Віртуальні машини: від традиційних систем до блокчейн-екосистеми

Основні положення

• Віртуальні машини створюють ізольовані обчислювальні середовища, дозволяючи одночасно працювати кільком операційним системам на єдиному фізичному обладнанні
• VM слугують пісочницею для безпечної роботи з невідомим софтом, тестування та розробки без ризику пошкодити основну систему
• У блокчейні віртуальні машини функціонують як виконавці смарт-контрактів, забезпечуючи єдине виконання коду по всій мережі вузлів
• Переваги VM (гнучкість, ізоляція) компенсуються недоліками: додаткове навантаження на ресурси, ускладнена налаштування та завдання сумісності коду

Вступ

Уявіть ситуацію: вам потрібно спробувати іншу операційну систему, але ви не хочете змінювати поточну на комп'ютері або купувати новий пристрій. Або потрібно протестувати невідомий додаток, але ви побоюєтеся вірусів і збоїв системи. Віртуальні машини вирішують обидві проблеми, створюючи захищене середовище всередині основної ОС.

У криптографії та децентралізованих мережах ВМ набули інше значення. Тут вони слугують фундаментом, на якому стоять смарт-контракти та децентралізовані додатки, забезпечуючи надійне та прозоре виконання коду на безлічі незалежних комп'ютерів.

Визначення та базова концепція

VM — це програмна імітація фізичного комп'ютера. Вона функціонує як самостійна машина всередині вашого основного пристрою, маючи власну операційну систему, файлову систему, доступ до мережі та встановлені програми. При цьому всі процеси залишаються повністю ізольованими від хост-системи.

Фізичний комп'ютер (хост) надає віртуальній машині необхідні ресурси: процесорні цикли, оперативну пам'ять, дисковий простір. Завдяки цьому ВМ працює незалежно, але не потребує окремого обладнання.

Технічний механізм: гіпервізор та управління ресурсами

За організацію роботи віртуальних машин відповідає спеціалізоване ПЗ — гіпервізор. Його задача: розподілити фізичні ресурси комп'ютера так, щоб кілька ВМ могли функціонувати одночасно без конфліктів.

Гіпервізори діляться на два класи:

Гіпервізори першого типу (Bare-metal) Встановлюються безпосередньо на фізичне обладнання, минаючи операційну систему. Такий підхід забезпечує максимальну ефективність та продуктивність, тому гіпервізори першого типу поширені в дата-центрах та хмарній інфраструктурі.

Гіпервізори другого типу (Hosted) Працюють як звичайний додаток поверх існуючої ОС. Вони менш вимогливі до ресурсів і краще підходять для локального тестування та розробки на персональному комп'ютері.

Практичне застосування: п'ять основних сценаріїв

Експериментування з іншими операційними системами

ВМ дозволяють безпечно вивчати альтернативні ОС — будь то інші версії Windows, macOS, різні дистрибутиви Linux — без жодних наслідків для поточної системи. Це ідеально підходить для користувачів, які бажають розширити свої знання.

Захист від шкідливих і невідомих програм

Якщо потрібно відкрити файл незрозумілого походження або спробувати програму з ненадійного джерела, запуск у VM захистить основний пристрій. Навіть якщо вірус заразить віртуальну машину, хост-система залишиться неушкодженою.

Використання застарілих додатків

Програми, розраховані на давні операційні системи (Windows XP, старі версії Linux), можна запустити в VM, яка відтворює необхідне середовище. Це дозволяє зберегти працездатність критичного легасі-програмного забезпечення.

Крос-платформенна розробка

Розробники використовують VM для одночасного тестування додатків на різних ОС, перевіряючи сумісність і поведінку коду в різних середовищах.

Хмарні обчислення

Великі хмарні провайдери розгортають VM у віддалених дата-центрах. Клієнти отримують віртуальні машини для розміщення веб-сайтів, баз даних, мобільних додатків — без необхідності володіти та обслуговувати фізичне обладнання.

Віртуальні машини в блокчейні: переосмислення концепції

У екосистемі блокчейну віртуальні машини набувають принципово іншої ролі. Якщо традиційні ВМ — це ізольовані середовища для операційних систем, то ВМ у крипто-мережах — це інтерпретатори та виконавці коду смарт-контрактів.

Віртуальна машина Ethereum (EVM)

EVM — один з найвідоміших прикладів. Вона дозволяє розробникам писати смарт-контракти на мовах Solidity, Vyper та Yul, а потім розгорнути їх у мережі Ethereum або інших мережах, сумісних з EVM.

Критично важливий момент: EVM гарантує, що кожен вузол мережі виконує один і той же код однаково. Це створює умови для справжньої децентралізації — жоден окремий вузол не може змінити результат обчислення відповідно до своїх інтересів.

Різноманітність VM в альтернативних блокчейнах

Різні мережі обирають власні віртуальні машини залежно від своїх пріоритетів:

• NEAR та Cosmos використовують VM на основі WebAssembly, що підтримують розробку смарт-контрактів на кількох мовах програмування
• Sui використовує MoveVM для виконання контрактів, написаних на спеціально розробленій мові Move, яка забезпечує безпеку операцій з активами
• Solana реалізує власне середовище виконання (SVM), яке обробляє транзакції паралельно і справляється з екстремальними навантаженнями мережі.

Як віртуальні машини працюють у повсякденній взаємодії користувача

Коли ви взаємодієте з децентралізованими додатками, віртуальні машини працюють у фоновому режимі:

При торгівлі через DeFi-протоколи Коли ви виконуєте своп токенів на децентралізованій біржі, смарт-контракти, які працюють всередині EVM, обробляють транзакцію, перевіряють баланси, виконують обмін та оновлюють стан блокчейну.

При роботі з невзаємозамінними токенами Коли створюється або передається NFT, віртуальна машина виконує код, що керує правами власності на цифровий актив. VM оновлює реєстр, відображаючи зміну власника.

При використанні рішень другого рівня Ролапи другого рівня часто застосовують спеціалізовані віртуальні машини (, наприклад, zkEVM) для обробки численних транзакцій поза основною цепю з збереженням гарантій безпеки через нульові докази.

Обмеження та виклики віртуальних машин

Зниження продуктивності

VM додає додатковий рівень абстракції між обладнанням та виконуваним кодом. Це може призвести до збільшення затримок або споживання більшої кількості процесорних циклів у порівнянні з прямим виконанням на фізичній машині.

Складність управління

Розгортання, конфігурування та підтримка VM вимагає спеціалізованих знань. У великомасштабній інфраструктурі це обслуговування стає енергоємним і дорогим процесом.

Проблеми переносимості коду

Смарт-контракти зазвичай розробляються під конкретну VM. Код, написаний для EVM, не буде працювати в SVM або MoveVM без значної переробки та адаптації. Розробникам доводиться створювати окремі версії для кожної платформи.

Висновок

Віртуальні машини — це фундаментальна технологія, яка виконує подвійні функції. На традиційних комп'ютерах вони забезпечують гнучкість, безпеку та ефективне використання обладнання. У блокчейні вони трансформувалися в виконавці смарт-контрактів, забезпечуючи єдине та прозоре виконання коду по всій децентралізованій мережі.

Навіть якщо ви не програміст, розуміння принципів, на яких працюють віртуальні машини, допомагає краще розібратися в архітектурі DeFi-протоколів, механізмі взаємодії з блокчейном і причинах появи різних оптимізаційних рішень в екосистемі.