了解區(qū)塊鏈虛擬機：EVM、HVM、WASM、MOVE

時間：2023-06-27 12:45:01 | 來源：網站運營

時間：2023-06-27 12:45:01 來源：網站運營

了解區(qū)塊鏈虛擬機：EVM、HVM、WASM、MOVE：

在區(qū)塊鏈上，用戶通過運行部署在區(qū)塊鏈上的合約，完成需要共識的操作。而為智能合約提供運行環(huán)境的便是對應的虛擬機。

EVM

基礎概念

EVM，是ERC協(xié)議和運作的心臟。

簡單的類比：EVM之于以太坊，正如Java虛擬機之于Java語言

我們寫的java代碼會被編譯成字節(jié)碼，但計算機無法識別字節(jié)碼；java虛擬機把字節(jié)碼編譯成計算機系統(tǒng)可以識別的機器碼指令，然后在計算機上運行。如下圖所示：

EVM的存在是為了能讓我們用Solidity編寫的合約代碼，運行在以太坊的環(huán)境中。這樣類比的話，以太坊就相當于計算機環(huán)境，EVM把合約代碼編譯成以太坊能識別的機器碼運行。如下圖所示：

大致流程：

當智能合約被編譯成二進制文件后，被部署到區(qū)塊鏈上。用戶通過調用智能合約的接口，來觸發(fā)智能合約的執(zhí)行操作。EVM執(zhí)行智能合約的代碼，修改當前區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)（狀態(tài)）。被修改的數(shù)據(jù)，會被共識，確保一致性。

它實際上是完全隔離的，這意味著在EVM上運行的代碼無法訪問網絡、文件系統(tǒng)和其他進程。智能合約對其他的智能合約的訪問權也有限，在區(qū)塊鏈網絡上單獨運作。

編寫智能合約有三個主要步驟：

1. 用高級語言編寫，如Solidity
2. 用EVM編譯器編譯成字節(jié)碼
3. 用客戶端上傳到區(qū)塊鏈網絡

技術細節(jié)

EVM的存儲模型

EVM是一個基于堆棧的虛擬機，具有臨時內存字節(jié)數(shù)組和持久鍵值存儲(持久存儲在Storage中)。

Stack：EVM是基于棧(stack)的虛擬機，stack用來保存指令的輸入輸出數(shù)據(jù)，最大深度為1024個字，其中每個單元就是一個字。

臨時存儲Memory：內存，一個簡單的內存數(shù)組，用于臨時存儲EVM代碼運行中需要存取的各種數(shù)據(jù)，基于字進行尋址和擴展

永久存儲Storage：用來保存所有合約“狀態(tài)”的永久存儲，由以太坊客戶端獨立維護，每個賬戶的存儲區(qū)域被以“字”為單位劃分為若干個“槽”(solt)，合約中的狀態(tài)變量會根據(jù)其具體類型分別保存到這些槽中。例如在合約創(chuàng)建時由EVM根據(jù)合約定義的狀態(tài)變量進行初始化，將他們保存進以“字”為單位劃分的“存儲槽(solt storage)”中。

Storage也是作為是世界狀態(tài)的一部分存在的，客戶端會用一個MPT來維護其數(shù)據(jù)。

ROM：用來保存所有EVM程序代碼的只讀存儲，由以太坊客戶端獨立維護。

交易在EVM的執(zhí)行

輸入一筆交易，內部會轉換成一個Message 對象，傳入EVM執(zhí)行。

普通轉賬交易

如果是一筆普通轉賬交易，那么直接修改StateDB中對應的賬戶余額即可。

智能合約的創(chuàng)建或者調用

如果是智能合約的創(chuàng)建或者調用，則通過EVM中的解釋器加載和執(zhí)行字節(jié)碼，執(zhí)行過程中可能會查詢或者修改StateDB。

1.生成Contract對象

交易會被轉換成一個Message對象傳入EVM，而EVM則會根據(jù)Message生成一個Contract對象以便后續(xù)執(zhí)行。

2.送入解釋器執(zhí)行

EVM是基于棧的虛擬機，解釋器中需要操作四大組件

PC：類似于CPU中的PC寄存器，指向當前執(zhí)行的指令

Stack：執(zhí)行堆棧，位寬為256bits，最大深度為1024

Memory：內存空間

Gas：油費池，耗光油費則交易執(zhí)行失敗

EVM的每條指令稱為一個OpCode，占用一個字節(jié)，所以指令集最多不超過256

• 首先PC會從合約代碼中讀取一個OpCode
• 然后從一個JumpTable中檢索出對應的operation，也就是與其相關聯(lián)的函數(shù)集合
• 接下來會計算該操作需要消耗的油費，如果油費耗光則執(zhí)行失敗，返回ErrOutOfGas錯誤。如果油費充足，則調用execute()執(zhí)行該指令，根據(jù)指令類型的不同，會分別對Stack、Memory或者StateDB進行讀寫操作。

