從比特幣指令碼引擎到以太坊虛擬機器（上篇)

這個系列是目標受眾是區塊鏈開發者和有其他開發經驗的CS專業學生

面對媒體對區塊鏈相關技術的解讀和吹捧，許多人一時不知所措。投資人、大公司都在FOMO(fear of missing out)的心理驅動下，爭相宣佈all in區塊鏈。各路大咖坐而論道，談論區塊鏈技術的社會、政治、經濟乃至哲學上的意義。人類對未知和不懂的東西有種天然的不安全感，作為一名開發人員，我認為克服焦慮(以及帶來的投機心理）最好的方法是儘可能增加對底層的原理及實現的認知。

從技術角度來看，目前不論是比特幣、以太坊，抑或是尚未正式上線的EOS、IPFS，都帶有很強的實驗性質，存在各種侷限，而這種侷限不可避免影響上層應用的開發。區塊鏈應用也大多涉及金融、信用等重要領域，所以深入理解底層原理是對區塊鏈開發者的一個基本要求，而不僅僅是跟著教程10分鐘部署一段智慧合約，特別是早期各種技術未成熟的情況下，生搬硬套稍不留心就會造成極大的損失。

本系列的第一篇文章，主要是以比特幣為代表的加密貨幣架構(區塊鏈1.0)，和以以太坊為代表的可程式設計分散式信用基礎設施(區塊鏈2.0)的核心差異之一——是否支援圖靈完備的語言，來看看區塊鏈技術架構的演進。

比特幣和以太坊的淵源：對幣圈和鏈圈的人來說，Vitalik Buterin(1994年出生)是無可爭議的大神。很多人可能不知道，V神作為早期比特幣社群的活躍成員，一開始提議bitcoin需要開發通用的指令碼語言來支援豐富功能的應用開發，但沒有獲得比特幣開發團隊的支援。於是重起爐灶，2013年發起以太坊專案，有了今天的繁榮的加密token、收藏品遊戲、DAO。接下來，我們就先看看，V神不滿的比特幣指令碼系統到底是什麼樣的？

Part I:比特幣指令碼引擎

交易

交易是在區塊鏈世界裡面有很廣泛的含義，在加密貨幣應用中可以狹義理解為比特幣額度在不同地址間的轉移，即轉賬。轉賬是個歷史悠久的行為，但轉賬技術一直在革新。
理解比特幣轉賬模型尤其重要，因為比特幣指令碼引擎建立在該模型之上。

兩種轉賬方式

1、簡化下的傳統中心式轉賬：alice(A賬戶)轉賬到bob(B賬戶)x元，銀行需要原子化的操作balance[A]-=x,balance[B]+=x，當然隱含條件是alice完成了對A賬戶的認證。

2、一種解釋比特幣交易原理的說法：
網路中每個節點維護獨立的資料庫，記錄著每個地址的餘額，如果Alice(addressA的擁有者)想向Bob(addressB的擁有者)轉賬x元，她會在網路中廣播出去”addressA gives X units to addressB”，帶上pubkeyA，用privatekeyA簽名。每個節點收到後，校驗成功後，在各自資料庫中執行原子化操作balance[addressA]-=x,balance[addressB]+=x。（注：實際地址由pubkey生成，這裡為簡化省略)。

上面1在現實中佔據主流，有成熟的擴充套件方案，但中心化不可避免帶來成本、平臺作惡等問題；
2的描述來自於b-money, an anonymous, distributed electronic cash system(這篇文章非常之重要，深刻影響了中本聰對比特幣的設計)，但在當時無法實踐，因為重度依賴於一個同步、不受干擾的網路環境，否則保持一致性難度很大。而且這種分散式資料庫提交問題(Byzantine Problem)，現有的一致性演算法paxos、raft(non-byzantine)包括pbft(byzantine)擴充套件性都無法支撐比特幣上萬的節點數。

比特幣交易模型的設計

關於比特幣交易模型最早來自於中本聰的
Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System。中本聰實際提出了兩種chain，大家現在一直說的區塊鏈(chain of blocks)是顯式的資料組織方式，另一個隱式的是交易鏈（chain of transactions)才是比特幣價值流動的鏈條。

