Vitalik schlägt RISC-V anstelle von EVM als zukünftige $ETH L1-Ausführungsskalierung vor, und ich werde erklären, was Blockchain-VMs sind und wie sie sich unterscheiden.
Virtuelle Maschinen (VMs) sind grundlegend für viele Technologien, von routinemäßigen Softwaretests bis hin zur Stromversorgung ganzer Rechenzentren. Der Zweck einer VM variiert jedoch erheblich. Traditionelle VMs, die beispielsweise durch das Ausführen von Ubuntu auf VirtualBox veranschaulicht werden, zielen hauptsächlich darauf ab, vollständige Betriebssystemumgebungen zu simulieren, und bieten Flexibilität und Isolation auf einer einzelnen physischen Maschine. Im Gegensatz dazu sind Blockchain-VMs—wie die Ethereum Virtual Machine (EVM), WebAssembly (WASM), Solanas Sealevel Virtual Machine (SVM) und Nervos CKB-VM (RISC-V)—für die deterministische, sichere und dezentrale Ausführung von Smart Contracts konzipiert. Obwohl beide Typen das Kernkonzept "ein Computer innerhalb eines Computers" teilen, weichen ihre Designprioritäten und technischen Anforderungen erheblich voneinander ab. Diese Unterschiede zu erkennen, ist entscheidend für Entwickler, Unternehmen und Enthusiasten, um das geeignete Werkzeug auszuwählen, sei es für einfache Entwicklung und Tests oder für den Aufbau komplexer dezentraler Anwendungen.
Traditionelle Virtuelle Maschinen (Ubuntu, Linux und mehr)
Traditionelle VMs bieten eine virtualisierte Umgebung, die ein vollständiges Betriebssystem wie Ubuntu auf einem Host-Betriebssystem wie Windows oder macOS emuliert. Ein Hypervisor verwaltet dieses Setup und verteilt Hardware-Ressourcen—CPU-Zeit, RAM und Speicher—zwischen dem Host und den Gastbetriebssystemen. Die inhärente Isolation jeder VM bedeutet, dass Probleme wie Abstürze oder Malware innerhalb einer VM typischerweise das Host-Betriebssystem oder andere VMs nicht beeinflussen.
In Unternehmens- und Entwicklungsumgebungen bieten traditionelle VMs mehrere wichtige Vorteile. Erstens ermöglichen sie Entwicklern, Software auf verschiedenen Betriebssystemen zu testen, ohne separate physische Hardware zu benötigen. Zweitens verbessern sie die Sicherheit, indem sie jede Umgebung isolieren und somit die Auswirkungen von Ausfällen oder Angriffen begrenzen. Drittens verbessern traditionelle VMs die Hardwareauslastung, indem sie Organisationen ermöglichen, Server zu konsolidieren und Kosten zu senken, indem sie mehrere virtuelle Maschinen auf weniger physischen Geräten ausführen. Trotz dieser Vorteile ist der Ressourcen-Overhead, um ein vollständiges Betriebssystem innerhalb jeder VM auszuführen, erheblich und verbraucht Ressourcen, die andernfalls von den Anwendungen selbst genutzt werden könnten.
Der Bedarf an spezialisierten VMs in der Blockchain
Während traditionelle VMs darauf abzielen, vollständige Betriebssysteme zu replizieren, adressieren Blockchain-VMs ein anderes kritisches Erfordernis: sicherzustellen, dass jeder Knoten in einem dezentralen Netzwerk denselben Code ausführt und zu identischen Ergebnissen kommt, um den Konsens zu wahren. Praktisch bedeutet dies, dass Blockchain-VMs strenge Regeln für arithmetische Operationen, Speicherzuweisung und Ressourcennutzung durchsetzen müssen, um Determinismus zu garantieren. Wenn verschiedene Knoten unterschiedliche Ergebnisse aus derselben Transaktion produzieren würden, könnte die Blockchain den Konsens nicht erreichen, was potenziell zu Netzwerkspaltungen und einem Vertrauensverlust in das Ledger führen könnte.
