EVM(Ethereum Virtual machine)

빨간색 글씨는 추후 연구 후에 update 예정

EVM(Ethereum Virtual machine)은 스마트 컨트랙트의 Byte Code를 실행하는 32Byte Stack 기반의 실행 환경으로 최대 크기는 1024Byte이다. 이더리움의 각 노드는 EVM을 포함하고 있으며, EVM을 통해 컨트랙트의 Byte Code를 Op코드로 변환 후 내부에서 실행한다.

[그림1] Op code Example

<Op code operation>

0s: Stop and Arithmetic Operations

0x00    STOP        Halts execution
0x01    ADD         Addition operation
0x02    MUL         Multiplication operation
0x03    SUB         Subtraction operation
0x04    DIV         Integer division operation
0x05    SDIV        Signed integer
0x06    MOD         Modulo
0x07    SMOD        Signed modulo
0x08    ADDMOD      Modulo
0x09    MULMOD      Modulo
0x0a    EXP         Exponential operation
0x0b    SIGNEXTEND  Extend length of two's complement signed integer

10s: Comparison & Bitwise Logic Operations

0x10    LT      Lesser-than comparison
0x11    GT      Greater-than comparison
0x12    SLT     Signed less-than comparison
0x13    SGT     Signed greater-than comparison
0x14    EQ      Equality  comparison
0x15    ISZERO  Simple not operator
0x16    AND     Bitwise AND operation
0x17    OR      Bitwise OR operation
0x18    XOR     Bitwise XOR operation
0x19    NOT     Bitwise NOT operation
0x1a    BYTE    Retrieve single byte from word

20s: SHA3

0x20    SHA3    Compute Keccak-256 hash

30s: Environmental Information

0x30    ADDRESS         Get address of currently executing account
0x31    BALANCE         Get balance of the given account
0x32    ORIGIN          Get execution origination address
0x33    CALLER          Get caller address. This is the address of the account that is directly responsible for this execution
0x34    CALLVALUE       Get deposited value by the instruction/transaction responsible for this execution
0x35    CALLDATALOAD    Get input data of current environment
0x36    CALLDATASIZE    Get size of input data in current environment
0x37    CALLDATACOPY    Copy input data in current environment to memory This pertains to the input data passed with the message call instruction or transaction
0x38    CODESIZE        Get size of code running in current environment
0x39    CODECOPY        Copy code running in current environment to memory
0x3a    GASPRICE        Get price of gas in current environment
0x3b    EXTCODESIZE     Get size of an account's code
0x3c    EXTCODECOPY     Copy an account's code to memory

40s: Block Information

0x40    BLOCKHASH   Get the hash of one of the 256 most recent complete blocks
0x41    COINBASE    Get the block's beneficiary address
0x42    TIMESTAMP   Get the block's timestamp
0x43    NUMBER      Get the block's number
0x44    DIFFICULTY  Get the block's difficulty
0x45    GASLIMIT    Get the block's gas limit

50s Stack, Memory, Storage and Flow Operations

0x50    POP         Remove item from stack
0x51    MLOAD       Load word from memory
0x52    MSTORE      Save word to memory
0x53    MSTORE8     Save byte to memory
0x54    SLOAD       Load word from storage
0x55    SSTORE      Save word to storage
0x56    JUMP        Alter the program counter
0x57    JUMPI       Conditionally alter the program counter
0x58    PC          Get the value of the program counter prior to the increment
0x59    MSIZE       Get the size of active memory in bytes
0x5a    GAS         Get the amount of available gas, including the corresponding reduction
0x5b    JUMPDEST    Mark a valid destination for jumps

60s & 70s: Push Operations

0x60    PUSH1   Place 1 byte item on stack
0x61    PUSH2   Place 2-byte item on stack
…
0x7f    PUSH32  Place 32-byte (full word) item on stack

80s: Duplication Operations

0x80    DUP1    Duplicate 1st stack item
0x81    DUP2    Duplicate 2nd stack item
…
0x8f    DUP16   Duplicate 16th stack item