EVM機器語言

EVM機器語言分為特定的指令集組，例如算術運算，邏輯和比較運算，控制流，系統(tǒng)調用，堆棧操作和儲存器操作。除典型的Bytecode操作外，EVM還必須管理帳戶資訊（即地址和余額），當前gas價格和區(qū)塊資訊。

通用堆棧操作

POP // 項目出棧PUSH // 項目入棧MLOAD // 將項目加載到記憶體中MSTORE // 在記憶體中儲存項目JUMP // 改變程式計數(shù)器的位置PC // 程式計數(shù)器MSIZE // 活動的記憶體大小GAS // 交易可用的gas數(shù)量DUP // 復制棧項目SWAP // 交換棧項目通用系統(tǒng)操作

CREATE // 創(chuàng)建新的帳戶CALL // 在帳戶間傳遞消息的指令RETURN // 執(zhí)行停機REVERT // 執(zhí)行停機，恢復狀態(tài)更改SELFDESTRUCT // 執(zhí)行停機，并標記帳戶為刪除的算術運算

MUL //乘法SUB //減法DIV //整數(shù)除法SDIV //有符號整數(shù)除法MOD // Modulo（剩余）操作SMOD //簽名模運算ADDMOD //模數(shù)加法MULMOD //模數(shù)乘法EXP //指數(shù)運算STOP //停止操作環(huán)境操作碼

ADDRESS //當前執(zhí)行帳戶的地址BALANCE //帳戶余額CALLVALUE //執(zhí)行環(huán)境的交易值ORIGIN //執(zhí)行環(huán)境的原始地址CALLER //執(zhí)行調用者的地址CODESIZE //執(zhí)行環(huán)境程式碼大小GASPRICE //gas價格狀態(tài)EXTCODESIZE //帳戶的程式碼大小RETURNDATACOPY //從先前的記憶體調用輸出的數(shù)據(jù)的副本與現(xiàn)有的虛擬機科技作比較

• 虛擬機（Virtual Machine）
• Java 虛擬機（VM）

虛擬機技術與EVM的不同之處在于它們的目的是提供管理程式功能，或者處理客戶作業(yè)系統(tǒng)與底層主機作業(yè)系統(tǒng)和硬體之間的系統(tǒng)調用，任務調度和資源管理的軟體抽象。

然而，Java VM（JVM）規(guī)范的某些方面確實包含與EVM的相似之處。從高級概述來看，JVM旨在提供與底層主機作業(yè)系統(tǒng)或硬體無關的運行時環(huán)境，從而實現(xiàn)各種系統(tǒng)的兼容性。在JVM上運行的高級程式語言（如Java或Scala）被編譯到相應的指令集Bytecode 中。這與編譯要在EVM上運行的Solidity源檔案相當。

EVM的幾個功能

• 便于測試：為了保證各種“智能合約”的順利執(zhí)行，我們需要給它們創(chuàng)建一個安全的運行環(huán)境，EVM就是一個代碼的運行環(huán)境。
  正如我們上文所說，在虛擬機里的各種操作不會影響主機一樣，任何想要在EVM創(chuàng)建智能合約的開發(fā)者可以在虛擬機上測試各種應用而不占用主鏈資源也不受其他區(qū)塊鏈的影響。
• 增加安全性：ETH上承載著具有強大功能的各種應用，其邏輯也就更加復雜，開發(fā)者也越容易出現(xiàn)各種漏洞。而EVM是一個完全獨立的沙盒，合約代碼可對外完全隔離并在EVM內部運行。
  不僅可以防止因為不法分子或者程序員的編程錯誤而影響整個主鏈，還可以防止運行智能合約的物理設備遭受攻擊。
• 保障穩(wěn)定性：由于EVM部署在ETH網絡的每個節(jié)點，整個ETH網絡的數(shù)據(jù)由眾多節(jié)點共同維護和更新，這保持了整個區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的一致性，這同樣也使ETH有極高的故障容錯性，保證零停機。

EVM和公鏈的關系

目前市面上主流的公鏈，大部分都兼容EVM。

為什么這些鏈要做EVM兼容呢？

核心當然是以太坊在公鏈領域的影響力。目前市場上的各種公鏈此起彼伏，但是ETH依然是公鏈領域的龍頭。這些新興的公鏈需要利用以太坊引流，如果開發(fā)者可以把智能合約直接無縫遷移到自己的鏈上，那就是最好的引流方式。

