SVM与EVM：理解区块链虚拟机 - 深入探讨Plutus及更多内容

区块链虚拟机（BVMs）是使智能合约和去中心化应用程序（dApps）在各种区块链网络上执行的基本组件，作为其基础层。

可以将它们视为区块链世界的操作系统，它们确保区块在一致和安全的环境中处理。通过抽象区块链协议、共识机制和交易处理的复杂性，虚拟机使开发人员能够专注于构建应用程序，而无需担心网络基础设施的低级细节。

区块链虚拟机执行字节码，这是智能合约逻辑的紧凑表示。这个字节码是智能合约逻辑的低级表示，由虚拟机解释和执行，确保合约功能的正确实现。每个区块链都有其独特的虚拟机，旨在满足其特定需求、性能指标和共识机制。例如，以太坊虚拟机（EVM）因其在以太坊生态系统中的作用而广为人知，使得智能合约的部署和管理具备强大的功能集。

区块链虚拟机的一个关键优势是它们增强跨链兼容性和互操作性的能力，这对于开发能够在不同区块链网络上运行的去中心化应用程序至关重要，从而增加了它们的实用性和覆盖范围。

随着区块链生态系统的不断发展，开发人员越来越多地创建可以与多个链交互的解决方案，而设计良好的虚拟机可以显著简化这一过程。通过利用共同的标准和协议，这些虚拟机有助于营造一个应用程序能够蓬勃发展并在不同网络之间无缝通信的环境。

在我们探索各种区块链虚拟机时，包括以太坊虚拟机（EVM）、Solana的SVM和Cardano的Plutus，我们将比较它们的架构、功能以及影响去中心化应用程序开发的独特特性。无论您是经验丰富的开发人员还是刚刚开始区块链之旅，理解这些虚拟机对于在复杂的区块链技术世界中导航至关重要。

EVM架构和操作机制

以太坊虚拟机（EVM）是以太坊区块链的一个强大而多功能的组件，旨在促进智能合约和去中心化应用程序（dApps）的执行。EVM的核心是一个去中心化的计算引擎，作为执行字节码的环境。这个字节码是从像Solidity这样的高级编程语言生成的，使开发人员能够编写复杂的应用程序，这些应用程序可以在以太坊网络上运行，而无需中介。

EVM的架构

EVM架构建立在几个关键组件之上：

1. 栈：EVM使用基于栈的架构，这意味着它使用后进先出（LIFO）的方法来管理数据。这种设计使EVM能够在合约执行期间高效地根据需要推送和弹出值。当一个操作需要数据时，EVM从栈顶检索数据，处理后再将结果推回栈中。  EVM栈的大小限制为1024个项，每个项为256位字（32字节）。  256位字可以表示一个巨大的整数范围，具体为从0到2256−12^{256} - 12256−1。这个广泛的范围对于需要大随机数或密钥的加密应用至关重要，确保它们难以被猜测或暴力破解。
2. 内存：  EVM具有动态、易失性的内存，用于临时变量，在每次交易后重置，确保后续操作有一个干净的状态。
3. 存储：每个智能合约都有自己的存储，这是持久的，并在交易之间保留数据。存储成本高于内存，激励开发者尽量减少其使用以优化燃气成本。
4. 执行上下文：EVM维护一个执行上下文，其中包含有关当前交易的信息，例如发送者的地址、正在执行的合约以及交易的燃气限制。这种架构通过其隔离和确定性的代码执行，确保合约执行期间的安全性，防止攻击和无限循环。

EVM的操作

EVM通过处理其规范中定义的一系列指令（操作码）来运行。这些操作码决定了数据如何被操作以及执行哪些操作，例如算术计算、逻辑比较和数据存储。当智能合约被执行时，EVM：