90s: Exchange Operations

0x90    SWAP1   Exchange 1st and 2nd stack items
0x91    SWAP2   Exchange 1st and 3rd stack items
…   …
0x9f    SWAP16  Exchange 1st and 17th stack items

a0s: Logging Operations

0xa0    LOG0    Append log record with no topics
0xa1    LOG1    Append log record with one topic
…   …
0xa4    LOG4    Append log record with four topics

f0s: System operations

0xf0    CREATE          Create a new account with associated code
0xf1    CALL            Message-call into an account
0xf2    CALLCODE        Message-call into this account with alternative account's code
0xf3    RETURN          Halt execution returning output data
0xf4    DELEGATECALL    Message-call into this account with an alternative account's code, but persisting the current values for `sender` and `value`

Halt Execution, Mark for deletion

0xff    SELFDESTRUCT    Halt execution and register account for later deletion

reference: https://ethereum.stackexchange.com/questions/119/what-opcodes-are-available-for-the-ethereum-evm

EVM은 Op코드의 program counter를 0부터 증가시키면서 연산을 수행한다. 최종적으로 error가 나거나 STOP, RETURN명령어 또는 실행이 완료될 때까지 Op코드를 계속 실행하면서 Gas를 소비한다. 만약 Gas가 충부하지 않거나, 잘못된 명령어이거나, 스택의 항목이 1024를 넘어 overflow가 발생하는 등의 예외 상황이 발생하면 실행이 중단되고 모늗 상태변화 내용은 취소된다.(Q. 아마 이미 소비된 Gas는 돌려받지 못하는 것으로 알고 있다.)

EVM의 특징들(수정 필요)

1. 32Byte word size를 지원

2. 메모리 크기가 가변적이고 스택의 크기에 제한이 없다.

3. 반복 호출 횟수(call depth)를 1024로 제한하여 함수 반복 호출을 통한 공격으로 성능이 저하되거나 보안 문제가 발생하는 것을 방지하였다.

4. 메모리의 크기가 가변적이고 스택의 크기에 제한이없다.(Q스택이 무제한으로 늘어나도 EVM의 크기랑 무관한 것인가? 이 글의 맨앞에서 EVM의 최대 크기는 1024Byte라고 하지 않았는가? - core ethereum progamming책 P.111)

5. Stack 기반 가상 머신이다. 이는 EVM 명령어를 저장하는 데 필요한 저장 공간을 최대한 줄이기 위해서 이다.(일반 컴퓨터는 레지스터 기반 머신이다.)

[그림2] STACK기반 가상머신의 저장공간에서의 장점

Stack 영역

- 32Byte size로 저장

- 스택의 최대 크기는 1024개로 제한

- 내부 함수 호출도 마치 일반적인 연산처럼 EVM stack을 사용

- 다른 컨트랙트의 method를 호출할 때 메시지 콜을 위한 스택을 사용(메시지 콜 크기도 1024로 제한)

Call Data 영역 (Zero Byte => 4Gas // Non-Zero Byte => 68Gas)

- ethereum에 transaction을 요청했을 때 전송되는 데이터들이 기록되는 저장 공간(어느 경우인지 코드를 통해 다시 이해)

Log영역 (32Byte당 96Gas)

- 스마트 컨트랙트가 실행될 때 부가적인 정보를 기록하기 위한 공간

- Log영역의 데이터를 읽으려면 web3.js를 이용하여 DApp을 개발해야 한다.

Storage 영역  (32Byte당 20,000Gas)

- Blockchain에 영구적으로 기록하기 위한 저장 공간이다.

- Key(32Byte)/Value(32Byte)를 mapping하기 위한 구조이다.

Memory 영역  (32Byte당 1Gas)

- 함수를 호충하거나 메모리 연산을 수행할 때 임시로 사용

- 메시지 호출이 발생할 때마다 초기화된 메모리 영역이 컨트랙트에 제공된다.

- 읽기: 32Byte단위 

- 쓰기: 1Byte or 32Byte 모두 가능