Виртуальные Машины: Технология, Которая Движет Системами и Блокчейнами

Что вам нужно знать

• Виртуальные машины позволяют одновременно запускать несколько операционных систем и приложений на одном физическом устройстве
• Это идеальные инструменты для обеспечения безопасности при тестировании неизвестного программного обеспечения, изоляции рискованных программ или экспериментах с новыми средами.
• В мире блокчейна виртуальные машины, такие как EVM (Ethereum Virtual Machine), являются двигателем, который позволяет тысячам смарт-контрактов и децентрализованных приложений надежно работать в глобальных сетях.
• Несмотря на свою универсальность, виртуальные машины могут влиять на производительность, потреблять дополнительные ресурсы и добавлять операционную сложность.

Введение: Почему существуют виртуальные машины?

Представьте, что вам нужно запустить Linux на вашем компьютере с Windows или протестировать приложение, которое работает только на macOS, не изменяя вашу основную систему. Виртуальные машины делают это возможным, создавая изолированные среды, где разные операционные системы сосуществуют без конфликтов. Эта технология выходит за рамки персональных компьютеров: в мире блокчейна виртуальные машины стали основной инфраструктурой, поддерживающей целую цифровую экономику смарт-контрактов и децентрализованных приложений.

Анатомия виртуальной машины

Виртуальная машина — это, по сути, смоделированный компьютер, который работает внутри вашего физического компьютера. Она не требует дополнительного оборудования или изменений в вашей инфраструктуре. Вы можете установить полную операционную систему, хранить данные, запускать программы и подключаться к сетям, но все это происходит в контролируемой и изолированной среде на вашем хост-устройстве.

Ключевым компонентом, который делает это возможным, является гипервизор — специализированное программное обеспечение, которое выступает в качестве посредника. Его функция заключается в разделении и распределении реальных физических ресурсов ( процессор, оперативная память, хранилище ) между несколькими виртуальными машинами, позволяя всем эффективно делить одно и то же оборудование без помех.

Существуют две основные категории гипервизоров:

Гипервизоры типа 1 (Bare-metal): устанавливаются непосредственно на аппаратное обеспечение без зависимости от предварительной операционной системы. Они распространены в центрах обработки данных и облачных платформах, оптимизированы для максимальной производительности и эффективности.

Гипервизоры типа 2 (Размещенные): работают как обычные приложения в вашей текущей операционной системе. Они идеальны для разработчиков, которые хотят экспериментировать с новыми технологиями, не ставя под угрозу свою основную среду.

Двигатель за виртуальными машинами

Техническая работа виртуальной машины полностью зависит от того, как гипервизор управляет ресурсами. Когда вы активируете виртуальную машину, гипервизор выделяет конкретную долю ЦП, ОЗУ и дискового пространства. Виртуальная машина затем может работать полностью как независимый компьютер, хотя на самом деле она делит ресурсы с другими виртуальными машинами на том же хосте.

Этот механизм позволяет одному физическому серверу размещать десятки или даже сотни виртуальных машин, каждая из которых работает под управлением своей операционной системы и запускает совершенно разные приложения, при этом не мешая друг другу.

Случаи использования в традиционных системах

Проверка новых операционных систем

Экспериментировать с другой операционной системой никогда не было так просто. Вы можете создать изолированную среду, установить любую желаемую систему и исследовать без рисков. Если что-то пойдет не так, просто удалите виртуальную машину и вернитесь к своей основной системе в неповрежденном состоянии.

Контроль угроз и потенциально опасное программное обеспечение

Вы получили файл из сомнительного источника? Хотите установить программу, в которой не уверены полностью? Запуск ее в виртуальной машине действует как барьер безопасности. Если программное обеспечение содержит вредоносное ПО или вызывает проблемы, изолированная виртуальная машина его содержит, защищая вашу основную систему от любого ущерба.

Поддержка устаревших приложений

Некоторые бизнес-программы или специализированные приложения были разработаны для старых операционных систем, таких как Windows XP. Виртуальные машины могут воспроизводить эти специфические среды, позволяя вам продолжать использовать критически важное программное обеспечение, которое в противном случае было бы несовместимо с современными компьютерами.

Мультиплатформенная разработка и валидация

Разработчики используют виртуальные машины для тестирования кода на разных операционных системах одновременно. Это гарантирует, что приложение работает правильно, независимо от того, какую платформу использует конечный пользователь, уменьшая неприятные сюрпризы после выпуска.

Облачная инфраструктура

Большинство облачных сервисов используют виртуальные машины в качестве основы. Когда вы арендуете сервер в облаке, вы арендуете виртуальную машину, размещенную в удаленном дата-центре, готовую для запуска ваших приложений, веб-сайтов или баз данных.

