默认不包括任何标准库（例如，不像Move VM），编写和部署智能合约变得非常昂贵。

趋势

WebAssembly

使用WebAssembly(ETH的WebAssembly叫eWASM)代替EVM

Updated on 2022-10-06
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