在這些公鏈產生之前，以太坊的生態(tài)里，EVM已經部署了大量的應用。如果你不兼容這些應用，前進的道路必然是舉步維艱。

下面這個圖是2022年5月31日的全球公鏈的市場份額：

這個網站看到所有兼容EVM的公鏈：

https://www.coincarp.com/zh/chainlist/

HVM

HVM介紹

概述

HVM為趣鏈科技首創(chuàng)支持Java語言的智能合約執(zhí)行引擎，支持符合Java編寫規(guī)范多種數(shù)據(jù)結構，內置數(shù)據(jù)表結構，可以實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)可視化，在保證智能合約執(zhí)行的安全性、確定性、可終止性的前提下，提供了一系列靈活的應用模式和工具方法集，以滿足復雜多樣的業(yè)務場景需求，為廣泛的區(qū)塊鏈開發(fā)人員提供更便捷、靈活、安全的區(qū)塊鏈應用開發(fā)模式。

使用

HVM合約執(zhí)行的操作：從SDK調用一筆HVM的合約，首先需要共識模塊將通過共識的區(qū)塊交易發(fā)送給執(zhí)行模塊，然后執(zhí)行模塊調用HVM暴露出來的合約接口，最后合約執(zhí)行完成后會將結果返回，將執(zhí)行結果寫入賬本中。

在架構層面，HVM自上而下主要分為三個部分：合約操作層、庫函數(shù)層以及虛擬機層。

1.虛擬機層

虛擬機層主要是在合約執(zhí)行過程中，對于合約解析執(zhí)行的內部操作。為了提高整體的執(zhí)行效率，HVM設計定制類加載器，類加載緩存提供合約地址到合約類加載器的映射，一個合約類加載器保存合約的字節(jié)碼和合約類實例，采用最近最少使用淘汰策略（LRU）減少類重復加載帶來的開銷；指令解析從開始的每次對指令進行解析到將指令做成單例，并進行棧幀復用，大量節(jié)省指令執(zhí)行時間，提高整體執(zhí)行效率。

2.庫函數(shù)層

庫函數(shù)包括數(shù)據(jù)結構、賬本操作、日志信息以及加解密等功能。

• 數(shù)據(jù)結構符合Java編寫范式：HyperList、HyperMap為平臺獨立研發(fā)，為了方便Java軟件開發(fā)者習慣，使其無需感知區(qū)塊鏈底層KV結構即可編寫相應業(yè)務邏輯代碼。HyperMap和HyperList的使用類似于開發(fā)者所熟知的HashMap和ArrayList，但做了原創(chuàng)性地優(yōu)化，在減少內存使用的同時也提高了更新賬本的插入效率。

• 內置數(shù)據(jù)表結構：為了滿足復雜業(yè)務場景下數(shù)據(jù)類型多樣化、業(yè)務數(shù)據(jù)可視化與可分析的需求，智能合約需要支持復雜的表結構數(shù)據(jù)組織形式。HVM提供了內置數(shù)據(jù)結構HyperTable，支持在合約內部按照表的形式組織業(yè)務數(shù)據(jù)，便于業(yè)務數(shù)據(jù)可視化以及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與價值挖掘。這種結構可以讓原Solidity語言中復雜嵌套的數(shù)據(jù)操作簡單化，同時在性能方面，能有效解決序列化、反序列化造成的性能瓶頸，整體維護成本更低、使用更高效。

• 內置嵌套Map數(shù)據(jù)結構：HyperList、HyperMap數(shù)據(jù)結構都無法滿足復雜數(shù)據(jù)組織結構的需求；HyperTable的表結構擁有嚴格的層級格式（表-行-列簇-列-值），缺乏在復雜結構下的靈活性（例如：不可只有列，沒有列簇）。針對上述問題，HVM推出新型的數(shù)據(jù)結構——NestedMap，支持用戶按需進行靈活的數(shù)據(jù)組織，并且實現(xiàn)對多層映射數(shù)據(jù)更高的讀寫性能。

3.合約操作層

這一層與用戶直接相關聯(lián)，主要包括合約部署、調用等全生命周期管理，對于合約的操作通過會對鏈上的合約數(shù)據(jù)狀態(tài)產生影響，所以平臺采取了靈活的合約管理提案申請-閾值投票-提案執(zhí)行的策略，通過合約管理員對合約操作進行控制，保證合約管理操作的公平與安全。

