EVM Principle Analysis

Research

一些关于ETH和EVM的笔记

以太坊知识体系

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      区块链基础
      什么是智能合约？
      以太坊虚拟机 (EVM)
      账户与钱包
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    技术实践
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      智能合约开发
        Solidity 语言
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        与DApp交互
    生态与应用
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        市场与应用
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        Rollups
        侧链
    安全与最佳实践
      常见安全漏洞
      代码审计
      安全开发模式

核心数据结构

  • 状态树
  • 交易树
  • 收据树
  • 数据结构使用 MPT(Modified-Merkle-Paricia-Trie)

以太币（ETH）：以太坊的原生加密货币。它有两个主要用途：

  1. 支付交易手续费（Gas Fee）：在网络上执行任何操作（如转账、运行智能合约）都需要支付Gas费，以ETH计价
  2. 价值存储：类似于比特币，它也被视为一种数字资产

单位

下表从上到下，每个单位是下一个的 1,000倍 (10³)

名称 换算关系 以 Wei 为单位 主要用途与说明
Wei - 1 Wei 最基本单位，智能合约和底层交易处理时使用
Kwei / Babbage = 1,000 Wei 10³ Wei 较少使用
Mwei / Lovelace = 1,000,000 Wei 10⁶ Wei 较少使用
Gwei / Shannon = 1,000,000,000 Wei 10⁹ Wei 最常用、最重要的单位，主要用于表示 Gas 价格
Szabo = 1,000 Gwei 10¹² Wei 较少使用，1 Szabo = 10⁶ Wei
Finney = 1,000 Szabo 10¹⁵ Wei 接近一个ETH的单位，1 Finney = 10⁻³ ETH
Ether (ETH) = 1,000 Finney 10¹⁸ Wei 标准交易单位，我们在交易所买卖、用于标价的就是它

账户和钱包

  • 外部拥有账户（EOA）和合约账户（主要代码控制）

关于EVM

EVM (Ethereum Virtual Machine), Watch this video, It’s very helpful，https://www.youtube.com/watch?v=kCswGz9naZ，EVM负责管理以太坊的全局状态。它根据输入（交易）和预定义规则（智能合约代码），从一个状态计算出下一个新的有效状态

EVM Introduce: https://ethereum.org/zh/developers/docs/evm/

基础架构

flowchart TD
    subgraph A [EVM 执行上下文]
        direction TB
        TX[交易数据] --> EVM
        SC[智能合约字节码] --> EVM
        B[区块链状态
Block Number, Coinbase, etc.] --> EVM
        
        subgraph EVM [EVM 核心运行时]
            direction LR
            Stack[堆栈 Stack
LIFO， 1024深度] --> M[内存 Memory
易失性， 按字扩展]
            M --> Stack
        end

        EVM -- 读写 --> Storage[持久化存储 Storage
合约账户状态]
    end

    Gas[Gas 供给] -- 为每条指令消耗 --> EVM
    EVM -- 执行完毕 --> R[结果状态变更或回滚]

EVM数据区域详解

区域 生命周期 Gas成本 用途
堆栈 (Stack) 执行期间 低 执行计算和操作的主要场所。存放局部变量、函数参数。
内存 (Memory) 单次交易执行 需要支付（扩展时） 用于存储临时数据，如数组、结构体，或传递给外部调用的数据。
存储 (Storage) 永久（直到修改） 非常昂贵 存储合约的关键状态变量。写入操作尤其耗Gas。
Calldata 单次交易执行 只读，成本低 存储传入交易的原始输入数据，通常是函数选择器和参数。
代码 (Code) 永久 只读，成本低 存储当前合约的不可执行字节码。

EVM状态转换函数
$$
Y(S, T)= S’
$$

EVM执行流程

  1. 交易触发：一笔交易（来自用户或另一个合约）被发送到合约地址
  2. 上下文设置：EVM创建一个新的执行上下文，包括：
    • 剩余 Gas
    • calldata（输入数据）
    • 发送者 (msg.sender)、价值 (msg.value) 等全局变量
  3. 字节码解释：EVM读取合约的字节码，并开始逐条解释执行操作码（OPCODE）
  4. Gas 检查：在执行每条指令前，EVM检查剩余Gas是否足够。如果不足，将抛出 “out of gas” 错误，并回滚所有状态变更（但已消耗的Gas费不退）
  5. 执行循环：
  6. 执行结束：当遇到 STOP、RETURN 或 REVERT 指令时，执行停止
    • STOP/RETURN：正常结束，状态变更被确认
    • REVERT：主动回滚，状态变更无效，但剩余Gas退回
底部图片