如圖，最早的交易描述模型：

如果Alice(addressA的擁有者)想向Bob(addressB的擁有者)轉賬x元，她同樣需要把這個交易簽名後在網路中廣播出去。不同的是，addressA的餘額，並非儲存在各個節點的資料庫裡，而是在別人給addressA轉賬的未花費交易輸出中，即UTXO(unspent transaction output)。我們查詢addressA的餘額，實際得到的是所有收款地址是adressA的UTXOs的額度的求和。廣播內容類似”addressA(combining UTXO1…UTXO3) gives X units to addressB”，帶上pubkeyA，用privatekeyA簽名。
交易在網路中被確認後，Bob就會多了一個可用UTXO。如果他想花費這筆錢，需要證明自己擁有addressB對應的privatekeyB，那麼Bob也用私鑰簽名。這樣交易就成了一串簽名的鏈條。

顯然這裡有三個問題：

1.如果任意的交易的input都需要某個之前交易的輸出，那麼最初比特幣從哪裡來？
所以在位元交易中，有種叫做coinbase的交易，就是我們所周知的挖礦獎勵。比特幣的產生就通過挖礦演算法生成，這裡的input來自於系統獎勵。實際上還會校驗coinbase是否是”mature”的，即該塊是否經過足夠的確認。在比特幣中如果最終沒有歸入最長鏈，那麼會作為orphan塊被棄，獎勵也作廢。

2.判斷一個交易輸出是否是UTXO需要回溯整個區塊鏈嗎？
不需要，因為交易按照merkel tree的結構組織，決定了從整個區塊鏈資料庫中查詢一個交易會非常低效。UTXOs專門儲存在leveldb的資料庫chainstate中，並且快取在記憶體中。每當一個新的block生成，就會更新UTXOs集；當某個節點發生鏈重建現象，會回滾該過程。這裡需要注意的是，UTXOs集不是待確認交易池(TxMemPool)，而是所有待確認交易的input來源；UTXOs理論上也可以通過–reindex從整個區塊鏈中重建。

3.Alice的賬戶餘額來自於四個UTXO，分別是0.05，0.2，0.2，0.3，現在需要轉帳0.6給Bob，怎麼辦？

理論上Alice可以三次轉，但實際上很不明智，既要多付手續費，體驗也差，所以交易Input可以包括多個UTXO，如何選擇UTXO組合有專門的分析；多個Input之和不一定恰好等於轉賬金額Output1，還需要一個找零錢refund(Output2)，當然還會有手續費fee(Output3)，所以交易會包括多個Output。當然對於使用者來說，只需要設定轉賬地址、額度、手續費，組合UTXO、找零等是透明的。

注：以太坊摒棄了UTXOs模型，採用類似於bmoney的賬戶正規化。具體原因等到介紹以太坊虛擬機器設計中再分析。

做了這麼多鋪墊，終於可以進入比特幣的指令碼設計了。

Script opcodes

比特幣交易由一套指令碼引擎(Script)處理。這裡引用bitcoin-core原始碼interpreter.cpp裡的一段註釋:

/**
 * Script is a stack machine (like Forth) that evaluates a predicate
 * returning a bool indicating valid or not.  There are no loops.
 */
複製程式碼

Script是一種類Forth、基於棧式模型、無狀態的、非圖靈完備的語言。
opcodes分為常量、流程控制、棧操作、算術運算、位運算、密碼學運算、保留字等若干類，還包括3個內部使用的偽指令。下面舉幾個在後面的指令碼中會出現的指令，全部的指令可參考官方文件和原始碼。

• OP_0 … OP_16: 將字面量值壓入棧中。
• OP_DUP: 將棧頂元素複製一個，壓入棧中。
• OP_ADD: 彈出棧頂元素和次棧頂元素，相加後壓入棧中。
• OP_EQUAL: 彈出棧頂元素和次棧頂元素，比較是否相等，相等則將1壓入棧中，否則壓入0。
• OP_SHA256: 彈出棧頂元素，進行sha-256加密運算，結果壓入棧中。
• OP_HASH160: 彈出棧頂元素，先進行sha-256加密運算，再進行ripemd160摘要運算，結果壓入棧中。值得注意的是，這是基於公鑰生成address的過程的一部分。
• OP_CHECKSIG: 彈出棧頂元素和次棧頂元素，這裡分別是sig和pubkey；內部有個VerifySignature函式，驗證簽名和公鑰是否匹配。
• OP_CHECKMULSIG:棧內壓入m個簽名，n個公鑰，逐一校驗m個簽名是否對應n個公鑰的某個子集。

Pay-to-PubkeyHash(P2PKH)