• 合約部署 ：編寫Java智能合約，并通過SDK發(fā)交易的形式將其部署到區(qū)塊鏈上；
• 合約調用 ：根據(jù)合約地址，調用相應合約中的邏輯。
• 合約升級 ：需要對合約進行升級操作時，因為升級合約是一個鏈級操作（改變整個鏈上的狀態(tài)），所以需要采用CAF聯(lián)盟自治框架才可以進行合約升級，保證鏈上合約的安全控制。
• 合約凍結/解凍 ：將鏈上的合約凍結，在合約所有者解凍之前，禁止任何人調用，凍結不同于銷毀，其具備一個可逆的過程，可以通過合約解凍的操作重新使用。
• 合約銷毀 ：不同于合約凍結，合約銷毀是一個不可逆的操作，被銷毀的合約不能夠被訪問，不可以恢復，不允許再進行任何操作，但合約銷毀后的數(shù)據(jù)仍然會存在鏈的底層賬本中，僅用于監(jiān)管審計。

優(yōu)勢

• 支持多級日志

EVM未對出現(xiàn)的異常進行詳細定位，給編譯調試造成極大的難度。而HVM通過內置日志工具類，支持六種日志級別：critical、error、warning、notice、info、debug?？梢詾槊糠N常見的錯誤進行合理的提示，方便使用者對合作操作過程中產生的異常進行debug，方便開發(fā)和運維快速定位問題。

• 分層調用模式

HVM采取分層調用的模式，可以有效降低合約升級的成本。其實現(xiàn)方法主要通過InvokeBean的方式在業(yè)務調用層在不更新合約的情況下定義豐富的業(yè)務邏輯， 合約層只實現(xiàn)最核心、最基本的原子操作。以轉賬場景為例，合約層只有增加余額和減少余額的方法，在InvokeBean調用層定義轉賬的邏輯：如余額是否充足、 減少轉讓方余額和增加接收方余額。

• 支持加解密工具

一些業(yè)務場景需要在智能合約中進行簽名驗簽邏輯處理，從而進行身份認證，便于進行權限判斷或者后續(xù)業(yè)務的開展。因此HVM設計了基于TEE的加解密工具， 支持在合約中調用存儲于TEE的公私鑰完成簽名、驗簽操作，并支持ECDSA國標系列、SM國密系列等多種加解密算法，具有方便友好安全的特性。

• 支持合約訪問控制

合約編碼者可以通過智能合約和訪問控制策略來限制訪問數(shù)據(jù)的角色和用戶，在合約中針對節(jié)點、角色、用戶定制不同的合約函數(shù)訪問權限。合約編碼者可以在 合約中為一些高權限的函數(shù)設置權限控制，使得該函數(shù)只能被固定地址的調用者調用，從而實現(xiàn)訪問權限控制。

WASM

WASM-VM簡介

概述

WebAssembly(wasm) 是一個基于二進制操作指令的棧式結構的虛擬機，wasm可以被編譯為機器碼，可以更快，更高效的執(zhí)行本地方法和硬件資源，通過和js協(xié)作，前端可以實現(xiàn)更快，更復雜的計算和應用。

不僅可以嵌入瀏覽器增強web應用，也可以應用于其他的場景。

wasm支持高級語言編程，目前比較成熟的編譯器支持C / C++ /Rust。

工作原理

WASM是一種不依賴于具體物理機器的匯編語言，可以抽象的理解成它是概念的機器語言，而不是實際的物理機器語言，因此，WebAssembly指令也可稱為虛擬指令，可以更快的更直接的映射的到機器碼!

優(yōu)勢

WASM虛擬機已經被Google，F(xiàn)acebook，Microsoft等世界頂級互聯(lián)網公司同時支持，同時也可以在所有流行的瀏覽器中運行。WASM虛擬機一開始設計的目的是用于解決Web程序日益嚴峻的性能問題，因其有以下優(yōu)越的特性，被越來越多的非Web項目所采用。

1. 快速、高效、可移植：通過利用常見的硬件能力，WASM代碼在不同平臺上能夠以接近本地速度運行。
2. 可讀、可調試：WASM是一門低階語言，但是它有一種人類可讀的文本格式，這允許通過人工來寫代碼、看代碼以及調試代碼。
3. 保持安全：WASM被限制運行在一個安全的沙箱執(zhí)行環(huán)境中。像其他網絡代碼一樣，它遵循瀏覽器的同源策略和授權策略。
4. 不破壞網絡：WASM的設計原則是與其他網絡技術和諧共處并保持向后兼容。

