Open vangogo opened 2 years ago
扩展WASM，设计基于堆栈的预编译字节码智能合约⽅案。实现一个类似于 evm 的智能合约引擎。
实现一个类似于 evm 的智能合约引擎，用于实现智能合约的部署、执行、权限等基本生 命周期功能。
提供 vm 虚拟机接口用于执行交易，包括 1）vm 结构体：存放合约及相关信息，包括代码字节、输入字节、可用 gas，交易发起者 账户等。 2）vm 函数接口：创建合约函数 create、调用合约函数 call，两个函数接收 vm 结构 体涉 及的合约相关信息参数，返回合约执行返回字节、剩余 gas 量、错误代码。
判断交易类型，如果是部署合约，VM 新建一个合约账户来存储合约地址以及合约编译之后 的代码；否则 VM 解析交易中的交易参数等信息，并调用其执行引擎执行相应的智能合约 字节码；执行引擎完成对智能合约的编译执行，是基于堆栈的预编译字节码智能合约运⾏环 境实现；指令执行完成之后，VM 会判断其是否停机，若停机，判断 VM 的停机状态是否 正常，正常则结束执行，否则进行 Undo 操作，状态回滚到本次交易执行之前。
实现智能合约引擎功能需要面向世界状态接口。 1）对世界状态数据库对增删改查操作： 增：新建账户、部署合约 改：nonce 值加一，balance 增减 查：给定账户的 nonce、balance、code 值等 2）获取世界状态快照，依据快照回滚数据状态
Solidity/Vyper语言的智能合约被编译为字节码，使用到的编译器叫做“solc” 字节码由网络读取并处理 字节码是Solidity操作码的二进制形式。从EVM转向eWASM的过程中，编译器是非常重要的一个部分，因为EVM无法理解除了字节码之外的任何语言。 每个操作码在规范中都被赋予了易于理解的名称，并由数字代码表示。例如，数字0X01代表ADD操作码。 solidity是合约的执行语言，solidity被solc编译后，变成类似于汇编的EVM指令。 Interpreter定义了一套完整的指令集。solidity被编译后，生成二进制文件，二进制文件就是EVM指令的集合，交易以二进制的形式发往节点，节点收到后，通过EVMC调用EVM执行这些指令。 在EVM中，用代码模拟实现了这些指令的逻辑。
wasm是可以在基于栈的虚拟机上运行的一种二进制指令格式，设计的首要目标是性能，很适合用在区块链项目中。WebAssembly二进制代码（wasm格式）可以转换成一种中间表示，一种可读的AST（抽象语法树，wast格式），这种可读的中间表示方便了编写和调试。对扩展性的改进：wasm支持module import/export功能，可以将扩展部分做成module，在项目中导入。 WebAssembly的优势： 受多个JavaScript引擎和运行时环境的支持，可以在大多数现代浏览器中执行。 Go/Rust/C/C++语言可以直接编译为WASM 能够快速适应所有机器级架构，具备极高性能 附带与大多数现代硬件架构兼容的指令集 在大多数平台上趋近于本地运行速度
技术方案主要参考以太坊2.0的EVM，实现基于堆栈的预编译字节码智能合约运⾏环境。
eWASM = WASM – 非确定性 (浮点) + 计量 + EEI路径 (用以与以太坊交互) ewasm允许以太坊开发者使用其他语言（例如Rust、C++等）开发智能合约并编译为以太坊接受的WebAssembly。 部署wasm合约时，要有一个预编译内置合约（合约名称Sentinel Contract）对合约进行检查，要求合约符合EVM2.0的要求，比如不能包括float类型，不能有限定外的操作。 ewasm合约语义设计（Ewasm Contract Interface - ECI） ECI定义了ewasm合约的结构，通过wasm的module实现，实质上是wasm，可以认为ewasm是wasm的子集 。 合约必须符合wasm二进制格式 合约import module只能import EEI，不能import以太坊之外的module保证了EVM是一个沙盒程序。 提供debug module，但debug模式只能用于开发，在部署的时候需要去掉 每个合约必须提供两个export方法，一个是main，供VM执行调用，一个是memory，供EEI调用，保存结果。 wasm module中的start function需要被disable。 Ethereum Environment Interface (EEI) 定义 EEI定义了wasm程序如何与链进行交互，通过EEI将以太坊API暴露给ewasm，使ewasm可以读写链上信息，意义是wasm指令是low level的，high level功能留给客户端实现。