1. 验证交易：在执行任何合约代码之前，EVM验证交易是否有效，确保发送者的签名是可信的，交易格式符合协议标准，并且有足够的资金支付交易费用，包括检查发送者的签名并确保提供足够的燃气。
2. 执行字节码：EVM逐步处理智能合约的字节码。每条指令按特定顺序执行，栈和内存相应更新。
3. 管理燃气：EVM中的每个操作都会消耗燃气，这是计算工作量的度量。这个燃气管理系统通过要求用户为每个交易设置燃气限制，防止无限循环和资源滥用，从而确保可预测的交易成本并促进网络资源的高效使用。如果燃气耗尽，交易将回滚， 保护区块链的状态并补偿矿工的资源。
4. 生成事件：在执行过程中，EVM可以发出事件，外部应用程序 （如去中心化应用程序）可以监听这些事件以获取实时更新和通知。
5. 这些事件对去中心化应用程序至关重要，因为它们允许实时更新，例如通知用户状态变化、触发链外过程或根据区块链事件促进用户交互。
6. 返回结果：在执行合约后，EVM返回输出，这可能包括对区块链状态的更改以及在执行过程中发出的任何事件。如果交易成功，结果将被提交到区块链。

EVM的复杂性和优雅设计对以太坊生态系统的功能和创新至关重要。其架构和操作使开发者能够创建强大、去中心化的应用程序，利用区块链技术的独特属性。理解EVM对于任何希望深入以太坊开发的人来说都是必不可少的，因为它为在去中心化空间中构建创新解决方案奠定了基础。

理解EVM字节码和执行 

当智能合约在以太坊区块链上部署时，它是从高级编程语言编译成一种低级的、机器可读的格式，称为字节码。这个字节码是一系列指令，Ethereum虚拟机（EVM）可以直接执行。 

字节码对于以太坊合约的可移植性和互操作性至关重要，因为它允许任何运行以太坊客户端的节点一致地执行相同的代码。任何运行以太坊客户端的节点都可以读取和执行相同的字节码，确保智能合约在网络中表现一致。

EVM字节码的结构

EVM 字节码由一系列操作码组成——定义特定操作的简短指令。例如，操作码 0x60 将一个值推送到栈上，而 0x01 则将栈上的两个数字相加。每个操作码由一个字节的十六进制数字表示，并对应于 EVM 可以执行的操作。例如：

• 0x60: 将一个值推送到栈上

• 0x01: 将栈上的两个数字相加

• 0xf3: 返回一个值

当合约被执行时，EVM 按顺序读取这些操作码并执行相应的操作。

执行流程 EVM 字节码

• 获取: EVM 从字节码序列中检索下一个操作码。

• 解码: 它解码指令，确定需要执行的操作（例如，算术运算、数据存储或逻辑执行）。

• 执行: 根据操作码，EVM 执行指定的操作。例如，如果操作码指示 EVM 将两个数字相加，它会从栈中获取这些值，执行加法，然后将结果存储回栈中。

• 存储: 某些操作码涉及将数据写入合约的持久存储或发出事件，这些事件可以被外部应用程序后续获取。

Gas 成本和字节码执行

字节码中的每个操作码都有一个相关的 Gas 成本，衡量执行该特定指令所需的计算工作量。更复杂的操作，例如将数据写入存储或执行加密功能，消耗的 Gas 明显高于简单的算术任务。这种差异化的 Gas 成本结构有助于优先考虑计算效率以及在以太坊网络内的代币和资源分配，对于维护安全性和效率至关重要。它防止恶意用户运行无限循环或资源密集型操作，因为他们会迅速耗尽 Gas，导致交易失败并撤销对区块链状态的任何更改。

字节码如何塑造智能合约

理解字节码对开发者和审计员至关重要，因为它提供了智能合约“代码”内部行为的洞察。虽然大多数开发者使用像 Solidity 这样的高级语言，但安全审计员通常直接审查字节码，以识别可能隐藏在更高级抽象中的潜在漏洞，确保全面的安全评估。

此外，字节码可以反编译回人类可读的代码，提供更大的透明度和对合约行为的理解。

EVM 字节码是以太坊上智能合约执行的基本构建块。它允许合约在网络上始终如一地运行，确保所有节点都能解释它，并促进 EVM 环境内的透明和安全操作。理解字节码及其执行过程是理解去中心化应用程序在以太坊上如何运作的关键。

Solana 的虚拟机 (SVM) 

Solana虚拟机（SVM）对于在Solana区块链上实现高速度和可扩展的去中心化应用程序（dApps）的执行至关重要，根本上推动了其性能优势。与以栈为基础的以太坊虚拟机（EVM）不同，SVM旨在优化Solana独特架构的性能，重点是最大化吞吐量和最小化延迟。