與EVM對比

速度

• EVM
• 只能處理256位字節(jié)碼，這意味著小于256位的字節(jié)碼必須先轉換為256位格式，然后才能發(fā)送給EVM。
• EVM的可擴展性問題很明顯，因為它每秒只處理25個交易。
• WASM
• 直接轉換為編譯后的代碼，這使它能夠更快地加載，同時增加每個區(qū)塊所處理的交易數(shù)量。

預編譯

• EVM
• 依賴于預編譯(預編譯合約)。當發(fā)出預編譯調用時，EVM將執(zhí)行預定義的本機代碼，然后顯示結果。這些預編譯特定于用于基本操作的特定協(xié)議，例如簽名方案和哈希。
• 盡管預編譯在不消耗大量gas的情況下使加密計算變得高效，但它們也帶來了問題。引入新的預編譯器通常要求網絡經歷一個系統(tǒng)范圍的硬分叉。
• WASM
• 消除了以太坊對預編譯合同的依賴。由于WASM非常高效，開發(fā)人員可以創(chuàng)建高效、快速的智能合約，而無需擔心潛在的硬分叉。

靈活性和互操作性

WASM支持更多的語言，并且提供了比EVM更廣泛的工具集。WASM支持傳統(tǒng)語言，如Rust、C和c++。WASM也被本地JavaScript引擎支持，例如 Google 的 V8 引擎（基于Node.js 和 Chromium 的瀏覽器）、微軟的Chakra 引擎（Microsoft Edge）和Mozilla 的 Spidermonkey 引擎（Thunderbird和 Firefox）。

MOVE

概述

MoveVM是具有靜態(tài)類型系統(tǒng)的堆棧機。MoveVM從幾個方面來約束 Move語言規(guī)范，包括混合文件格式、驗證和運行時的約束。文件格式的結構允許定義模塊，類型（資源和非限制類型）和函數(shù)。代碼通過字節(jié)碼指令表示，字節(jié)碼指令可以引用外部函數(shù)和類型。

實現(xiàn)細節(jié)

Move VM執(zhí)行以Move字節(jié)碼表示的交易。它有兩個核心包：核心VM和VM運行時。

MoveVM核心包提供文件格式的定義以及與文件格式相關的所有實用程序：

• 一個簡單的Rust抽象文件格式
  (libra/language/vm/src/file_format.rs) 和字節(jié)碼。這些Rust結構廣泛用于代碼庫中。
• 文件格式的序列化和反序列化。這些定義了代碼的鏈上二進制表示。
• 一些漂亮的輸出展示功能。
• 文件格式的基本架構。
• gas成本/綜合基礎設施。

Move編程語言

Move是一種新的編程語言，旨在為Libra區(qū)塊鏈提供安全可編程的基礎。

Move與平臺無關，支持跨區(qū)塊鏈的共享庫、工具和開發(fā)人員社區(qū)。Move語言的設計強調安全性，旨在避免許多Web3.0用戶受害的情形，包括但不限于重入漏洞（re-entrancy vulnerabilities）、毒令牌（poison tokens）和欺騙性令牌批準（spoofed token approvals）等問題

Move語言目錄由五個部分組成:

• 虛擬機 (VM), 它包含字節(jié)碼格式、字節(jié)碼解釋器和執(zhí)行交易塊的基礎設施。該目錄還包含生成創(chuàng)世區(qū)塊的基礎設施
• 字節(jié)碼驗證器, 其中包含一個靜態(tài)分析工具，用于拒絕無效的Move字節(jié)碼。虛擬機在執(zhí)行新的Move代碼前，會先運行字節(jié)碼驗證器。編譯器運行字節(jié)碼驗證器則會把輸出和錯誤顯示給程序員。
• Move中間層表示 (IR：intermediate representation) 編譯器, 它將可讀的程序文本編譯成Move字節(jié)碼. 警告:IR編譯器是一個測試工具。它會生成將被Move字節(jié)碼驗證器拒絕的無效字節(jié)碼。IR語法工作仍在進行，或將經歷重大的變化。
• 標準庫, 其中包含LibraAccount和LibraCoin等核心系統(tǒng)模塊的Move IR代碼。
• 一些測試 ，用于虛擬機，字節(jié)碼驗證程序和編譯器。這些測試是用Move IR編寫的，由測試框架運行，該測試框架從注釋中編碼的特殊指令解析運行測試的預期結果。

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文章來源：CSDN博主「鯤志說」

文章原標題：《web3：智能合約-虛擬機（EVM、HVM、WASM、MOVE）》

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