Die Ethereum Virtual Machine (EVM): Die Engine hinter Smart Contracts verstehen

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Software, die für einen bestimmten Computer entwickelt wurde, auf einem völlig anderen Gerät auszuführen – normalerweise funktioniert das nicht ohne eine Art Übersetzer oder eine spezielle Umgebung. Ethereum stand vor einer ähnlichen Herausforderung: Wie konnte es zuverlässig Code, bekannt als Smart Contracts, ausführen, der von jedermann, überall auf der Welt, eingereicht wird, und dabei sicherstellen, dass jeder das gleiche Ergebnis erhält? Die Antwort liegt in einer Kernkomponente namens Ethereum Virtual Machine, oder EVM. Betrachten Sie sie als den Motor, der einen Grossteil der Aktivitäten auf Ethereum antreibt. Lassen Sie uns untersuchen, was die EVM ist und warum sie wichtig ist, auch wenn Sie kein Entwickler sind.

Was genau ist die Ethereum Virtual Machine (EVM)?

Im Grunde genommen ist eine „virtuelle Maschine“ eine Software, die sich wie ein physischer Computer verhält. Sie schafft eine standardisierte Umgebung, in der Programme laufen können, unabhängig von der zugrunde liegenden Hardware oder dem Betriebssystem. Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ist dieses Konzept, speziell angewendet auf das Ethereum-Netzwerk.

Sie ist keine einzelne physische Maschine, sondern vielmehr eine Spezifikation für eine Rechenumgebung, die von Tausenden von Computern (Nodes), die am Ethereum-Netzwerk teilnehmen, repliziert und ausgeführt wird. Die Hauptaufgabe der EVM ist entscheidend: Sie führt die Anweisungen aus, die in Smart Contracts enthalten sind. Wenn jemand mit einem Smart Contract auf Ethereum interagiert, ist es die EVM, die die Anfrage verarbeitet und den Zustand des Netzwerks entsprechend aktualisiert.

Können Sie die EVM mit einer einfachen Analogie erklären?

Um die EVM zu verstehen, braucht man keinen Abschluss in Informatik. Stellen Sie sich ein universelles Verkaufsautomaten-Design vor, das weltweit identisch nachgebaut wird. Egal welchen Automaten Sie benutzen, wenn Sie die richtige Münze einwerfen (eine Anweisung), gibt er jedes Mal genau das gleiche Produkt aus (das Ergebnis). Die EVM funktioniert ähnlich und bietet eine standardisierte Ausführungsumgebung auf allen Ethereum-Nodes.

Alternativ können Sie sich die EVM wie eine einzigartige Spielkonsole vorstellen. Spieleentwickler schreiben Spiele (Smart Contracts) nach den spezifischen Regeln der Konsole (Programmiersprachen wie Solidity). Die Konsole (EVM) führt diese Spiele dann vorhersagbar und identisch für jeden Spieler (Nutzer) im Netzwerk aus. Diese Konsistenz ist fundamental dafür, wie Ethereum funktioniert.

Wie führt die EVM den Code von Smart Contracts tatsächlich aus?

Entwickler schreiben Smart Contracts typischerweise in Hochsprachen wie Solidity. Die EVM versteht Solidity jedoch nicht direkt. Dieser Code muss zuerst kompiliert, also übersetzt, werden in eine Low-Level-Sprache namens Bytecode, die aus spezifischen Anweisungen besteht, welche die EVM verstehen kann.

Wenn ein Nutzer eine Transaktion sendet, um mit einem Smart Contract zu interagieren, löst diese Transaktion die EVM auf jedem Node aus. Die EVM liest dann den Bytecode des relevanten Smart Contracts und führt die Anweisungen Schritt für Schritt aus. Diese Anweisungen können Berechnungen, Datenspeicherung oder das Senden von Werten beinhalten.

Während die EVM diese Anweisungen ausführt, aktualisiert sie den „Zustand“ von Ethereum. Der Zustand ist im Wesentlichen eine Momentaufnahme aller Kontostände, Vertragsdaten und anderer Informationen, die auf der Blockchain gespeichert sind. Ein Schlüsselmerkmal hier ist der Determinismus: Bei gleichem Ausgangszustand und gleicher Transaktionseingabe muss jede EVM-Instanz im gesamten Netzwerk exakt den gleichen resultierenden Zustand erzeugen. Dies garantiert die Übereinstimmung unter allen Teilnehmern.

Welche Rolle spielt ‘Gas’ bei EVM-Operationen?