EVMC – Ethereum Client-VM Connector API 新版本的以太坊将EVM从节点代码中剥离出来，形成一个独立的模块。EVM与节点的交互，抽象出EVMC接口标准。 通过EVMC，节点可以对接多种虚拟机，而不仅限于传统的基于solidity的虚拟机。 传统的solidity虚拟机，在以太坊中称为interpreter
堆栈和内存数据结构： vm使用stack.go里面的对象Stack来作为虚拟机的堆栈。memory代表了虚拟机里面使 用的内存对象。 stack.go：用1024个big.Int的定长数组来作为堆栈的存储。 memory.go：memory的存储就是byte[]. 还有一个lastGasCost的记录。 jump_table.go：jumptable. 是一个 [256]operation 的数据结构. 每个下标对应了一种指令, 使用operation来存储了指令对应的处理逻辑, gas消耗, 堆栈验证方法, memory使用的大小等功能. 数据结构operation存储了一条指令的所需要的函数。
1）接收的数据是否是编译好的字节码，是否是wasm格式？是否只要实现类似Ewasm的虚拟机？ 2）不清楚目前项目构建的底层链与以太坊区块链的异同，因此根据以太坊的EVM做对应的适配修改有一定困难 3）不清楚项目的执行流程与各个部分之间的关联，包括智能合约解释器部分在上层应该与哪一部分对接，而下层负责构建底层链的又是哪个部分 4）希望能有详细的文档梳理整个项目的执行流程，包括每个部分之间负责实现的功能，输入的数据，输出的数据，每个部分之间的对接关系等
1.需求背景
扩展WASM，设计基于堆栈的预编译字节码智能合约⽅案。实现一个类似于 evm 的智能合约引擎。
2. 需求明细
实现一个类似于 evm 的智能合约引擎，用于实现智能合约的部署、执行、权限等基本生 命周期功能。
2.1 外部调用接口
提供 vm 虚拟机接口用于执行交易，包括 1）vm 结构体：存放合约及相关信息，包括代码字节、输入字节、可用 gas，交易发起者 账户等。 2）vm 函数接口：创建合约函数 create、调用合约函数 call，两个函数接收 vm 结构 体涉 及的合约相关信息参数，返回合约执行返回字节、剩余 gas 量、错误代码。
2.2 内部的合约执行
判断交易类型，如果是部署合约，VM 新建一个合约账户来存储合约地址以及合约编译之后 的代码；否则 VM 解析交易中的交易参数等信息，并调用其执行引擎执行相应的智能合约 字节码；执行引擎完成对智能合约的编译执行，是基于堆栈的预编译字节码智能合约运⾏环 境实现；指令执行完成之后，VM 会判断其是否停机，若停机，判断 VM 的停机状态是否 正常，正常则结束执行，否则进行 Undo 操作，状态回滚到本次交易执行之前。
2.3 对底层链的访问接口
实现智能合约引擎功能需要面向世界状态接口。 1）对世界状态数据库对增删改查操作： 增：新建账户、部署合约 改：nonce 值加一，balance 增减 查：给定账户的 nonce、balance、code 值等 2）获取世界状态快照，依据快照回滚数据状态
3.需求调研
3.1 智能合约的运作(EVM)
Solidity/Vyper语言的智能合约被编译为字节码，使用到的编译器叫做“solc” 字节码由网络读取并处理 字节码是Solidity操作码的二进制形式。从EVM转向eWASM的过程中，编译器是非常重要的一个部分，因为EVM无法理解除了字节码之外的任何语言。 每个操作码在规范中都被赋予了易于理解的名称，并由数字代码表示。例如，数字0X01代表ADD操作码。 solidity是合约的执行语言，solidity被solc编译后，变成类似于汇编的EVM指令。 Interpreter定义了一套完整的指令集。solidity被编译后，生成二进制文件，二进制文件就是EVM指令的集合，交易以二进制的形式发往节点，节点收到后，通过EVMC调用EVM执行这些指令。 在EVM中，用代码模拟实现了这些指令的逻辑。
