EVM-Deep-Dives

Ethereum Virtual Machine 以太坊虚拟机,处理智能合约Smart Contract, 当Transaction送到Node后，Node内的EVM会被create出来，完成Transaction任务，简单来说EVM是一个高阶程序在模拟一台电脑的运算。

Part 0 - Ethereum Contract ABI & EVM Bytecode

由于以太坊使用EVM(以太坊虚拟机)作为系统的核心，使用高级语言Solidity编写的智能合约代码需要编译成EVM字节码和合约ABI才能运行，在与智能合约交互时，需要先了解他们.

Bytecode & ABI

EVM Bytecode: EVM字节码是EVM上可执行的代码
Contract ABI: ABI是与EVM字节码交互的接口

左边是编译过程，右边是交互过程

Part 1: - Solidity -> Bytecode -> Opcode

Part 3: - Storage

在以太坊虚拟机(EVM)中运行的每个智能合约都将状态保存在存储中，这个存储空间可以看作是一个很大的数组，初始化都为0，数组中每个值都是32bytes,智能合约可以读取或写入任意位置的值.在组成以太坊网络的物理计算机上，存储并不是这样实现的，存储空间非常稀疏，没有必要存储零，将32字节的键映射到32字节的值的键/值存储可以很好地完成工作。一个不存在的键被简单定义为映射到零值.

由于零不会占用任何空间，因此可以通过将某个值设置为零来回收存储空间.在智能合约中，如果你将一个值更改为零时，就可以获得Gas退款.

Understanding Ethereum Smart Contract Storage

智能合约存储是一个键值映射，它将一个32字节的键映射到一个32字节的值.

• 固定大小的变量(Fixed Size Variables)

• Slot Packing 插槽包装

请注意，uint8时最小的实体类型，因此打包不能小于1字节(8位)

• EVM Storage Opcodes

• SSTORE

SSTORE从调用栈中获取一个32字节的键和一个32字节的值，并将该32字节的值存储到32字节的键位置

• SLOAD

SLOAD从调用栈中获取一个32字节的键，并将存储在该32字节键位置的32字节值推入调用栈

“World State” Storage

Block Header

The block header contains the following fields:

• ParentHash - Keccak hash of the parent block
• UncleHash - Keccak hash for uncled blocks
• Beneficiary(CoinBase) - Beneficiary address, mining free recipient
• State Root(Root) - Keccak Hash of root node of state trie (post-execution)
• Transaction Root(TxHash) - Keccak Hash of the root node of transaction trie
• Receipt Root(ReceiptHash) - Keccak Hash of the root node of receipt trie
• LogsBloom(Bloom) - Bloom filter of two fields, log address & log topic in the receipts
• Difficulty - Scalare value of the difficulty of the previous block
• Block Num(Number) - Scalar value of the number of ancestor blocks
• Gas Limit(GasLimit) - Scalar value of the current limit of gas usage per block
• Gas Used(GasUsed) - Scalar value of the total gas spent on transactions in this block
• Timestamp(Time) - Scale value of output of UNIX time()
• Extra Data(Extra) - 32 byte data relevant to this block
• Mix Hash(MixDigest) - 256-bit value used with a nonce to prove proof of work computation
• Nonce - Used in proof of work computation

State Root

状态根的作用类似于默克尔树中的Root,因为它是一个哈希值，取决于其下的所有数据块，如果任何数据片段发生变化，根也会随之变化.

• Merkle Root

默克尔根是区块链网络中属于一个区块的所有交易的哈希值.

1. 默克尔根是一种验证默克尔树数据的简单数学方法.
2. Merkle根用于加密货币，以确保点对点网络中对等方之间传递的数据块是完整的，未损坏和未篡改

区块链由相互链接的各种区块组成(区块链之名由此而来).哈希树或默克尔树以高校、安全的方式对区块链数据进行编码.区块链网络上发生的每笔交易都有一个与之相关的哈希值，不过，这些哈希值并不是按顺序存储在区块上，而是以树状结构的形式存储.

根称为默克尔根，它包含了区块上存在的每一笔交易散列的所有信息，它提供一个单点哈希值，可以验证该区块上的所有内容.

State Root的数据结构是默克尔树，它存储了网络上每个以太坊账户的键值对，其中键是以太坊地址，值是以太坊账户对象.

• Trie Data Structures | Merkle Trees

trie comes from retrieve, A trie is a tree-like data structure. Merkle tree’s primary purpose if to prove the consistency of data, and is essentially a tree of hashes.

“Merkle tree is a tree in which every leaf node is labelled with the hash of a data block and every non-leaf node is labelled with the cryptographic hash of the labels of its child nodes.”

默克尔树的优势

1. 数据一致性/可验证
2. 默克尔树证明在可以快速计算
3. 默克尔树证明只需要在网络上广播一小块数据

• Leveldb

Leveldb是一个开源的谷歌键值存储库

1. 数据按键存储和排序
2. 调用者可以提供自定义比较函数来覆盖排序顺序
3. key,Value都是字符串类型
4. 可以原子批量操作更改
5. 数据支持向前和向后迭代
6. 数据使用Snappy压缩库自动压缩数据

• HP(Hex Prefixed) encoding

以太坊源码解析: state

以太坊源码解析: evm

参考资料

Ethereum EVM illustrated
EVM Source Code in go-ethereum
Runtime Example
What Is a Merkle Root
Understanding Trie Database in Ethereum
以太坊源码解析
以太坊源码解析