スマートコントラクトとEVM

スマートコントラクトとは何か

スマートコントラクトは、ブロックチェーン（分散台帳）上に配置され、台帳の状態を条件付きで書き換えるプログラムです。Ethereum ではコントラクトはアカウントの一種で、残高に加えてコードと永続ストレージを持ちます。ユーザーが署名したトランザクションがコントラクトを呼び出すと、各ノードはそのコードを実行し、台帳の状態を次の状態へ遷移させます。

ここで本質的な要請が生じます。分散台帳は多数のノードが同じ状態のコピーを保持し、合意（コンセンサス）で一致を保つ仕組みです。したがって、あるトランザクションを実行した結果はどのノードでも寸分違わず一致しなければなりません。1ノードでも異なる結果を出せば、状態のハッシュがずれ、そのブロックは合意から弾かれます。この「全ノードでビット単位に同じ結果」という制約が、後述する EVM の設計すべてを規定します。ノード間の合意そのものの原理は /devops/ の分散合意の解説に譲り、本稿は単一トランザクションの実行モデルに集中します。

EVMの実行モデル：スタックマシン

EVM（Ethereum Virtual Machine）は、コントラクトのバイトコードを解釈実行する仮想マシンです。物理CPUに依存しない抽象機械を挟むことで、どのハードウェア・OS上でも同一の計算結果を保証します。EVM の設計は次の特徴を持ちます。

• スタックマシン：レジスタを持たず、深さ最大 1024 のオペランドスタックで演算する。PUSH で値を積み、ADD は上位2要素を取り出して和を積み直す。
• 256ビット語：ワードサイズが 256 ビット。Keccak-256 ハッシュや楕円曲線（secp256k1）の演算と桁を合わせ、暗号処理を効率化するための選択です。暗号プリミティブ自体の原理は /security/ を参照。
• 3層のデータ領域：揮発的で安価な stack／memory（実行中のみ、線形バイト配列）と、永続的で高価な storage（{key: value} の 256→256 ビット写像、ブロックを跨いで残る）。

ソースは Solidity や Vyper で書かれ、コンパイラが EVM バイトコード（オペコード列）へ変換します。例えば PUSH1 0x05 PUSH1 0x03 ADD は「5 と 3 を積んで加算」を表し、実行後スタック頂上には 8 が残ります。オペコードは1バイトで表現される（理論上は最大256種）ため、実際に定義済みのものは約140種で、算術・比較・ストレージ入出力・制御フロー・環境情報取得・他コントラクト呼び出しなどを担います。

バイトコード実行の骨子（1トランザクション）
  pc ← 0                       # プログラムカウンタ
  gas ← Tx.gasLimit
  loop:
    op ← code[pc]              # 現在のオペコードを取得
    cost ← gasCost(op, state)  # そのオペコードのガス消費量
    if gas < cost: revert(out-of-gas)   # ガス不足なら全巻き戻し
    gas ← gas - cost
    execute(op)                # stack/memory/storage を更新
    pc ← next(pc, op)          # JUMP系以外は pc を進める
    if op == STOP or RETURN: break

ガス：計算資源の計量と停止性

任意のプログラムには停止性問題（あるプログラムが停止するか一般には判定不能）がつきまといます。もしコントラクトが無限ループを書けてしまえば、それを実行するノードは永久に止まり、台帳全体が前進できません。EVM はこれをガスという計量単位で回避します。

各オペコードには固定のガスコストが割り当てられます。加算のような軽い演算は 3 ガス、ストレージ書き込みのような重い操作は桁違いに高い、といった具合です。トランザクション発行者は gasLimit（消費してよい上限）と gasPrice/手数料（1ガスあたりの支払い）を指定します。実行のたびに残ガスが減り、ゼロになった瞬間に out-of-gas 例外が発生してその呼び出しは打ち切られます。無限ループは「無限のガス」を要し、有限の gasLimit では必ず途中で停止します。停止性の理論的困難を、経済的な有限資源にすり替えて実務的に解いているのが要点です。

