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以太坊的“换心手术” 一文读懂EVM接棒者

时间: 2022-05-29 来源：极速科技

导言：跟着渐渐的变多的运用布置在以太坊网络上，浮想联翩对扩展不可能三角（可扩展性、安全性和功率）的鸿沟有了更激烈的需求。

具体来说，顺便不可能三角的要素主要是一致机制(consensus protocols)、转账签名(transaction signing)和履行引擎(execution engine)。蚂蚁矿机

关于以太坊而言，现在的履行引擎或是说整个协议架构的履行层便是以太坊虚拟机(EVM)，这是一种依据栈(Stack)的履行环境，经过工作字节码指令(bytecode instruction)将体系从一种状况转换为另一种状况，驱动着整个以太坊的工作。

跟着链上布置的运用渐渐的变多，合约的功用越来越杂乱，进步虚拟机的履行功率就显得很重要。

图片源：以太坊架构

WebAssemly(WASM)，作为近年来鼓起的Web履行环境，是一种为依据栈的虚拟机规划的的二进制指令格局。相对JavaScript，具有更好的功能、较低的存储本钱、更安全的履行环境、更多的言语支撑等优势。

以太坊2.0，正是想运用这些特性把当时的EVM替换成以太坊定制的WASM (eWASM) ，来进步智能合约的兼容性和履行功率。

因为比较于EVM，eWASM具有更加好的功能以及更好的扩展性，能支撑Solidity、C++、Rust、AssemblyScript等编程言语，开发合约会更简略。eWASM也与当时的Web规范兼容，因而更简略在一般浏览器中工作，用户无需扩展程序即可拜访dApp。

此外，以太坊并不是仅有一个运用WASM(VM)作为其底层履行引擎的，EOS、Dfinity、Polkadot、Tron、Cardano、Spacemesh等都现已或正在选用 WASM。

接下来，浮想联翩想经过三个问题，来帮浮想联翩初识以太版WASM——eWASM

1.现有的EVM存在什么样的问题，为什么寻求WASM替代EVM？

2.什么是WASM(WebAssemly)？

3.以太坊是怎么“定制”自己的WASM，使其成为eWASM的？蚂蚁S19XP矿机

现有的EVM存在什么样的问题

为什么寻求WASM替代EVM？

首要浮想联翩先来回忆一下EVM履行智能合约的进程。

智能合约的源码(.sol 或 .vy)在被编译(compile)成字节码(EVM bytecode)后才会被放在区块链上。具体来说，EVM字节码被存储在合约地址的存储层中，在被EOA或其他合约调用后会被放入EVM的虚拟只读存储器中(Virtual ROM)，再运用CODECOPY指令复制到主存储器(Main Memory)中。终究，EVM的栈会依据主存储器中的指令一步一步地履行，直到EVM停机或许Gas被耗尽。

以上进程可以认为是，在沙箱中工作了一个以太坊国际状况的副本。

图片：EVM履行进程

浮想联翩浮想联翩都知道EVM是依据栈的虚拟机，它的内存结构是经过栈来安排和拜访的。

因为EVM的每个栈的宽度都有必要是256-bit的，所以即使是小于256位的核算也有必要转码为256-bit的格局，然后EVM才干处理它们。这就导致履行指令需求屡次转码，一些较简略的核算变得冗繁，加大了履行的杂乱度。

其他，因为EVM包含了许多较杂乱的高档指令，如SHA3、Create Contract等，使得EVM这个虚拟机环境和现在32-bit或64-bit的硬件标准相去甚远，一些履行时的优化战略无法直接用来优化EVM的指令，导致不能最大地优化EVM指令的履行功率。

什么是WASM(WebAssemly)？

WebAssemly(Web上的汇编)的姓名由两部分所组成：Web和Assembly。

首要，浮想联翩的视点来看一下什么是Assembly(汇编)。

核算机言语分为低级言语和高档言语，浮想联翩平常讲的编程一般是指人类可读的高档言语编程，而核算机实在可以了解的是低级言语，用二进制数表明，它专门用来操控硬件。

图片源：网络

一段核算机程序在进入CPU之前，首要要加载到RAM中，然后这些程序和数据进入CPU。

CPU实在空前绝后核算和逻辑判其他是管用逻辑单元(ALU)，指令被拆分为Operand（操作数）和Operation Code（操作码），前者指明操作方针的地址（也便是存放器的地址），后者告知CPU需求对Operand履行什么操作。

如下图中，111010101 001010便是CPU在把存放器中方位为001和010中存放的数据来进行加和操作(ADD)。

汇编言语是二进制指令的文本办法，而汇编进程便是把ADD这样的汇编言语转换成111010101这样的机器言语。

图片源：网络

加上Web这个修饰词之后，WebAssemly面向的是一种概念上机器的“机器言语”，而不是一种实在存在的物理机器，不会直接映射到特定的机器码。

如下图，它的指令是高档言语编译后构成的.wasm的二进制文件。与JavaScript源码比较，虚拟指令跟机器码的映射来得更为直接，履行功率也就更高。终究，浏览器就会下载 WebAssembly，然后把它编译为本地机器的机器代码履行。

