The next generation Ethereum Virtual Machine — Ewasm VM

The next generation Ethereum Virtual Machine — Crosslink 2019 Taiwan

這篇文章是 Crosslink 2019 Taiwan 的一個議程紀錄：The next generation Ethereum Virtual Machine，由來自 Second State 的工程部 VP Hung-Ying Tai 分享 Ewasm VM 目前研究內容及未來的方向，內容非常精彩，包含了 EVM bytecode 、 Webassembly、Ewasm1.0 以及 Ewasm2.0 。

EVM bytecode 及 Webassembly（WASM）

以太坊的智能合約交易在執行時，例如：轉 Token 到別的地址，我們是將 EVM bytecode 讀進以太坊的虛擬機執行，而 EVM bytecode 有以下幾點特色：

256 位元且堆疊式（staked-based）的虛擬機
很多高階的指令，例如：SSTORE, SLOAD, SHA3, EC, Call/Create contract
與實體系統架構（通常是 32/64 位元）有差異，而 256 位元則需要靠模擬來完成
較少程式語言（Vyper, Solidity, …）

Webassembly（WASM）是為了讓不同程式語言開發的套件都能在瀏覽器使用的一種二進位程式語言，WASM 有以下幾點特色：

堆疊式（staked-based）的虛擬機：有獨立的區域空間（暫存器或是記憶體），存取堆疊前 3 個物件（EVM 存取 16 個）
支持 32 / 64 位元的操作
沒有高階的指令
RISC 指令集也可以對應到 CPU ISA
較大的社群：主流的瀏覽器都支援，也有較多的程式語言（C++, Rust, GO, …）

Ewasm 1.0

接下來看看以太坊 Ewasm 的特性：

Ewasm 是 wasm 的子集合
因為不能有誤差，所以不支援浮點數運算
只能 import 以太坊的函式庫，避免 importㄒ系統函式庫
在每段指令之前插入 useGAS 來計算 GAS 的花費

Ethereum Environment Interface

EVM 裡有很多像是 SSLOAD, SHA3 的高階指令，這些指令在 Ewasm 1.0 裡，因為 WASM 可以動態讀取函式庫（模組），以太坊定義了 Ethereum Environment Interface 讓客戶端可以用不同的語言實作相對應的函示庫，而且也更容易完成 prototype 跟升級。

下圖是 Ethereum Environment Interface 定義的函數列表。

Ethereum Environment Interface Definition.

如何移除非法的指令？

Ewasm 使用 system contract 移除非法指令以及加入 useGas 的 bytecode，像是浮點數或是非法的 import，有以下兩種做法：

使用 system contract 檢查合約的 bytecode
像目前的 precompiles 運行在客戶端上，在部署前先檢查合約

下圖是 Ewasm 1.0 的 stack，在部署合約前 Ewasm bytecode 會先經過 Sentinal 的檢查，成功部署後客戶端如果要執行合約會透過 EVM-C 跟 Heru（Wasm Engine）溝通。

Ewasm Stack

效能問題

究竟使用 Ewasm 效能真的會比較快嗎？講者分享各 EVM 執行 Sha1 以及 BN128mul 的結果，可以發現 EVM 在運行 BN128mul 時會是最快，主要是因為 WASM 支持 32 / 64 位元的操作，256 位元則需要另外模擬（1 個 256 位元的運算可以換成 25 個 64 位元的運算），所以 WASM 在跑 BN128mul 時才會比較慢。