高性能并行执行

Solana区块链的一个突出特点是其每秒处理数千笔交易（TPS）的能力，而SVM经过优化以支持这一点。SVM的核心优势在于其对智能合约和交易的并行执行。与许多按顺序处理交易的其他区块链不同，Solana的架构利用并行执行模型，使SVM能够在多个核心上同时处理多个交易。Solana的架构——特别是其历史证明（PoH）共识机制——允许SVM在多个核心上同时执行交易。这种并行化是Solana能够扩展的关键，显著减少了瓶颈，并在不牺牲安全性的情况下实现了高吞吐量。

无状态特性和账户模型

与EVM不同，EVM中的每个智能合约都维护自己的持久存储，SVM的无状态执行模型通过最小化状态管理复杂性来简化性能，提高整体交易速度。在此模型中，智能合约不直接持有持久存储。相反，它们与一个全球账户系统进行交互，在执行过程中可以更新特定账户。这种方法通过限制在合约执行期间管理状态转换的复杂性，进一步提高了Solana的速度。在SVM上运行的智能合约读取和写入这些账户的数据，系统内明确定义了所有权和权限。

这种无状态架构还帮助防止了通常与以太坊等区块链相关的拥堵问题，其中状态膨胀（存储数据的持续增长）可能会随着时间的推移减慢网络速度。

WebAssembly（Wasm）兼容性

SVM内置了WebAssembly（Wasm）支持，这是一种强大而灵活的执行框架，允许使用多种编程语言，而不仅仅是Solidity。Wasm使开发者能够使用Rust和C等语言编写合约，这些语言非常适合Solana的性能要求。特别是Rust因其内存安全性和性能而受到Solana开发者的青睐，与Solana高速度交易执行的目标相一致。

效率和低燃气费用

得益于Solana的可扩展设计，SVM能够以极低的交易费用执行智能合约，相较于以太坊等其他网络。Solana的效率源于PoH、高性能SVM以及其并行执行多笔交易的能力的结合。因此，燃气费用保持在最低水平，使其对需要频繁微交易或需要在不产生高昂成本的情况下进行大规模操作的dApps更具吸引力。

SVM在跨链互操作性中的作用

虽然Solana的SVM是独特的，但正在进行的努力旨在增强与其他虚拟机的兼容性，包括EVM。这种跨链互操作性对生态系统的增长至关重要，使开发者能够在平台之间移植dApps，并利用Solana的卓越性能，而无需完全重写代码。

Cardano的Plutus虚拟机 

Plutus虚拟机（PVM）是Cardano智能合约执行环境的核心，吸引了对安全和可扩展的智能合约感兴趣的投资者。PVM专为Cardano区块链设计，使得用Plutus编写的智能合约得以执行，Plutus是一种专门构建的语言，利用了Haskell的函数式编程能力。PVM的运作方式与更常见的虚拟机（如EVM）不同，因为它专注于形式化方法、安全性和可扩展性，符合Cardano提供安全和可持续的去中心化应用（dApps）平台的长期愿景。

使用Haskell和Plutus的函数式编程

PVM的一个关键方面是其使用基于Haskell的Plutus，Haskell是一种纯函数式编程语言。这与像Solidity（以太坊使用的语言）这样的命令式语言形成对比。像Haskell这样的函数式编程语言强调不可变性和数学精确性，这对智能合约的安全性和可靠性非常有利。

用Plutus编写的智能合约由链上代码和链下代码组成，链上代码在PVM内运行，而链下代码在区块链外运行并与用户和外部系统交互。这种架构允许开发者创建复杂的逻辑，同时保持效率，因为只有必要的代码部分在链上执行。

PVM的执行模型和UTXO框架

与以太坊的基于账户的模型不同，Cardano采用了扩展的UTXO（eUTXO）模型，在可扩展性和安全性方面提供了显著优势。PVM旨在在这个eUTXO框架内执行智能合约。Cardano中的每个UTXO（未花费的交易输出）不仅可以持有价值，还可以持有数据，从而使得智能合约更加丰富和复杂，尽管每个UTXO只能被花费一次，这需要仔细的交易结构设计。