也便是说，WebAssembly是一种虚拟指令，经过履行引擎（虚拟机），联系着程序自身和浮想联翩电脑物理意义上的处理器。

图片：WASM编译

可见，WebAssembly不是一种言语，而是规则了一种虚拟指令集，可当作各个言语的编译方针，然后经过WASM的虚拟机工作到浏览器还有其他各个平台中。

eWASM给自己的界说是，以太坊为自己定制的一个受限的WASM子集。

以太坊是怎么“定制”WASM

使其成为eWASM？

从WASM到eWASM，浮想联翩经过下面的式子来打开上面说到的“受限”和“子集”：

– 浮点数

因为浮点数在不同硬件上的精度可能会不相同，会老态龙钟必定的差错，而在去中心化网络中完结一致需求以太坊中代码的履行是百分百确认的（deterministic），也便是履行成果不能因硬件不同而产生误差。

所以，eWASM不能支撑浮点数。

+ ECI

以太坊合约接口(ECI)，是区块链和履行合约代码的虚拟机交互的接口。

其间，导入只可以终究靠API导入EEI中规则的符号（办法），这在某一些程度上预示着eWASM模块指定的一切导入都有必要来自ethereum命名空间，如getAddress、getBalance等，这保证了以太坊合约履行始终是一个沙盒环境。其他，每个合约供给两个export办法，一个是main，供虚拟机履行调用。一个是memory供EEI调用，用来保存履行的成果。

+ EEI

Ethereum Environment Interface(EEI)，以太坊环境接口。

因为WASM归于低级言语，并不支撑以太坊环境中所需的一切opcode，因而就需求一个中间件 (Ethereum Environment Interface,EEI) 协助底层的WASM和以太坊做交互，经过API的办法来为eWASM合约供给必要和常用的办法来获取链上信息。

以下便是部分EEI中的办法和当时EVM opcode的一一对应联系：

图片源：https://ewasm.readthedocs.io/en/mkdocs/fee_schedule/#calls-to-the-eei

+ Metering

Metering用来丈量履行eWASM指令所需的核算量，可以对应到某些特定硬件上所需的核算进入。

在eWASM中，有三个当地需求付出Gas：工作opcodes、扩展内存、调用EEI中的办法。

opcodes是指WASM中自带的操作码，每个WASM操作码会被分配一个恰当的Intel IA-32 (x86架构)操作码（机器码），而每个操作码都会对应一个固定的核算量。依据以太坊节点现在的硬件算力，得出每单位核算量对应0.0045 gas。那么，浮想联翩就可以精确的经过每个opcode的核算量得出履行它所需耗费的gas个数。

Gas cost =*

下图中，浮想联翩截取了一些eWASM的opcode对应的Gas Cost：

图片源：网络媒体

现在，一切opcodes的gas price=1；

内存可以按页进行扩展，其间一个页对应于65536字节的空间。依照当时EVM扩展内存的公式：words * 3 + words ^ 2 / 512，一个word占32为字符，扩展一个内存页会耗费14336个gas；

eWASM调用EEI接口的gas price和履行当时的EVM opcode相同。

履行eWASM字节码所需的Gas费的核算办法和EVM相同：

Gas Fee =*

eWASM:

以太坊2.0“心脏置换”

为了应对越来越杂乱的以太坊链上事务逻辑，以太坊2.0从来可以经过eWASM替代原有的EVM，来进步虚拟机的履行功率。

因为当时以太坊虚拟机的栈的规划和干流处理器的原生格局不匹配，使得履行指令需求屡次转码，加大了杂乱度。一起，一些常用的优化战略无法直接运用，导致EVM的履行功率无法最大化。

WASM作为一种更挨近本地履行虚拟指令集，让以太坊的履行层具有更好的功能、较低的存储本钱、更多的言语支撑。为了适配WASM，以太坊2.0经过约束(去掉浮点数，约束符号)和添加接口(EEI,ECI)等一系列改造，让eWASM可以在以太坊的履行层中真知灼见地接过EVM的接力棒，到达高虚拟机的履行功率，下降开发门槛的意图。

以太坊2.0分为三个阶段：PoS、分片、以及eWASM，现在一致机制由POW转向POS的merge还在严重测验中，eWASM的开发仍需等候前两个阶段的完善。

因而，现在eWASM的更新并不频频，更多施行的细节仍待确认。尽管如此，WASM在其它公链的体现现已证明了它在区块链范畴运用的潜力，eWASM在以太坊上的完成仍是值得等待的。

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