Die Ausführung von Code erfordert Rechenressourcen – Verarbeitungsleistung, Speicher, Datenspeicher. Auf Ethereum sind diese Ressourcen nicht kostenlos. Jede Operation, die die EVM durchführt, von einer einfachen Addition bis zur Datenspeicherung, hat zugeordnete Kosten, gemessen in Gas. Stellen Sie sich Gas als den Treibstoff vor, der benötigt wird, um den EVM-Motor zu betreiben.

Komplexere Operationen verbrauchen mehr Gas als einfache. Wenn Sie eine Transaktion senden oder mit einem Smart Contract interagieren, müssen Sie angeben, wie viel Gas Sie bereit sind auszugeben und welchen Preis pro Gaseinheit (normalerweise in Gwei, einem Bruchteil von ETH) Sie zu zahlen bereit sind. Diese Gesamtgebühr entschädigt die Netzwerkteilnehmer (Validatoren oder früher Miner) für die Ausführung Ihrer Anfrage innerhalb der EVM und die Validierung der Transaktion.

Wie hilft die EVM, Ethereum sicher und konsistent zu halten?

Die EVM spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Integrität von Ethereum. Ihre deterministische Natur ist von größter Bedeutung. Da jeder Node, der die EVM ausführt, für dieselbe Transaktion zum selben Ergebnis kommt, stimmen alle über den neuen Zustand der Blockchain überein. Dieser Konsens verhindert Meinungsverschiedenheiten und stellt sicher, dass das gemeinsame Hauptbuch konsistent bleibt.

Darüber hinaus bietet die EVM eine Sandbox-Umgebung für die Ausführung von Smart Contracts. Das bedeutet, dass der Code innerhalb eines Smart Contracts isoliert ausgeführt wird und im Allgemeinen nicht direkt mit anderen Verträgen oder dem zugrunde liegenden Blockchain-Protokoll interagieren kann. Wenn ein Smart Contract einen Fehler oder bösartigen Code enthält, ist seine potenzielle Auswirkung auf seinen eigenen Ausführungskontext beschränkt, wodurch verhindert wird, dass das gesamte Netzwerk abstürzt. Das Design der EVM legt zudem strenge Regeln dafür fest, welche Operationen möglich sind, was zu einer vorhersehbareren Umgebung beiträgt.

Warum wird die EVM als grundlegend für Ethereum betrachtet?

Einfach ausgedrückt, ist die EVM das, was Ethereum zu mehr als nur einer Kryptowährung wie Bitcoin macht. Sie ist die Komponente, die programmierbare Logik ermöglicht – die Ausführung von Smart Contracts. Ohne die EVM gäbe es keine Dezentralen Anwendungen (dApps), keine Dezentralen Finanzprotokolle (DeFi) und keine Non-Fungible Tokens (NFTs), die nativ auf Ethereum operieren.

Die EVM bietet eine standardisierte, Turing-vollständige (d. h. sie kann theoretisch alles Berechenbare berechnen) Plattform, auf der Entwickler weltweit aufbauen können. Diese Standardisierung hat ein riesiges Ökosystem aus Werkzeugen, Programmiersprachen und Fachwissen gefördert, was zu erheblichen Netzwerkeffekten geführt und Innovationen im gesamten Blockchain-Bereich vorangetrieben hat.

Was bedeutet es, wenn andere Blockchains ‘EVM-kompatibel’ sind?

Man hört oft davon, dass andere Blockchains „EVM-kompatibel“ sind. Das bedeutet, dass diese unabhängigen Blockchains die EVM-Spezifikation oder eine sehr ähnliche virtuelle Maschine als ihre eigene Ausführungs-Engine implementiert haben. Beispiele hierfür sind Netzwerke wie Polygon PoS, Avalanche C-Chain und BNB Smart Chain.

Der Hauptvorteil der EVM-Kompatibilität ist die Interoperabilität und die einfache Migration. Entwickler können Smart Contracts und dApps, die ursprünglich für Ethereum entwickelt wurden, nehmen und sie auf diesen kompatiblen Chains bereitstellen, oft mit minimalen Codeänderungen. Dies ermöglicht es neuen Blockchains, auf die riesige Entwicklergemeinschaft, etablierte Werkzeuge und die bestehende Nutzerbasis von Ethereum zuzugreifen und so das Wachstum ihres eigenen Ökosystems zu beschleunigen.

Nutzen alle Blockchains die EVM?

Nein, die EVM ist spezifisch für Ethereum und jene Blockchains, die sich für EVM-Kompatibilität entscheiden. Viele andere prominente Blockchains wie Solana, Cardano, Polkadot und Tezos verwenden völlig andere virtuelle Maschinen oder Ausführungsumgebungen, die mit anderen Zielen und Kompromissen konzipiert wurden.