ガスにはもう一つの役割があります。DoS（サービス妨害）への経済的防壁です。もし計算が無料なら、攻撃者は重い処理を無数に投げてネットワークを麻痺させられます。ガス課金により、資源を使うほど費用がかかるため、濫用は割に合わなくなります。さらにガスコストの相場観は誤ってはならず、実際に過小評価されたオペコードが 2016 年に DoS 攻撃を招き、ハードフォークでコスト再調整（EIP-150 など）が行われた歴史があります。

状態遷移の決定性を保証する仕組み

決定性は「祈って得られる」ものではなく、EVM が非決定的になりうる入力源を徹底的に排除することで作られます。通常のプログラムが当然に使う機能の多くが、コントラクトでは意図的に禁止されています。

参照できる「外部情報」は、block.number／block.timestamp／msg.sender／msg.value のように、そのブロックとトランザクションで合意済みの確定値に限られます。これらは全ノードで同一なので決定性を壊しません。逆に、乱数やタイムスタンプに依存してお金を動かす設計は、採掘者・提案者による操作（timestamp のわずかな調整など）に晒される脆弱性となります。ブロックチェーン外のデータ（為替レート、天気）が必要なら、それを署名付きで持ち込むオラクルという別レイヤに頼るしかなく、EVM 内部からは外界を直接観測できません。

コントラクトの制約とセキュリティ

決定性・ガス・永続ストレージという性質は、そのままセキュリティ上の急所になります。とりわけ外部呼び出しが絡む攻撃が代表的です。

再入攻撃（reentrancy） が最も有名です。コントラクトAが送金のため外部アドレスBを CALL すると、制御がBのコードへ移る。もしAが「送金してから残高を減らす」順序だと、Bは受け取り処理の中でAを再び呼び出すことができ、まだ減っていない残高を根拠に二重・多重に引き出せてしまいます。2016 年の The DAO 事件はこの型で、Ethereum のハードフォーク（Ethereum Classic 分岐）に至りました。

他の主要な急所も、EVM の性質から論理的に導けます。

もう一つ根本的な制約がコードの不変性です。デプロイされたバイトコードは原則書き換えられません。バグがあっても後から直接パッチできないため、実務ではプロキシパターン（呼び出しを受ける薄い契約が、差し替え可能な実装契約へ DELEGATECALL で処理を委譲する）で更新可能性を確保します。ただし DELEGATECALL は呼び出し先のコードを自分のストレージ文脈で実行するため、ストレージ配置のずれや悪意ある実装への差し替えが新たな攻撃面になります。加えて、コードもストレージも公開が原則で、「秘密の値をコントラクトに埋め込めば隠せる」という発想は成り立ちません（ネットワーク上のデータ機密性の考え方は /network/ の暗号化通信とは別問題で、オンチェーンの値はそもそも全公開です）。

まとめ

• スマートコントラクトは分散台帳の状態遷移関数であり、全ノードがビット単位に同一の結果を出す決定性が合意（台帳一致）の前提になる。
• EVM は 256 ビット語のスタックマシン。stack／memory（揮発・安価）と storage（永続・高価）を分け、バイトコードを逐次実行して状態を更新する。
• ガスは各オペコードに固定コストを課し、gasLimit の枯渇で out-of-gas 巻き戻しを起こす。これが停止性問題の回避と DoS の経済的抑止を同時に担う。
• 決定性のため、実時間・乱数・I/O・浮動小数・並行実行は排除され、参照できるのは合意済みの確定値のみ。乱数はオラクル／VRF で外から持ち込む。
• セキュリティの急所は外部呼び出し（再入）・整数演算・ストレージコスト・不変性で、Checks-Effects-Interactions と再入ガード、checked 算術、明示的アクセス制御が定石。