Виртуальные машины в блокчейне: сердце децентрализованного выполнения

Виртуальные машины в блокчейне работают по принципу, отличному от принципа традиционных виртуальных машин. В то время как последние являются изолированными средами на одном компьютере, блокчейн-виртуальные машины – это распределенные машины состояния, которые последовательно выполняют код смарт-контрактов на тысячах компьютеров одновременно по всей сети.

Эфириум Виртуальная Машина: стандарт отрасли

Ethereum Virtual Machine (EVM) революционизировала выполнение смарт-контрактов. Она позволяет разработчикам писать код на языках, таких как Solidity, Vyper или Yul, который затем компилируется в байт-код и выполняется внутри EVM. Ключевым моментом является то, что каждый узел в сети Ethereum выполняет точно такой же код таким же образом, гарантируя, что все согласны с результатом.

Многие блокчейны приняли совместимость с EVM, потому что это упрощает миграцию существующих приложений или их одновременный запуск в нескольких сетях, способствуя взаимосвязанной экосистеме.

Разнообразие виртуальных машин блокчейн

Не все блокчейн-сети используют одну и ту же виртуальную машину. Это разнообразие отражает разные приоритеты дизайна:

NEAR и Cosmos внедряют виртуальные машины на основе WebAssembly (WASM), открытый стандарт, который позволяет писать смарт-контракты на нескольких языках программирования, увеличивая доступность для разработчиков.

Sui использует MoveVM, который выполняет контракты, запрограммированные на Move, языке, специально разработанном для блокчейн-приложений с акцентом на безопасность и ясность ресурсов.

Solana реализует свою собственную кастомизированную виртуальную машину (SVM), предназначенную для обработки массовых параллельных транзакций и управления чрезвычайно высокими объемами сетевой активности, оптимизируя скорость прежде всего.

Виртуальные машины для решений по масштабируемости

В сетях второго уровня, разработанных для ускорения транзакций, появляются специализированные виртуальные машины. zkEVM (виртуальные машины с нулевым знанием) позволяют zk-rollups выполнять смарт-контракты, сохраняя преимущества доказательств с нулевым знанием, создавая мост между масштабируемостью и безопасностью.

Виртуальные машины в действии: примеры из реального мира

Хотя невидимые, виртуальные машины постоянно работают в фоновом режиме каждый раз, когда вы взаимодействуете с блокчейном:

• DeFi-транзакции: когда вы обмениваете токены на децентрализованной торговой платформе, виртуальная машина выполняет логику смарт-контракта, который облегчает атомарный обмен, вычисляет цены и переводит средства.

• NFT и цифровая собственность: виртуальная машина постоянно выполняет код, который поддерживает неизменный реестр того, кто владеет каждым невзаимозаменяемым токеном. Когда вы покупаете или передаете NFT, виртуальная машина обновляет записи о собственности.

• Ускоренные транзакции на уровне 2: если вы используете решение для масштабирования на уровне 2, ваши транзакции обрабатываются специализированными виртуальными машинами, которые оптимизируют скорость и стоимость, при этом сохраняя безопасность основной сети.

Внутренние вызовы виртуальных машин

Перегрузка производительности и потребление ресурсов

Виртуальные машины вставляют дополнительный слой между выполняемым кодом и физическим оборудованием. Эта абстракция, хотя и обеспечивает безопасность и гибкость, имеет свою цену: сниженная производительность и повышенное потребление памяти и вычислительной мощности по сравнению с выполнением кода непосредственно на оборудовании.

Операционная сложность и обслуживание

Поддержка виртуальных машин, особенно в распределенных инфраструктурах или блокчейн-средах, требует значительного технического опыта. Настройка, обновление, мониторинг и решение проблем требуют времени, специализированных инструментов и квалифицированного персонала.

Фрагментация совместимости

Умный контракт, написанный для выполнения в EVM, требует значительной переработки или адаптации, чтобы функционировать на блокчейнах, использующих разные виртуальные машины, такие как SVM от Solana. Разработчикам, желающим запускать мульти-цепочные приложения, необходимо вложить дополнительные усилия в портируемость и тестирование, что увеличивает затраты на разработку.

Итоговое размышление

Виртуальные машины являются основополагающей технологией как в традиционных вычислениях, так и в экосистемах блокчейна. На персональных компьютерах они обеспечивают гибкость, безопасность и эффективность ресурсов. В децентрализованных блокчейн-сетях они являются механизмом, который позволяет тысячам смарт-контрактов выполняться надежно и последовательно через глобальную сеть.

Понимание того, как работают виртуальные машины, дает вам лучшее понимание невидимой инфраструктуры, которая поддерживает инструменты и децентрализованные приложения, которые вы используете в экосистеме DeFi и Web3.