上面Alice轉載給Bob的例子，就是一個典型的P2PKH。中本聰在論文中只是給出了交易模型，下面看看更具體的實現。

如上圖，Alice在轉賬給Bob前，Bob需要提供一個自己的收款地址，但實際P2PKH中使用的是Public Key Hash。這裡簡單補充下key生成過程，如下圖，私鑰單向生成公鑰，公鑰通過OP_HASH160指令生成160位的PKH(公鑰雜湊)，PKH可以轉成更可讀使用者使用的地址，但編碼、校驗過程等是雙向的。所以提供地址等價於提供PKH。

下圖，Alice轉賬給Bob的錢鎖定在TX1 Output中，通過一個Pubkey Script。Bob如果嘗試花掉這筆錢，他需要解鎖這個PubkeyScript，通過證明自己是TX1 Output中Public Key Hash的私鑰擁有者，提供一個Signature Script。

下面就是這兩個指令碼。

鎖定指令碼:
scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
解鎖指令碼:
scriptSig: <sig> <pubKey>
複製程式碼

上面包括在<>之間的為要壓入棧中的數，push指令預設。實際執行時，會將scriptSig和scriptPubkey連線起來，按照從左往右順序執行指令碼。

驗證過程:
<sig> <pubKey> OP_DUP OP_HASH160 <pubKeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
複製程式碼

棧上的情況如下面兩圖所示。有彙編基礎的同學，對棧式計算機模型的運作原理會很熟悉。

generation 獎勵礦工

獎勵礦工可以看作一種簡化的P2PKH，區別在於交易的輸入來自coinbase而不是某個UTXO。

Pay-to-Script-Hash(P2SH)

P2PKH設計比較簡單，接受者Bob直接提供收款地址。實際的價值流通過程中，會涉及很多條件。為了滿足更復雜的功能，BIP12中提出加入OP_EVAL指令(在程式語言設計中，eval意味著語言具備了超程式設計能力)，並在之後由BIP16提出了更完善的交易標準P2SH。

收款方Bob需要先設計一個RedeemScript——提款指令碼，再生成該指令碼的Hash，提供給Alice。

Bob如果想花費該筆UTXO，則需要提供簽名和RedeemScript，校驗成功後執行RedeemScript的內容，滿足條件後則成功解鎖。

下面的redeemScript結合具體場景設計。後面結合智慧合約的應用給出相應的例子。

鎖定指令碼:
Pubkey script: OP_HASH160 <Hash160(redeemScript)> OP_EQUAL
解鎖指令碼:
Signature script: <sig> [sig] [sig...] <redeemScript>
複製程式碼

在P2SH交易中，由於Bob提供的是一段指令碼的Hash，那麼Alice實際上不知道這筆交易的細節，交易的具體內容需要Bob來設計。這就是所謂的*”moving the responsibility for supplying the conditions to redeem a transaction from the sender of the funds to the redeemer. They allow the sender to fund an arbitrary transaction, no matter how complicated, using a 20-byte hash”。*這在設計上也不是說沒有爭議的，但是在比特幣的技術框架下，是一種以最小的改動支援更多的特性的路徑。

比特幣的智慧合約

雖然一提起智慧合約，人們更多會想起來以太坊。但正如前面提到的，技術發展是一脈相承。早在1997年Nick Szabó在開創性的論文 Formalizing and Securing Relationships on Public Networks中提出了智慧合約的概念。比特幣的指令碼系統支援有限的智慧合約的開發，主要通過P2SH交易實現的。

MultiSig 多重簽名

BIP11提出了M-of-N多重簽名交易。一個交易的解鎖條件是預定指定的N個pubkey中的M個簽名認證(M<=N)。P2PKH可以看作1-of-1的簽名。多重簽名在增加安全、託管交易等場景下十分有用。所以比特幣中專門實現了OP_CHECKMULTISIG的指令。可以通過下面的指令碼設計來實現。

鎖定指令碼：
Pubkey script: <m> <A pubkey> [B pubkey] [C pubkey...] <n> OP_CHECKMULTISIG
解鎖指令碼：
Signature script: OP_0 <A sig> [B sig] [C sig...]
複製程式碼

如果使用P2SH交易，也可以設計成如下指令碼。

鎖定指令碼：
Pubkey script: OP_HASH160 <Hash160(redeemScript)> OP_EQUAL
解鎖指令碼：
Signature script: OP_0 <A sig> <C sig> <redeemScript>
其中：
Redeem script: <OP_2> <A pubkey> <B pubkey> <C pubkey> <OP_3> OP_CHECKMULTISIG
複製程式碼

