Віртуальні машини: Технологія, яка підштовхує системи та блокчейни

Що вам потрібно знати

• Віртуальні машини дозволяють одночасно виконувати кілька операційних систем і додатків на одному фізичному пристрої
• Це ідеальні інструменти для забезпечення безпеки під час тестування невідомого програмного забезпечення, ізоляції ризикованих програм або експериментування з новими середовищами
• У світі блокчейн віртуальні машини, такі як EVM (Ethereum Virtual Machine), є двигуном, який дозволяє тисячам смарт-контрактів та децентралізованих додатків надійно працювати в глобальних мережах.
• Незважаючи на свою універсальність, віртуальні машини можуть впливати на продуктивність, споживати додаткові ресурси та додавати операційну складність.

Вступ: Чому існують віртуальні машини?

Уявіть, що вам потрібно запустити Linux на вашому комп'ютері з Windows або протестувати додаток, який працює лише на macOS, не змінюючи вашу основну систему. Віртуальні машини роблять це можливим, створюючи ізольовані середовища, де різні операційні системи співіснують без конфліктів. Ця технологія виходить за межі персональних комп'ютерів: у всесвіті блокчейн віртуальні машини стали основною інфраструктурою, яка підтримує цілу цифрову економіку смарт-контрактів та децентралізованих додатків.

Анатомія віртуальної машини

Віртуальна машина — це, по суті, змодельований комп'ютер, який працює всередині вашого фізичного комп'ютера. Вона не вимагає додаткового апаратного забезпечення або змін у вашій інфраструктурі. Ви можете встановити повну операційну систему, зберігати дані, запускати програми та підключатися до мереж, але все це відбувається в контрольованому та ізольованому середовищі на вашому хост-пристрої.

Ключовим компонентом, який робить це можливим, є гіпервізор, спеціалізоване програмне забезпечення, яке діє як посередник. Його функція полягає в поділі та розподілі реальних фізичних ресурсів (процесор, оперативна пам'ять, зберігання) між кількома віртуальними машинами, дозволяючи всім ефективно ділитися одним і тим же апаратним забезпеченням без завад.

Існує дві основні категорії гіпервізорів:

Гіпервізори типу 1 (Bare-metal): встановлюються безпосередньо на апаратному забезпеченні без залежності від попередньої операційної системи. Вони поширені в центрах обробки даних та хмарних платформах, оптимізовані для максимальної продуктивності та ефективності.

Гіпервізори типу 2 (Розміщені): працюють як звичайні додатки в вашій поточній операційній системі. Вони ідеальні для розробників, які хочуть експериментувати з новими технологіями, не compromising їх основне середовище.

Двигун за віртуальними машинами

Технічне функціонування віртуальної машини повністю залежить від того, як гіпервізор управляє ресурсами. Коли ви активуєте віртуальну машину, гіпервізор виділяє конкретну частину ЦП, ОП, та місця для зберігання. Віртуальна машина тоді може працювати повністю як незалежний комп'ютер, хоча насправді вона ділиться ресурсами з іншими віртуальними машинами на одному хості.

Цей механізм дозволяє одному фізичному серверу розміщувати десятки або навіть сотні віртуальних машин, кожна з яких працює на різних операційних системах та виконує абсолютно різні програми, не заважаючи одна одній.

Випадки використання в традиційних системах

Безпечне тестування нових операційних систем

Експериментувати з іншим операційним середовищем ніколи не було так просто. Ви можете створити ізольоване середовище, встановити будь-яку систему, яку хочете, і досліджувати без ризиків. Якщо щось піде не так, просто видаліть віртуальну машину і поверніться до вашої основної системи неушкодженою.

Контроль загроз і потенційно небезпечне програмне забезпечення

Отримали файл з підозрілого джерела? Хочете встановити програму, якій повністю не довіряєте? Запуск її в віртуальній машині виступає як бар'єр безпеки. Якщо програмне забезпечення містить шкідливе ПЗ або викликає проблеми, ізольована віртуальна машина утримує його, захищаючи вашу основну систему від будь-яких пошкоджень.

Підтримка для застарілих додатків

Деякі підприємницькі або спеціалізовані програми були розроблені для старих операційних систем, таких як Windows XP. Віртуальні машини можуть відтворити ці специфічні середовища, дозволяючи вам продовжувати використовувати критично важливе програмне забезпечення, яке інакше було б несумісним з сучасними комп'ютерами.

Розробка та валідація на кількох платформах

Розробники використовують віртуальні машини для тестування коду на різних операційних системах одночасно. Це забезпечує правильну роботу програми незалежно від того, яку платформу використовує кінцевий користувач, зменшуючи неприємні сюрпризи після випуску.

Хмарна інфраструктура

Більшість хмарних сервісів використовують віртуальні машини як основу. Коли ви орендуєте сервер у хмарі, ви орендуєте віртуальну машину, розміщену в віддаленому дата-центрі, готову до запуску ваших додатків, веб-сайтів або баз даних.