3.2 WebAssembly
wasm是可以在基于栈的虚拟机上运行的一种二进制指令格式，设计的首要目标是性能，很适合用在区块链项目中。WebAssembly二进制代码（wasm格式）可以转换成一种中间表示，一种可读的AST（抽象语法树，wast格式），这种可读的中间表示方便了编写和调试。对扩展性的改进：wasm支持module import/export功能，可以将扩展部分做成module，在项目中导入。 WebAssembly的优势： 受多个JavaScript引擎和运行时环境的支持，可以在大多数现代浏览器中执行。 Go/Rust/C/C++语言可以直接编译为WASM 能够快速适应所有机器级架构，具备极高性能 附带与大多数现代硬件架构兼容的指令集 在大多数平台上趋近于本地运行速度
4.方案
技术方案主要参考以太坊2.0的EVM，实现基于堆栈的预编译字节码智能合约运⾏环境。
4.1 Ewasm
eWASM = WASM – 非确定性 (浮点) + 计量 + EEI路径 (用以与以太坊交互) ewasm允许以太坊开发者使用其他语言（例如Rust、C++等）开发智能合约并编译为以太坊接受的WebAssembly。 部署wasm合约时，要有一个预编译内置合约（合约名称Sentinel Contract）对合约进行检查，要求合约符合EVM2.0的要求，比如不能包括float类型，不能有限定外的操作。 ewasm合约语义设计（Ewasm Contract Interface - ECI） ECI定义了ewasm合约的结构，通过wasm的module实现，实质上是wasm，可以认为ewasm是wasm的子集 。 合约必须符合wasm二进制格式 合约import module只能import EEI，不能import以太坊之外的module保证了EVM是一个沙盒程序。 提供debug module，但debug模式只能用于开发，在部署的时候需要去掉 每个合约必须提供两个export方法，一个是main，供VM执行调用，一个是memory，供EEI调用，保存结果。 wasm module中的start function需要被disable。 Ethereum Environment Interface (EEI) 定义 EEI定义了wasm程序如何与链进行交互，通过EEI将以太坊API暴露给ewasm，使ewasm可以读写链上信息，意义是wasm指令是low level的，high level功能留给客户端实现。
4.2 evmc （如我们只实现一种，即ewasm，是否不需要用evmc）
EVMC – Ethereum Client-VM Connector API 新版本的以太坊将EVM从节点代码中剥离出来，形成一个独立的模块。EVM与节点的交互，抽象出EVMC接口标准。 通过EVMC，节点可以对接多种虚拟机，而不仅限于传统的基于solidity的虚拟机。 传统的solidity虚拟机，在以太坊中称为interpreter
4.3 代码结构主要参考EVM
堆栈和内存数据结构： vm使用stack.go里面的对象Stack来作为虚拟机的堆栈。memory代表了虚拟机里面使 用的内存对象。 stack.go：用1024个big.Int的定长数组来作为堆栈的存储。 memory.go：memory的存储就是byte[]. 还有一个lastGasCost的记录。 jump_table.go：jumptable. 是一个 [256]operation 的数据结构. 每个下标对应了一种指令, 使用operation来存储了指令对应的处理逻辑, gas消耗, 堆栈验证方法, memory使用的大小等功能. 数据结构operation存储了一条指令的所需要的函数。
5.技术难点和疑问
1）接收的数据是否是编译好的字节码，是否是wasm格式？是否只要实现类似Ewasm的虚拟机？ 2）不清楚目前项目构建的底层链与以太坊区块链的异同，因此根据以太坊的EVM做对应的适配修改有一定困难 3）不清楚项目的执行流程与各个部分之间的关联，包括智能合约解释器部分在上层应该与哪一部分对接，而下层负责构建底层链的又是哪个部分 4）希望能有详细的文档梳理整个项目的执行流程，包括每个部分之间负责实现的功能，输入的数据，输出的数据，每个部分之间的对接关系等