Gavin Andresen寫了一個2-of-3的多重簽名交易的使用例子，十分詳細，我就不搬運了。

more…

Part II:以太坊虛擬機器

區塊鏈正規化

Gavin Wood在黃皮書中將區塊鏈系統抽象為基於交易的狀態機：

公式(1)中S是系統內部的狀態集合，f是交易狀態轉移函式，T是交易資訊，初始狀態即Gensis狀態；
公式(2)中F是區塊層面狀態轉移函式，B是區塊資訊；
公式(3)定義B是一系列交易的區塊，每個區塊都包括多個transaction；
公式(4)G是區塊定稿函式，在以太坊中包括uncle塊校驗、獎勵礦工、POW校驗等。

這個數學模型不僅是以太坊的基礎，也是目前大多數基於共識的去中心化交易系統的基礎。
以太坊相對比特幣的提升，本質體現在這個正規化中的f和S。它的核心理念——具備圖靈完備和不受限制的內部交易儲存空間的區塊鏈。分別對應：

• 功能強大的函式f，能夠執行任何計算，比特幣不支援loop；
• 狀態S記錄任意型別的資料(包括程式碼)，而比特幣的UTXO模型只能計算出地址的可花費額度。

資料結構

在資料儲存方面，比特幣通過UTXO模型計算地址餘額，不鼓勵使用者存入其他資料；通過P2SH指令碼機制，理論上可以設計各種智慧合約，但受限於指令碼語言的表達能力，難以支援複雜的合約開發。這種設計對於加密貨幣來說是合理的。

以太坊為了支援記錄任意的資訊、執行任意函式，需要重新設計資料結構。

Merkle Patricia Trie

以太坊中重度使用Merkle Patricia Trie組織、儲存資料，下面我們會看到，這個新的資料結構是通過對雜湊樹和字首樹的組合創新來達到目的。
約定:下面使用MPT來代替Merkle Patricia Trie。

Merkle Tree

又稱hash tree：樹的每個葉子結點是某個資料塊的雜湊值，而每個非葉子結點是孩子結點的雜湊值。如圖所示，這棵樹不儲存Data blocks本身。在P2P網路環境中，惡意網路節點如果修改了這顆樹上的資料，將無法通過校驗(Merkle Proof)，從而保證了資料的完整、有效性。這依賴於單向雜湊加密的性質。這種性質讓它廣泛應用在分散式系統的資料校驗中，比如IPFS、Git等。

中本聰也巧妙利用該性質，設計了比特幣的SPV(簡化支付驗證)功能。如下圖，使用者不需要執行完整的結點，只需要下載最長鏈的區塊頭資料，然後獲取待驗證交易對應區塊的merkle樹做校驗。

Patricia Trie

又叫Radix Trie，是字首樹的空間優化變種：如果樹上某個節點是其父節點的唯一子結點，則這兩個結點可以合併起來。它在這裡的應用是對長整型資料的對映，由某個20bytes的以太坊地址對映到其賬戶，形如<Address,Account>，Address會加密編碼成16進位制的數字——在Patricia Trie上，表現為非葉結點連成的路徑。

比如，在Patricia Trie上儲存<“dog”,”Snoopy”>，”dog”會被編碼為”64 6f 67″，先找到根節點，則查詢路線為root->6->4->6->15->6->7->value，value也就是一個指向”Snoopy”的hash。這種方式相對hash表的好處在於不會出現衝突；但如果不做優化，查詢步驟太長。

改良點

為了提高效率，以太坊對樹上結點資料型別進行了專門的設計。包括以下四類結點

• null結點 代表空字串
• branch結點 17個元素的非葉節點，形如<i0,i1…i15,v>
• leaf結點 2個元素的葉結點，形如<encodedPath,value>，encodedPath是地址加密編碼後的長整型數字串的一部分
• extension結點 2個元素的非葉結點，形如<encodedPath,k>，extension的作用是把沒有分叉的路徑上結點合併起來，節省空間資源
  

  

  如圖，是一個簡化的狀態樹(狀態樹後文很快會詳細解釋，這裡不妨礙作示意圖)，右上角就是<地址，餘額>的對映。prefix項的作用是輔助編碼，可以忽略。4個賬戶的地址，按照MPT組織起來。其中所有的extension節點只是優化作用，都可以用多個branch結點替代。