Darüber hinaus operieren Blockchains in potenziell feindlichen Umgebungen, die robuste Sicherheit erfordern. Böswillige Akteure könnten versuchen, Schwachstellen in Smart Contracts oder in der VM selbst auszunutzen, um Gelder zu stehlen oder den Zustand des Netzwerks zu korrumpieren. Folglich sandkisten Blockchain-VMs die Ausführung von Verträgen und verfolgen akribisch den Ressourcenverbrauch—typischerweise durch Mechanismen wie "Gas", "Zyklen" oder ähnliche Gebühren—um Denial-of-Service-Angriffe oder unendliche Schleifen zu verhindern. Diese Überlegungen verleihen Blockchain-VMs einen einzigartigen Charakter: Sie sind fokussierter und spezialisierter als allgemeine Betriebssysteme, müssen jedoch ausreichend robust sein, um komplexe, Turing-vollständige Logik auf deterministische Weise zu behandeln.
Ethereum Virtual Machine (EVM)
2015 von Ethereum eingeführt, war die EVM der Pionier des Konzepts einer weit verbreiteten Blockchain-VM und etablierte ein Modell, wie dezentrale Anwendungen (dApps) auf einer gemeinsamen globalen Computerplattform betrieben werden könnten. Sie verwendet eine stackbasierte Architektur und verarbeitet 256-Bit-Worte, eine Designentscheidung, die teilweise darauf abzielt, kryptographische Operationen zu vereinfachen und Konsistenz über verschiedene Hardware hinweg zu gewährleisten. Dieses 256-Bit-Modell führt jedoch zu Overhead, wenn es auf typischen 64-Bit-CPUs ausgeführt wird, da Operationen, die in einer 64-Bit-Umgebung einzelne Schritte sind, mehrere Operationen in der EVM erfordern können.
Entwickler schreiben EVM-Smart Contracts in Hochsprache wie Solidity oder Vyper, die dann in EVM-Bytecode kompiliert werden. Die EVM interpretiert jeden Opcode und berechnet den Benutzern "Gas" für jede durchgeführte Operation. Während dieser Mechanismus Denial-of-Service-Angriffe effektiv abschwächt, offenbart er auch bestimmte Ineffizienzen. Die interpretative Ausführung kann langsamer sein als kompilierte Ansätze, und die Preisgestaltung für Gas kann schwierig zu optimieren sein. Das Upgrade oder die Erweiterung der EVM erfordert oft einen Hard Fork des Ethereum-Netzwerks, was die Flexibilität bei der Implementierung neuer kryptographischer Werkzeuge oder Leistungsoptimierungen einschränken kann. Dennoch macht das umfangreiche Ökosystem von Entwicklerwerkzeugen, Bibliotheken und Community-Unterstützung die EVM zu einer weit verbreiteten Wahl für viele dApps.
WebAssembly (WASM)
WebAssembly (WASM) entstand im Kontext von Webbrowsern und bietet ein plattformunabhängiges Bytecode-Format, das Webbrowser mit nahezu nativer Geschwindigkeit ausführen können. Sein Erfolg in Webumgebungen zog bald die Aufmerksamkeit im Blockchain-Bereich auf sich, wo Leistung, Modularität und Flexibilität in Programmiersprachen hoch geschätzt werden. Im Gegensatz zur EVM verwendet WASM Standard-32-Bit- oder 64-Bit-Wortgrößen, was es näher an modernen CPU-Architekturen ausrichtet. Diese Ausrichtung verringert einige Risiken von Ganzzahlüberläufen und senkt den Overhead im Vergleich zu Ethereums 256-Bit-Worten.
