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区块链智慧谷

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发布于 2周前 阅读数 6943

虚拟机科普专栏 | Rust智能合约的应用

【导读】

往期“智能合约执行引擎的前世今生”、“熟悉的新朋友 – 链上JVM”中,我们介绍了智能合约的起源,以及自研的可以执行Java智能合约的执行引擎HVM。虽然HVM相比于EVM,性能已经有了很大的提升,但是由于其字节码数量很大,在解释执行的场景下执行性能十分受限。另一方面,合约漏洞(不考虑业务逻辑漏洞)引发的安全问题,每年都在发生,所造成的经济损失都十分严重,那么有没有一种方案能让使用者抛开个人因素,尽量写出安全的合约?

为了解决这两个迫切的问题,我们引入了wasm虚拟机FVM,以及Rust合约编写框架。下面本文将详细介绍这两个部分在智能合约领域的应用。

【安全性】

众所周知,solidity语法在更新时出于一些考量并没有做好兼容工作,导致不同版本的语法差异很大,开发人员在不同版本的语法之间来回切换,着实浪费精力。另外,由于区块链区别于传统的互联网技术有着“不可篡改”的特性,一旦产品发布,无法以补丁的形式修复现存在的问题,也无法在原有的基础上进行版本迭代。这就需要合约开发者能一次就写出没有任何问题的合约,否则容易造成巨额的经济损失。然而事情一旦过度依赖于"人",往往会带来量子学的色彩,最好是有另外一套机制来确保合约的正确性。

Rust作为高效、可靠的通用语言毫无疑问是现有的最好解决方案。

Rust语言的可靠性依托于丰富的类型系统所有权模型,以及强大的编译器,在编译期就能捕获经典错误。这迫使开发者在编写合约过程中,思考自己所写的每行代码是否准确,并通过编译器来确认,保证通过编译器检查的合约代码一定是安全的,极大的提高了合约的安全性以及可靠性。

此外,我们自研的合约框架提供了一个运行时的测试框架,让开发者能模拟合约运行,无需部署就能在链下找到合约中存在的问题。这无疑是给上链的合约增加了一重保险。

另外,我们的合约框架利用rust的宏展开技术,将操作放在宏注解里面。这样能让开发者在使用过程中更多的关注自己合约的业务逻辑,从某种程度上保证了合约逻辑安全,毕竟只需要专注一个部分而没有其他因素的干扰,能让开发者更加投入的去打磨逻辑的细节。

【执行效率】

EVM在本质上是脚本程序,是基于栈的虚拟机,需要由编译程序翻译成指令后执行,即解释执行,这导致EVM的执行效率非常低。与之相对,wasm使用了编译执行的方式,采用了虚拟机/字节码技术, 并定义了紧凑的二进制格式, 拥有更高更快的智能合约执行速度。因此我们引入wasm极大的提高了整个合约的运行效率。

WASM(WebAssembly) 按照字面意思就是web汇编,是为web浏览器定制的汇编语言。这里虽然说是定制,但随着灵性的发展,它不仅仅只适用于web,其《核心规范》更是与平台无关。既然号称汇编,那它显然具有汇编语言的特点:

1)层次低,接近于机器语言,提高运行效率;

2)适合作为目标代码,由其他高级语言(C/C++/Rust/Go等)编译器生成,扩大适用性;

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另外模块是wasm程序编译传输载的单位。wasm定义了两种模块格式:

  • 二进制格式:是wasm模块的主要编码格式,文件以 .wasm为后缀 。由于其格式设计的非常紧凑,可以缩小二进制体积,拥有更快的传输和执行效率。
  • 文本格式:文件以.wat为后缀,此处不详细展开。

模块的划分使得wasm的组织结构更加清晰,解析更为方便,极大地提升了解析的效率。

【FVM详解】

那么除了使用Rust来编写合约,以及将合约编译成wasm字节码,真正要将合约运行起来,依然需要为wasm提供一个运行环境,也就是FVM做的事。

从语义上讲,一个wasm模块从二进制格式到最终被执行可以分为3个阶段:解码,验证,执行。解码阶段把二进制模块解码为内存格式;验证阶段对模块进行静态分析,确保模块的结构满足规范要求,且函数的字节码没有不良行为;执行阶段又可以分为实例化和函数调用两个部分。

(1) FVM组成

显然,FVM完整的功能应当是包含上面提及到的解码、验证、实例化以及函数调用等部分。我们按照整个流程实现了FVM, 但是在实际运行中,发现执行过程会消耗大量的性能在内存的读写及分配上。为了进一步提高FVM的执行性能,我们新增了一层编译模块,将wasm的栈式内存转为基于寄存器式内存,对内存进行标记并加以重复利用,避免了频繁的分配内存,极大的提升了整体执行效率。

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(2)FVM与平台的账本交互

在rust智能合约中,我们对数据是否上链做了明确的区分,只有标定特定宏注解的字段数据才会上链交互。在合约部署时,对于初始化的字段写入账本;在调用合约方法时,如果使用到合约的持久化字段,合约执行引擎会调用账本读取的方法从账本中获取其数据。对于存在有数据写入操作(即更新)的字段,待合约执行结束后,若账本还未存在此字段则将其写入账本,若此字段已存在, 则对相应的账本数据进行更新。

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(3)整体流程

整个介绍下来,相信大家对Rust智能合约的使用有了个大概的印象。这里对整个流程做个梳理:

step1:  用户通过Rust合约框架编写智能合约 (一定要测试)

step2: 编译合约为wasm文件

step3: 将wasm合约文件部署到FVM

完成以上步骤你就成功的运行了一个合约❤。

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【未来展望】

目前的合约都只是针对相对简单的业务,在我们的规划中,FVM既能应用在现有的合约场景,又能应用在业务复杂以及对合约执行速度有较高要求的场景。同时给了非区块链行业技术人员一种“零学习成本”的上链方法——使用他们熟悉的编程语言来编写合约。扩大了区块链技术的应用场景以及影响范围,以便探寻更多的区块链技术落地方案。

目前FVM在性能上的表现已经很好的达到了预期,但是我们不会满足于眼前的现状停滞不前。在后续的规划中,我们将继续探寻一些优化方案,比如:

1)  虚拟机缓存的优化

2) 引入AOT(Ahead-of-Time), 即预先编译的方式,替换现有的字节码解释执行,将wasm模块直接编译成go代码,利用go的插件机制直接加载运行,得到极致的性能体验。

技术在不断的推陈出新,优化工作将一直持续下去,“保持先进”是我们的目标。

【小结】

本文从「安全性」以及「效率的提升」两个角度,引出了对rust智能合约支持的FVM,探讨了rust与wasm在智能合约上为什么会有如此表现,以及我们使用FVM的意义。接下来我们还会对支持区块链上SQL执行的KVSQL进行详细介绍,敬请期待!

作者简介

李凯

趣链科技基础平台部区块链虚拟机研究小组

参考文献

[1]  rust程序设计语言

[2]《WebAssembly原理与核心技术》

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