使用MPT需要有後端資料庫(以太坊中使用levelDB)維護每個結點間的連線關係，這個資料庫叫做狀態資料庫。使用MPT的好處包括：(1)這個結構的根節點是加密的且依賴於所有的內部資料，它的雜湊可以用於安全性校驗，這是merkle樹的性質，但和merkle樹不儲存資料塊本身不同的是，MPT樹結點儲存了地址資料，這是Patricia樹的性質(2)允許任何一個之前狀態(根部雜湊已知的條件下)通過簡單地改變根部雜湊值而被召回。

狀態

上面在解釋MPT時已經介紹了狀態樹的概念。以太坊中的世界狀態(World State)的概念，通過MPT對映儲存去中心化交易系統記錄的任意狀態。這對應了區塊鏈正規化中的S，是以太坊設計的一個核心概念。

如圖，一個簡化的區塊中有三個root hash，對應三棵MPT。其中state root就是狀態樹的根雜湊，它是地址(160bit)到賬戶資料(Account，序列化儲存在levelDB）中。每次有效的交易都會導致狀態變化，比如圖中簡單示意了Account175的balance從27變為45，而所有其他的賬戶多沒有發生交易，那麼block175224只需要新建Account175相關分支上的資料，而其他分支不需要複製！當然以太坊主網上新區塊包含的交易大概為幾十到幾百不等，那麼涉及的修改也會更多。關於這種結構效能上的討論參考這篇文章。查詢最新的賬戶狀態的入口應該是最新被確認的區塊的狀態樹。

對以太坊的賬戶模型需要專門做個介紹。

Account

比特幣使用UTXO模型計算餘額，無法滿足記錄任意狀態的需求。以太坊設計了Account模型，它會儲存包括:
[nonce, balance, storageRoot, codeHash]
其中nonce是交易計數器，balance是餘額資訊，storageRoot對應另外一個MPT，通過它能夠在資料庫中檢索到合約的變數資訊，codeHash是程式碼hash值，建立後不可更改。

賬戶分為兩種

• 外部賬戶(externally owned accounts)
  外部賬戶由私鑰控制，對應Account模型裡，storageRoot、codeHash並不存在，也就是不會儲存、執行程式碼。如果只有外部賬戶，那麼以太坊只能支援轉賬功能。
• 合約賬戶(contract accounts)
  合約賬戶可以通過外部賬戶發起交易建立，也可以是由另一個合約賬戶建立。合約賬戶在收到訊息呼叫時，會載入程式碼，通過EVM執行相應的邏輯，修改內部儲存的狀態。

交易

在UTXO模型下，交易本質上是(通過簽名的資料)對input的解鎖和對output的鎖定。在Account模型下，交易分為兩種：

• 建立合約，通過程式碼建立新的合約
• 訊息呼叫，可以轉賬也可以觸發合約的某個函式

兩種型別的交易都包括以下欄位：
[nonce,gasPrice,gasLimit,to,value,[v,r,s]]

• nonce: 賬戶發出交易數量
• gasPrice,gasLimit: 用於限制交易執行時間，防止程式死迴圈
• to:交易的接受者
• value:轉賬額度，如果是建立合約，就是捐贈給合約的額度
• v,r,s:交易簽名相關資料，可以用來確定交易傳送者

合約建立還需要:

• init:一段不限大小的位元組陣列表示的EVM程式碼，僅在合約建立時執行一次；init執行後返回body程式碼片段，之後的合約呼叫都會執行body程式碼內容。
  

  

  合約賬戶的地址由sender和nonce共同決定，所以任意兩次成功的合約部署得到的地址都是不同的。從上圖能看出，程式碼和狀態的儲存是分開的。實際上編譯後的位元組碼會儲存在一個virtual ROM中，且不可修改。

訊息呼叫還需要:

• data:一段不限大小的位元組陣列，表示訊息呼叫時的輸入
  

  

  訊息呼叫會修改賬戶的狀態，可能是EOA賬戶也可能是合約賬戶。

交易既可以由外部賬戶發起，也可以由合約發起。比如第5228886區塊包含170個交易和7個內部合約交易。

區塊

以太坊的區塊了加入更多的資料項，相對比特幣要複雜很多，但其實本質上區別不大。比如加入了叔鏈雜湊，優化激勵措施，這是為了支援挖礦協議；區塊本身還會有大量的有效性驗證、序列化。這些內容不在本文主題範圍，不深入討論。