Darüber hinaus unterstützt WASM Just-In-Time (JIT) oder Ahead-of-Time (AOT) Kompilierung, wodurch Code in native Anweisungen für die zugrunde liegende Hardware übersetzt werden kann. Dieser Ansatz kann die Ausführung im Vergleich zu interpretativen Modellen erheblich beschleunigen. Entwickler können auch Smart Contracts in verschiedenen Sprachen wie Rust, C, C++, AssemblyScript oder anderen schreiben, die in WASM kompiliert werden können, was es für Entwickler, die mit Solidity nicht vertraut sind, zugänglicher macht. Während die sich entwickelnden Spezifikationen von WASM—insbesondere Funktionen wie Threads und SIMD—nicht immer direkt auf Blockchains anwendbar sind (die deterministische Ausführung erfordern), bleibt es eine überzeugende Option für Plattformen wie Polkadot, $NEAR und Cosmos, die breitere Sprachunterstützung und höheren Transaktionsdurchsatz anstreben.
Solanas Sealevel Virtual Machine (SVM)
Solanas Sealevel Virtual Machine (SVM) verfolgt eine andere Strategie, die hohen Durchsatz und Parallelität priorisiert. Es kompiliert Smart Contracts in Berkeley Packet Filter (BPF) Bytecode, der ursprünglich für die effiziente Filterung von Netzwerkpaketen in Betriebssystemen entwickelt wurde. Durch die Nutzung von Multi-Core-Hardware und die Segmentierung des Netzwerkstatus kann Solana Tausende von Transaktionen gleichzeitig verarbeiten, vorausgesetzt, diese Transaktionen müssen nicht dieselben Daten ändern. Dieser Ansatz steht im krassen Gegensatz zu vielen ein- oder begrenzt parallelisierten Umgebungen wie der EVM und ermöglicht es $SOL , Transaktionsdurchsatzniveaus zu erreichen, die traditionelle Blockchains schwer erreichen können.
Diese Geschwindigkeit hat jedoch bestimmte Kompromisse zur Folge. Die Hardwareanforderungen für den Betrieb eines Solana-Validators sind relativ hoch, was potenziell die Dezentralisierung des Netzwerks beeinträchtigen kann. Die Verwaltung von Statuskollisionen—bei denen mehrere Transaktionen versuchen, dieselben On-Chain-Daten zu ändern—fügt ebenfalls Komplexität zum Design hinzu. Nichtsdestotrotz bietet SVMs Parallelität die Kapazität, Verkehrsspitzen zu bewältigen, die weniger skalierbare Systeme überwältigen würden, insbesondere für hochdynamische dezentrale Finanzanwendungen (DeFi) oder NFT-Plattformen.
CKB-VM (RISC-V)
Das CKB-VM des Nervos Netzwerks nutzt den RISC-V-Befehlssatz, der für seine Open-Source-Natur, Einfachheit und Modularität bekannt ist. Im Gegensatz zu WASM, das ursprünglich für Browser entwickelt wurde, ist RISC-V eine tatsächliche CPU-Architektur, die in Hardware implementiert oder in Software emuliert werden kann. Durch die Kompilierung von Smart Contract-Code in RISC-V-Anweisungen erhält das CKB-VM mehrere deutliche Vorteile. Erstens vermeidet es den Overhead der interpretativen Ausführung, wenn es auf RISC-V-Hardware läuft—was potenziell nahezu native Geschwindigkeiten erreichen kann. Zweitens ermöglicht es Entwicklern, neue kryptographische Primitiven oder Datenstrukturen direkt als On-Chain-Skripte einzuführen, ohne ein netzwerkweites Upgrade zu benötigen. Dieses Design fördert ein hohes Maß an Flexibilität und Erweiterbarkeit, während es dennoch den Determinismus aufrechterhält.