Віртуальні машини в блокчейні: серце децентралізованого виконання

Віртуальні машини в блокчейні працюють за іншим принципом, ніж традиційні віртуальні машини. Тоді як останні є ізольованими середовищами на одному комп'ютері, блокчейн-віртуальні машини є розподіленими машинами стану, які виконують код смарт-контрактів послідовно на тисячах комп'ютерів одночасно по всій мережі.

Ефірна віртуальна машина: промисловий стандарт

Ethereum Virtual Machine (EVM) революціонізувала спосіб виконання смарт-контрактів. Вона дозволяє розробникам писати код мовами, такими як Solidity, Vyper або Yul, які потім компілюються в байт-код і виконуються всередині EVM. Важливо, що кожен вузол в мережі Ethereum виконує точно той же код однаковим чином, що гарантує, що всі погоджуються з результатом.

Багато блокчейнів прийняли сумісність з EVM, оскільки це полегшує міграцію або одночасний запуск існуючих застосунків на кількох мережах, сприяючи взаємопов'язаній екосистемі.

Різноманітність віртуальних машин блокчейн

Не всі блокчейн-мережі використовують одну й ту ж віртуальну машину. Це різноманіття відображає різні пріоритети дизайну:

NEAR та Cosmos впроваджують віртуальні машини на основі WebAssembly (WASM), відкритий стандарт, що дозволяє писати смарт-контракти на різних мовах програмування, підвищуючи доступність для розробників.

Sui використовує MoveVM, який виконує контракти, написані на Move, мові, створеній спеціально для блокчейн-додатків з акцентом на безпеку та ясність ресурсів.

Solana впроваджує свою власну персоналізовану віртуальну машину (SVM), розроблену для обробки масових паралельних транзакцій та управління надзвичайно високими обсягами мережевої активності, оптимізуючи швидкість понад усе.

Віртуальні машини для рішень щодо масштабування

У мережах другого рівня, розроблених для прискорення транзакцій, виникають спеціалізовані віртуальні машини. zkEVM (віртуальні машини нульового знання) дозволяють zk-rollup'ам виконувати смарт-контракти, зберігаючи переваги нульових доказів знання, створюючи міст між масштабованістю та безпекою.

Віртуальні машини в дії: приклади з реального світу

Хоча невидимі, віртуальні машини постійно працюють у фоновому режимі щоразу, коли ти взаємодієш з блокчейном:

• DeFi транзакції: коли ви здійснюєте обмін токенів на децентралізованій торговій платформі, віртуальна машина виконує логіку смарт-контракту, яка полегшує атомний обмін, розраховує ціни та передає кошти.

• NFT та цифрова власність: віртуальна машина постійно виконує код, який підтримує незмінний реєстр того, хто є власником кожного невзаємозамінного токена. Коли ви купуєте або передаєте NFT, віртуальна машина оновлює записи про власність.

• Прискорені транзакції на другому рівні: якщо ви використовуєте рішення для масштабування другого рівня, ваші транзакції обробляються за допомогою спеціалізованих віртуальних машин, які оптимізують швидкість і вартість, при цьому зберігаючи безпеку основної мережі.

Внутрішні виклики віртуальних машин

Перевантаження продуктивності та споживання ресурсів

Віртуальні машини вставляють додатковий шар між кодом, що виконується, та фізичним апаратним забезпеченням. Ця абстракція, хоча й забезпечує безпеку та гнучкість, має свою ціну: зниження продуктивності та збільшене споживання пам'яті та обчислювальної потужності в порівнянні з виконанням коду безпосередньо на апаратному забезпеченні.

Операційна складність та обслуговування

Утримання віртуальних машин, особливо в розподілених інфраструктурах або блокчейн-середовищах, вимагає значного технічного досвіду. Налаштування, оновлення, моніторинг та усунення неполадок потребують часу, спеціалізованих інструментів та кваліфікованого персоналу.

Фрагментація сумісності

Розумний контракт, написаний для виконання в EVM, вимагає значного переписування або адаптації, щоб працювати на блокчейнах, які використовують різні віртуальні машини, такі як SVM Солани. Розробники, які бажають запускати багатоланцюгові додатки, повинні вкласти додаткові зусилля в портативність і тестування, що збільшує витрати на розробку.

Остаточне роздуми

Віртуальні машини є основною технологією як у традиційних обчисленнях, так і в екосистемах блокчейн. На персональних комп'ютерах вони забезпечують гнучкість, безпеку та ефективність ресурсів. У децентралізованих блокчейн-мережах вони є механізмом, який дозволяє тисячам смарт-контрактів виконуватись надійно та послідовно через глобальну мережу.

Розуміння того, як працюють віртуальні машини, надає вам кращу уяву про невидиму інфраструктуру, яка підтримує інструменти та децентралізовані додатки, які ви використовуєте в екосистемі DeFi та Web3.