ブロックチェーンの仮想マシンとは、ネットワーク共通のルールに従って スマートコントラクトの命令を実行するソフトウェア定義の実行環境だ。デプロイされたバイトコードとトランザクションの入力内容を決定論的な状態変化に変換するため、独立したノード同士が中央のコンピューターを信頼することなく、同じ残高、ストレージの値、ログ、成功または失敗の結果を算出できる。

仮想マシンは、アプリケーションコードとバリデータの物理的なオペレーティングシステムとの間に制御された境界を設ける。利用できる命令、メモリの挙動、ストレージへのアクセス、リソースの上限、エラー処理を定義する。VM自体がどのブロックを正規のブロックとするかを決めるわけではない。コンセンサスがトランザクションを順序付けして確定し、VMはその順序付けられた処理を実行し、プロトコルルールに従って新しい状態を返す。

ブロックチェーンの仮想マシンとは何か

ブロックチェーンの仮想マシンは、スマートコントラクトやその他のオンチェーンプログラムを実行する実行環境だ。開発者は対応するプログラミング言語でコードを書き、仮想マシンが実行できる形式にコンパイルしてブロックチェーンにデプロイする。トランザクションがそのプログラムとやり取りすると、ネットワークのノードがブロックチェーンのルールに従って同じ命令を実行する。

「仮想」という言葉は、実行環境が特定の物理的なコンピューターやオペレーティングシステムに縛られるのではなく、ソフトウェアによって定義されることを意味する。例としては Ethereum Virtual Machine（EVM）や Solana Virtual Machine（SVM）が挙げられる。ブロックチェーンVMごとにプログラミング言語、アカウントモデル、手数料体系、実行方式は異なり得るが、いずれもネットワーク全体でアプリケーションロジックを処理するための一貫した環境を提供する。

ブロックチェーンの仮想マシンはどのように機能するのか

ブロックチェーンVMは、順序付けられたトランザクションを受け取り、参照されたアカウントやコントラクトの状態を読み込み、バイトコードを命令単位で、あるいは同等のコンパイル済み表現を通じて実行する。各オペコードは、算術演算、メモリアクセス、ストレージアクセス、暗号計算、ログ記録、別のコントラクトの呼び出しといった定義済みの処理を行う。ランタイムはリソース消費を追跡し、トランザクションが完了するか、リバートするか、上限を超えた時点で実行を停止する。

実行が成功すると、ノードは提案された一連の状態変化とレシートを生成する。他の検証ノードは同じ状態遷移を繰り返し、ブロックのルールと照合する。決定論を保つには、VMがシステム時刻、乱数デバイスの入力、任意のインターネットリクエストといった局所的な変動要因を制限する必要がある。外部情報は通常、コントラクトからの直接のウェブアクセスではなく、署名済みトランザクションやオラクルの仕組みを通じて取り込まれる。この再実行プロセスにより、ノードはプロトコルのデータから過去の実行を検証できる。

ブロックチェーンVMの主な利点とユースケースは何か

共通のVMを使えば、多くのアプリケーションが同じ実行ルール、セキュリティチェック、開発者ツール、コンポーザビリティのモデルを利用できる。重要なのは、プログラムがサンドボックスで動くこと自体ではなく、独立したノード間で実行を再現できることだ。

1. 決定論的な実行が検証を支える。準拠したノードはすべて、トランザクションを独立に再実行して結果の状態を確認できるため、ユーザーは特定アプリケーションのプライベートサーバーに依存せずにコントラクトの挙動を検証できる。

2. サンドボックス化がシステムへの直接アクセスを制限する。コントラクトのコードは、バリデータのファイル、プロセス、メモリ、外部ネットワークへの無制限のアクセスではなく、定義された命令セットと制御されたインターフェースを受け取る。

3. リソース計量が共有リソースを守る。ガスやコンピュートユニットによる計算は作業に対して課金し、実行に上限を設けることで、1件のトランザクションがバリデータのリソースを無制限に消費することを難しくする。

4. 共通のセマンティクスがコンポーザビリティを高める。トークン、取引所、レンディング、アイデンティティ、ゲーミング、ガバナンス向けにデプロイされたコントラクトは、互換性のあるコントラクトを呼び出し、1つの実行環境内で標準化されたデータをやり取りできる。

ブロックチェーンVMの例にはどのようなものがあるか

ブロックチェーンVMは、バイトコード、状態の構成、並列処理、言語、互換性についてそれぞれ異なる選択をする。ネットワークがコンセンサスや決済を変更しつつVMを改変することもあるため、ランタイムの名称がアーキテクチャ全体を表すわけではない。

• Ethereum Virtual Machine（EVM）。EVMは Ethereumのスマートコントラクト向けにスタックベースのバイトコードを実行し、操作をガスで計量し、多くの独立したネットワークやロールアップの互換性ターゲットとなっている。

• Solana Virtual Machine（SVM）。SVMは、別途渡されたアカウントに対してsBPFプログラムを実行し、トランザクションが競合する書き込み可能な状態を要求しない場合には並列スケジューリングをサポートする。

• WebAssemblyベースのランタイム。 Polkadotや Cosmosのエコシステムの一部を含むネットワークは、確立されたコンパイラツール群と複数のソース言語の利点を得るために、WebAssembly由来の実行を採用またはサポートしている。

• Moveの仮想マシン。 Aptosと Suiは、リソース指向の資産を中心に構築されたMoveベースの実行環境を採用しているが、そのオブジェクト、アカウント、コンセンサス、並列実行の設計は同一ではない。

ブロックチェーンVMの限界とリスクは何か

VMは実行を制約するが、安全でないコントラクトのロジックを正しくすることはできない。その仕様、クライアント実装、ガススケジュール、アップグレードプロセス、周辺の状態モデルは、それぞれセキュリティや互換性のリスクを生み得る。

1. コントラクトのバグはそのまま執行されるコードになる。VMは欠陥のある認可、会計、アップグレード、オラクルのロジックを忠実に実行するため、開発者のミスが取り返しのつかない損失やアプリケーション状態のロックにつながり得る。

2. 決定論は通常のソフトウェア機能を制限する。コントラクトはウェブサイトを自由に読み取ったり、ローカルのオペレーティングシステムのサービスを呼び出したり、信頼できる乱数を生成したりできないため、アプリケーションは慎重に設計されたオラクルと暗号の仕組みに依存する。

3. 計量ルールは経済性を変え得る。プロトコルのアップグレードにより命令の価格が変更されたり、新たな上限が導入されたりすることがあり、コントラクトのコストに影響し、ある操作が安価なまま留まると想定していたアプリケーションを危険にさらす。

4. クライアント間の相違はコンセンサスを脅かし得る。2つの実装がエッジケースを異なる形で解釈すると、ノードが矛盾する状態ルートを計算する可能性があり、ネットワークの安全性にはテストと精密な仕様が不可欠となる。

仮想マシンとブロックチェーンノードはどう違うのか

仮想マシンは実行ルールを適用するコンポーネントであり、ブロックチェーンノードは、ピアと通信し、ブロックやトランザクションを受信し、台帳データを保存し、コンセンサスを検証し、RPCインターフェースを公開することもある、より広範なソフトウェアシステムだ。ノードは通常VMを内蔵するか呼び出すが、コントラクト実行以外にも多くの役割を担う。VMの速度を高めても、ネットワーク、コンセンサス、ストレージ、 データ可用性が自動的に改善されるわけではないため、この区別は重要だ。

関連概念

1. スマートコントラクトとは何か

2. ガスとは何か

3. ノードとは何か

4. バイトコードとは何か

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