Da RISC-V im Vergleich zu EVM oder WASM im Blockchain-Bereich weniger etabliert ist, ist das Tooling rund um CKB-VM nicht so umfangreich. Sprachen wie Rust, C und Go bieten jedoch bereits die Möglichkeit zur Kreuzkompilierung nach RISC-V. Diese Kombination aus Flexibilität, Leistungspotenzial und zukunftssicherem Design könnte zunehmend wertvoll werden, während die Branche versucht, fortschrittliche Kryptographie (wie Null-Wissen-Beweise) zu integrieren, ohne disruptive Protokolländerungen zu erfordern.
Vergleiche: Ressourcenmessung, Determinismus und darüber hinaus
Alle Blockchain-VMs teilen grundlegende Merkmale, um die Stabilität und Sicherheit des dezentralen Konsenses zu gewährleisten. Erstens implementiert jede VM die Ressourcenmessung—ob als Gas, Zyklen oder Recheneinheiten bezeichnet—um unendliche Schleifen und schädliche Codeausführung zu entmutigen. Zweitens ist Determinismus von größter Bedeutung: Ein Vertrag, der auf verschiedenen Maschinen unterschiedliche Ergebnisse liefert, würde die Integrität des Ledgers untergraben. Durch die Durchsetzung strenger Regeln, wie Daten verarbeitet werden (z.B. Ganzzahl-Arithmetik ohne Fließkommaoperationen), garantieren Blockchain-VMs konsistente Ergebnisse über alle Knoten hinweg.
Trotz dieser Gemeinsamkeiten beinhaltet jedes Design einzigartige Kompromisse:
* EVM: Profitiert von einem reichen Ökosystem und umfangreicher Entwicklerunterstützung, leidet jedoch unter langsamerer Ausführung und einer 256-Bit-Architektur, die auf modernen CPUs ineffizient sein kann.
* WASM: Bietet hohe Leistung, breite Sprachunterstützung und nahezu native Kompilierung, aber seine Spezifikation und Toolchain entwickeln sich weiterhin.
* SVM: Bietet extreme Parallelität für hohen Durchsatz, bringt jedoch höhere Hardwareanforderungen und potenzielle Bedenken hinsichtlich der Dezentralisierung mit sich.
* CKB-VM (RISC-V): Verfügt über einen minimalistischen Befehlssatz für Geschwindigkeit und Erweiterbarkeit, obwohl seine Akzeptanz und das Tooling weniger verbreitet sind als bei EVM oder WASM.
Fazit
Obwohl sowohl traditionelle VMs als auch Blockchain-VMs grundsätzlich "Computer innerhalb von Computern" sind, unterscheiden sich ihre Ziele und Einschränkungen erheblich. Traditionelle VMs zielen darauf ab, vollständige Betriebsumgebungen zu replizieren—sie bieten die Bequemlichkeit, Ubuntu auf einem Windows-Host auszuführen, um Tests durchzuführen oder durch Isolation verbesserte Sicherheit zu gewährleisten. Blockchain-VMs hingegen sind darauf spezialisiert, Berechnungen über potenziell Tausende von Knoten zu synchronisieren, von denen jeder verpflichtet ist, denselben Code identisch zu interpretieren und zu validieren. Dies führt zu einer Reihe spezialisierter Ausführungsumgebungen—EVM, WASM, SVM und RISC-V-basiertes CKB-VM—die in unterschiedlicher Weise Sicherheit, Determinismus und Leistung priorisieren. Das Verständnis dieser Nuancen ist für Entwickler und Unternehmen entscheidend, um die geeignete VM für ihren spezifischen Anwendungsfall auszuwählen, sei es beim Aufbau eines DeFi-Protokolls auf Ethereum, beim Experimentieren mit paralleler Ausführung auf Solana oder beim Nutzen der Erweiterbarkeit einer RISC-V-basierten Blockchain. Während sich dezentrale Technologie weiterentwickelt, wird die fortlaufende Entwicklung dieser VMs zweifellos beeinflussen, wie wir die nächste Generation von Blockchain-Anwendungen entwickeln und betreiben.