參見上面這張圖的右半部分，一窺以太坊區塊如何組織資料，能看到MPT樹的大量使用；左半部分涉及到EVM，將會是接下來的重點。

EVM設計與執行

以太坊虛擬機器(Ethereum Virtual Machine)是執行以太坊的狀態轉移函式的執行環境。
有個簡單的問題，以太坊是否可以不專門開發一款底層VM，而是複用Java、Lisp、Lua等呢？理論上是完全可以的，Corda專案就完全基於JVM平臺開發。但是更多的區塊鏈專案會選擇專門開發底層設施，包括比特幣的指令碼引擎。以太坊官方給出的解釋：

• 以太坊的VM規格更簡單，而別的通用VM有很多不必要的複雜性
• 容許定製開發，比如32bytes的字
• 避免其他VM帶來的外部依賴問題，可能導致安裝困難
• 採用其他VM，需要做完全的安全性審查，權衡下不一定能省多少事

記憶體模型

EVM也是基於棧式計算機模型，但除了stack外還涉及memory和storage：

• stack 棧上元素大小為32bytes，這和一般的4bytes，8bytes不同，主要是針對以太坊運算物件多為20bytes的地址和32bytes的密碼學變數；棧的大小不超過1024；棧的呼叫深度不超過1024，主要防止出現記憶體溢位。
• memory 雖然運算都在棧上進行，但臨時變數可以存在memory裡，memory大小不做限制
• storage 狀態變數都放在storage裡，不像stack和memory上的量隨著EVM例項銷燬消失，storage裡面的資料修改後都會持久化
  

  

  如圖，是一個EVM架構的示意圖，這種設計對以太坊應用開發有著深遠的影響，包括設計模式和安全考量。
  一個經典的問題是合約的升級：
  合約部署後編譯成位元組碼儲存在virtual rom中，程式碼是不可修改的，這對很多DAPP來說是嚴重的制約。一種思路是，將程式碼分佈在不同的合約中，合約間呼叫通過儲存在storage中的地址來進行，這樣實現了實際上的合約升級操作。

執行模型

EVM準確來說是一個準圖靈機，文法上它能夠執行任意操作，但為了防止網路濫用、以及避免由於圖靈完整性帶來的安全問題，以太坊中所有操作都進行了經濟學上的限制，也就是gas機制，有三種情況：

• 一般操作消耗費用，比如SLOAD,SSTORE等
• 子訊息呼叫或者合約建立而消耗燃料，這是執行CREATE、CALL、CALLCODE費用中的一部分
• 記憶體使用消耗費用，與所需要的32bytes的字數量成正比

下圖展示了EVM執行的內部流程，從EVM code中取指令，所有的操作在Stack上進行，Memory作為臨時的變數儲存，storage是賬戶狀態。執行受到gas avail限制。

現在結合EVM我們再來看看之前介紹的交易的執行細節。正如區塊鏈正規化定義的，T是以太坊狀態轉移函式，也是以太坊最複雜的部分。所有的交易在執行前，都需要先經過內部的有效性驗證:

• 交易是RLP格式資料，沒有多餘的字尾位元組；
• 交易的簽名是有效的；
• 交易的隨機數是有效的；
• 燃料上限不小於實際交易過程中用的燃料；
• 傳送者賬戶的餘額至少大於費用v0，需要提前支付；

下圖是訊息呼叫的過程，每個交易可能會形成很深的呼叫棧，交易內部由不同的合約之間的呼叫。呼叫通過CALL指令，引數和返回值通過memory傳遞。

錯誤處理

EVM在合約執行時會發生若干種錯誤:

• 燃料不足
• 無效指令
• 缺少棧資料
• 指令JUMP JUMPI的目標地址無效
• 新棧大小大於1024
• 棧呼叫深度超過1024

EVM的錯誤處理有個簡單的原則，叫做revert-state-and-consume-all-gas，即狀態恢復到交易執行前的checkpoint，但消耗的gas不會再退還。虛擬機器把錯誤全看作是程式碼出錯，不作特定的錯誤處理。

EVM分析工具

關於EVM分析的工具可以參考Ethereum Virtual Machine (EVM) Awesome List

類EVM的圖靈完備虛擬機器(WIP)

完整的EVM規格是很複雜的，但具備一定的彙編基礎和簡化模型的能力，實現一個類EVM的虛擬機器是可以嘗試的挑戰。等有空我再把自己的實現放上來吧。有興趣的同學可以自己動手試試。

參考

1.A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
2.ETHEREUM: A SECURE DECENTRALISED GENERALISED TRANSACTION LEDGER
3.Design Rationale
4.Stack Exchange: Ethereum block architecture
5.Go Ethereum
6.evm-illustrated
7.Diving Into The Ethereum VM