该模型还有助于以确定性方式定义合约执行，其中执行合约的结果是可预测的，不依赖于网络状态或时间问题，从而减少了潜在的攻击向量，如前置交易。

形式验证和安全性

Cardano通过PVM对智能合约安全性的处理尤为显著。Plutus支持形式验证，允许开发者在设计合约时考虑形式验证，从而数学上证明智能合约代码的正确性。这种验证确保智能合约的行为完全符合预期，降低了漏洞和缺陷的风险。

Plutus框架还支持更高保障的dApps，使其非常适合安全性和正确性至关重要的应用，如金融服务、医疗保健和其他需要严格安全措施的行业。

去中心化和治理

PVM在Cardano的去中心化框架内运行，受益于网络的权益证明（PoS）共识机制，特别是其Ouroboros协议。PVM内的智能合约执行旨在可持续和可扩展，确保随着网络的增长，它能够处理不断增加的需求而不会出现瓶颈。

Cardano的治理模型允许ADA持有者参与决策过程，确保PVM和Plutus生态系统的未来发展与用户和社区的需求保持一致，创建一个可持续和社区主导的平台用于dApps。

总体而言，Cardano的Plutus虚拟机（PVM）为执行智能合约提供了一个高度安全、可扩展和数学上稳健的环境。它对形式化方法和函数式编程的重视使其在区块链领域中脱颖而出，特别是对于专注于创建具有强大正确性保证的应用程序的开发者。这使得PVM与其他虚拟机（如EVM）区别开来，并将Cardano定位为高保障区块链应用的领导者。

Polkadot的基于Wasm的虚拟机

Polkadot利用WebAssembly（Wasm）作为其虚拟机环境的基础。Wasm是一种高度灵活和高效的标准，允许在各种平台上以安全、快速和可移植的方式执行代码。通过利用Wasm，Polkadot确保其区块链能够处理多种应用，同时在不同链之间保持强大的性能和互操作性。

为什么选择Wasm用于Polkadot？

Polkadot选择Wasm是因为它支持广泛的编程语言，使得在区块链技术的背景下开发多样化的应用成为可能。Rust主要用于基于Substrate的开发，允许开发者使用Rust、C++或Go等语言编写智能合约，然后将其编译为Wasm字节码。这种灵活性为超越区块链特定语言（如Solidity）的更广泛开发者社区打开了大门。

Polkadot对智能合约执行的方式建立在其 Substrate框架之上，这是一个模块化框架，允许开发者创建自定义区块链，称为 平行链。每个平行链可以定义自己的逻辑和运行时，这些逻辑在基于Wasm的环境中执行。这种自定义运行时逻辑的能力使Polkadot与更为僵化的单一区块链系统区分开来。

执行与效率

Polkadot中的Wasm环境不仅支持智能合约，还支持区块链的整个运行时，这意味着所有管理区块链操作的逻辑都在Wasm沙箱中执行。这带来了几个优势：

• 性能与效率：Wasm旨在快速和紧凑，允许高效执行智能合约，同时减少计算开销。
• 安全性：沙箱环境确保代码执行是隔离和安全的，防止恶意合约影响更广泛的网络。
• 可移植性：由于Wasm字节码可以在任何支持WebAssembly的环境中运行，它增强了跨链互操作性和在链之间迁移应用的能力。

Substrate与Polkadot的运行时灵活性

Polkadot设计的核心是无分叉升级的概念。这是可能的，因为基于Substrate的区块链，包括Polkadot，可以在不需要硬分叉的情况下升级其运行时。Polkadot的基于Wasm的运行时，结合其链上治理，允许在没有硬分叉的情况下进行运行时升级，因为更改可以由社区投票并批准。

Wasm环境还通过确保不同的平行链可以无缝执行合约和通信，增强了Polkadot的跨链互操作性，即使它们建立在完全不同的架构或共识模型上。

Avalanche的虚拟机

Avalanche的平台支持Avalanche虚拟机（AVM）作为其核心组件之一，该组件在主网络上运行，由三个区块链组成：X链、P链和C链。这些链在网络中扮演不同的角色，其中C链因其对智能合约的支持而脱颖而出，特别是通过与以太坊虚拟机（EVM）的兼容性。