Beispielsweise priorisieren einige alternative Designs die reine Transaktionsgeschwindigkeit oder andere Programmiersprachen, möglicherweise auf Kosten der direkten Kompatibilität mit den Werkzeugen und Verträgen von Ethereum. Diese Vielfalt bedeutet, dass Entwickler oft neue Sprachen und Werkzeuge lernen müssen, um Anwendungen speziell für diese Nicht-EVM-Chains zu erstellen.

Was sind die Hauptbeschränkungen oder Herausforderungen der EVM?

Trotz ihres Erfolgs steht das ursprüngliche EVM-Design vor Herausforderungen. Ein Hauptproblem ist die Skalierbarkeit. Die EVM, wie sie auf dem Ethereum-Mainnet implementiert ist, verarbeitet Transaktionen sequenziell innerhalb von Blöcken. In Zeiten hoher Netzwerkaktivität kann dies zu Überlastungen führen, was die Transaktionsbestätigungszeiten verlangsamt und die Gasgebühren erheblich erhöht, wodurch kleine Transaktionen manchmal unerschwinglich teuer werden.

Die Entwicklung sicherer Smart Contracts für die EVM erfordert ebenfalls erhebliches Fachwissen. Obwohl die EVM selbst robust ist, können Fehler oder Schwachstellen im Smart-Contract-Code, der darauf bereitgestellt wird, zu Exploits und finanziellen Verlusten für Nutzer führen, die mit diesen Verträgen interagieren.

Schliesslich ist die Änderung oder Aktualisierung der Kernarchitektur der EVM eine komplexe technische und koordinative Herausforderung, angesichts ihrer grundlegenden Rolle und der Notwendigkeit eines netzwerkweiten Konsenses.

Wird erwartet, dass sich die EVM ändert oder weiterentwickelt?

Ja, die EVM ist nicht statisch. Die Ethereum-Community forscht ständig an Verbesserungen und entwickelt diese weiter. Erhebliche Anstrengungen konzentrieren sich auf die Verbesserung der Ausführungseffizienz und Skalierbarkeit. Viele Layer-2-Skalierungslösungen (wie Optimistic Rollups und zk-Rollups) sind entstanden. Diese Lösungen verarbeiten Transaktionen ausserhalb der Haupt-Ethereum-Chain, nutzen aber die Sicherheitsgarantien der Mainnet-EVM für die endgültige Abwicklung, mit dem Ziel, Gebühren zu senken und den Durchsatz zu erhöhen.

Es gibt auch laufende Untersuchungen zu potenziellen zukünftigen Upgrades der EVM selbst oder sogar zu völlig neuen Designs virtueller Maschinen (wie dem vorgeschlagenen eWASM - Ethereum WebAssembly), die aktuelle Einschränkungen grundlegender angehen könnten. Die Kryptowährungslandschaft ist dynamisch, und Kerntechnologien wie die EVM entwickeln sich kontinuierlich weiter.

Warum sollte sich ein Krypto-Anfänger für die EVM interessieren?

Das Verständnis der Grundlagen der EVM bietet wertvollen Kontext, auch wenn Sie nie eine Zeile Code schreiben werden. Es hilft Ihnen zu verstehen, warum Gasgebühren auf Ethereum und EVM-kompatiblen Chains existieren und schwanken. Es entmystifiziert die „Magie“ hinter dApps, DeFi und NFTs und enthüllt den Rechenmotor, der sie antreibt.

Das Wissen um EVM-Kompatibilität hilft Ihnen, die Behauptungen und das Potenzial verschiedener Blockchain-Projekte zu bewerten. Darüber hinaus unterstreicht das Verständnis, dass Smart Contracts automatisierte Codeausführung beinhalten, die entscheidende Bedeutung des Sicherheitsbewusstseins – interagieren Sie nur mit geprüften und seriösen Verträgen. Letztendlich gibt Ihnen das Verständnis der EVM ein tieferes Verständnis für die Bedeutung von Ethereum als Plattform für Innovation, die über seine native Währung Ether (ETH) hinausgeht.

Was ist das Wichtigste, das man sich über die EVM merken sollte?

Wenn es eine zentrale Erkenntnis gibt, dann diese: Die Ethereum Virtual Machine (EVM) ist der globale, dezentrale Computer von Ethereum, der für die automatische und konsistente Ausführung von Smart-Contract-Code im gesamten Netzwerk verantwortlich ist. Sie ist der Motor, der dApps, DeFi, NFTs und einen Grossteil der Innovationen antreibt, die mit programmierbaren Blockchains verbunden sind. Ihr Einfluss reicht durch EVM-kompatible Chains über Ethereum hinaus und macht sie zu einem De-facto-Standard in diesem Bereich. Das Konzept der EVM zu verstehen, ist grundlegend, um zu begreifen, wie moderne Blockchains funktionieren und innovieren.