AVM的核心特性 

1. 与EVM兼容的C链：Avalanche的C链允许开发者在Avalanche网络上部署和执行以太坊智能合约代码，而无需修改，这得益于其完全的EVM兼容性。这使得以太坊开发者能够无缝地将他们的去中心化应用（dApps）迁移到Avalanche，同时享受网络的高吞吐量和较低的交易费用。

2. 自定义虚拟机：Avalanche的一个显著特征是其对自定义虚拟机的支持。开发者可以在Avalanche上创建自己的虚拟机，针对他们的特定需求进行定制，使用Avalanche子网架构，尽管这需要深厚的技术知识，通常用于特定的用例。这种灵活性允许部署完全不同的共识机制或数据模型，超越标准的EVM设置。

3. Avalanche共识：AVM的基础是Avalanche共识协议，它允许快速最终性（交易在几秒钟内确认）和可扩展性（网络可以处理每秒数千笔交易）。这比传统的工作量证明系统（如以太坊1.0）有显著的改进。

4. X链的AVM：Avalanche的X链也运行其自己的Avalanche虚拟机（AVM），该虚拟机针对资产创建和交易进行了优化。X链支持新数字资产的发行、转移和管理，具有可定制的规则，为去中心化金融（DeFi）和其他用例提供了灵活的平台。

Avalanche虚拟机的主要优势

• 性能：由于其独特的共识机制和跨多个子网及虚拟机的并行处理，Avalanche的吞吐量更高，延迟更低，优于许多区块链平台。

• 灵活性：Avalanche对自定义虚拟机的支持使开发者能够创建具有特定功能的去中心化应用，满足在仅限于单一虚拟机类型的平台上可能无法实现的用例。这些虚拟机的沙盒环境确保了代码执行的安全性，防止攻击和无限循环。

• 互操作性：凭借C链的EVM兼容性，Avalanche与以太坊及其一系列去中心化应用和开发工具（如MetaMask、Remix和Truffle）完全互操作。这使得在Avalanche和以太坊之间的迁移变得顺畅而简单。

用例和生态系统增长

Avalanche的AVM是其不断增长的生态系统的重要组成部分，特别是在DeFi领域，吸引了对区块链技术感兴趣的投资者。由于其高吞吐量和成本效益基础设施，Aave、Curve和SushiSwap等热门项目已在Avalanche上部署。此外，Avalanche可定制的虚拟机架构吸引了希望在标准EVM实现之外进行创新的开发者。

总之，Avalanche的虚拟机架构旨在实现可扩展性、灵活性和互操作性，其EVM兼容的C链在推动以太坊开发者的采用中发挥了核心作用。其托管自定义虚拟机的能力为专业区块链实现打开了大门，促进了其在DeFi及其他领域快速增长的生态系统。

结论   

区块链技术的演变带来了多种虚拟机，每种虚拟机都旨在优化执行、增强可扩展性，并支持日益增长的去中心化应用（dApps）范围。本文提供了不同区块链虚拟机的概述，总结了它们的主要特征和创新。然而，持续的挑战，如不断发展的互操作性标准和扩展解决方案，将继续塑造区块链生态系统的未来。以太坊虚拟机（EVM）建立了坚实的基础，成为智能合约开发中使用最广泛的平台。其架构、操作和字节码执行机制为其他虚拟机设定了标准。

Solana的虚拟机（SVM）通过其并行交易处理能力在可扩展性方面体现了创新，能够实现高吞吐量和低延迟。同时，Cardano的Plutus虚拟机引入了一种功能性编程范式，增强了安全性和正确性，吸引了寻求强大dApp框架的开发者。Polkadot的基于Wasm的虚拟机突出了互操作性，允许开发者创建跨链应用，而Avalanche的虚拟机则强调了在执行交易时速度和效率的重要性。

随着区块链领域的不断成熟，这些虚拟机之间的相互作用可能会塑造去中心化生态系统的未来。通过了解每个虚拟机的优势和能力，开发者可以更好地利用这些技术，创造出可扩展、高效和创新的解决方案，以应对现实世界的挑战。最终，区块链虚拟机的持续进步预示着去中心化技术的光明未来，为各个行业的更大采用和变革性应用铺平了道路。