WAS:虛擬機科普專欄 | Rust智能合約的應用

往期“智能合約執行引擎的前世今生”、“熟悉的新朋友-鏈上JVM”中，我們介紹了智能合約的起源，以及自研的可以執行Java智能合約的執行引擎HVM。雖然HVM相比于EVM，性能已經有了很大的提升，但是由于其字節碼數量很大，在解釋執行的場景下執行性能十分受限。另一方面，合約漏洞(不考慮業務邏輯漏洞)引發的安全問題，每年都在發生，所造成的經濟損失都十分嚴重，那么有沒有一種方案能讓使用者拋開個人因素，盡量寫出安全的合約？

為了解決這兩個迫切的問題，我們引入了wasm虛擬機FVM，以及Rust合約編寫框架。下面本文將詳細介紹這兩個部分在智能合約領域的應用。

眾所周知，solidity語法在更新時出于一些考量并沒有做好兼容工作，導致不同版本的語法差異很大，開發人員在不同版本的語法之間來回切換，著實浪費精力。另外，由于區塊鏈區別于傳統的互聯網技術有著“不可篡改”的特性，一旦產品發布，無法以補丁的形式修復現存在的問題，也無法在原有的基礎上進行版本迭代。這就需要合約開發者能一次就寫出沒有任何問題的合約，否則容易造成巨額的經濟損失。然而事情一旦過度依賴于"人"，往往會帶來量子學的色彩，最好是有另外一套機制來確保合約的正確性。

Axelar正在推出Axelar虛擬機(VM):金色財經報道，幫助開發人員構建跨鏈加密應用程序的區塊鏈網絡Axelar正在推出Axelar虛擬機(VM)，Axelar將其新虛擬機描述為Kubernetes for Web3。Axelar在一份聲明中表示，“Axelar虛擬機將允許開發者在EVM、Cairo VM、Cosmos或其他生態系統上構建他們的dApps（去中心化應用），并在所有鏈上運行它們。”

Axelar將自己描述為“Web3的Stripe”，正如Stripe為Web2開發人員提供一站式服務，幾乎可以將任何銀行機構融入他們的應用程序一樣，Axelar旨在幫助Web3開發人員無縫集成不同的鏈。[2023/2/28 12:32:51]

Rust作為高效、可靠的通用語言毫無疑問是現有的最好解決方案。

Rust語言的可靠性依托于豐富的類型系統和所有權模型，以及強大的編譯器，在編譯期就能捕獲經典錯誤。這迫使開發者在編寫合約過程中，思考自己所寫的每行代碼是否準確，并通過編譯器來確認，保證通過編譯器檢查的合約代碼一定是安全的，極大的提高了合約的安全性以及可靠性。

基于Polkadot的數據索引解決方案SubQuery集成以太坊虛擬機:金色財經報道，基于Polkadot的數據索引解決方案SubQuery已與Moonriver和Moonbeam合作集成了以太坊虛擬機(EVM)功能。因此，來自類似以太坊的系統的數據現在可以在Polkadot和Kusama的智能合約生態系統中無縫使用。SubQuery允許使用自定義參數過濾和索引數據。新系統適用于各種用例的去中心化應用程序的開發和維護，包括DeFi協議。[2021/10/29 21:06:43]

此外，我們自研的合約框架提供了一個運行時的測試框架，讓開發者能模擬合約運行，無需部署就能在鏈下找到合約中存在的問題。這無疑是給上鏈的合約增加了一重保險。

另外，我們的合約框架利用rust的宏展開技術，將操作放在宏注解里面。這樣能讓開發者在使用過程中更多的關注自己合約的業務邏輯，從某種程度上保證了合約邏輯安全，畢竟只需要專注一個部分而沒有其他因素的干擾，能讓開發者更加投入的去打磨邏輯的細節。

Crypto.com部署其以太坊虛擬機鏈測試網:金色財經報道，Crypto.com發布公告稱，已為其以太坊虛擬機（EVM） 鏈啟動了測試網，該鏈名為Cronos，與Crypto.org鏈并行運行。該鏈旨在為開發人員提供將項目從以太坊和EVM兼容鏈轉移到Crypto.org生態系統的能力，讓用戶能夠更好地訪問智能合約等DeFi功能。[2021/7/21 1:06:24]

EVM在本質上是腳本程序，是基于棧的虛擬機，需要由編譯程序翻譯成指令后執行，即解釋執行，這導致EVM的執行效率非常低。與之相對，wasm使用了編譯執行的方式，采用了虛擬機/字節碼技術，并定義了緊湊的二進制格式，擁有更高更快的智能合約執行速度。因此我們引入wasm極大的提高了整個合約的運行效率。

WASM(WebAssembly)按照字面意思就是web匯編，是為web瀏覽器定制的匯編語言。這里雖然說是定制，但隨著靈性的發展，它不僅僅只適用于web，其《核心規范》更是與平臺無關。既然號稱匯編，那它顯然具有匯編語言的特點：

Qtum將于5月23日發布X86虛擬機:Qtum創始人帥初今日在朋友圈宣布Qtum將于5月23日19:00在韓國發布X86虛擬機。另外，Qtum還將推出Qtum企業版以及Qtum閃電網絡。據行情顯示，Qtum全球均價現為15.85美元，漲幅2.02%。[2018/5/19]

1）層次低，接近于機器語言，提高運行效率；

2）適合作為目標代碼，由其他高級語言(C/C++/Rust/Go等)編譯器生成，擴大適用性；

另外模塊是wasm程序編譯、傳輸和加載的單位。wasm定義了兩種模塊格式：

二進制格式：是wasm模塊的主要編碼格式，文件以.wasm為后綴。由于其格式設計的非常緊湊，可以縮小二進制體積，擁有更快的傳輸和執行效率。文本格式：文件以.wat為后綴，此處不詳細展開。模塊的劃分使得wasm的組織結構更加清晰，解析更為方便，極大地提升了解析的效率。

Qtum量子鏈將在紐約Consensus大會 公布X86虛擬機最新進展:Qtum量子鏈將在紐約Consensus大會 公布X86虛擬機最新進展。從技術角度來說，以太坊虛擬機只支持Solidity語言，為降低這一門檻，Qtum x86虛擬機將能夠支持C++、Rust、go等主流開發語言編寫智能合約。[2018/5/17]

那么除了使用Rust來編寫合約，以及將合約編譯成wasm字節碼，真正要將合約運行起來，依然需要為wasm提供一個運行環境，也就是FVM做的事。

從語義上講，一個wasm模塊從二進制格式到最終被執行可以分為3個階段：解碼，驗證，執行。解碼階段把二進制模塊解碼為內存格式；驗證階段對模塊進行靜態分析，確保模塊的結構滿足規范要求，且函數的字節碼沒有不良行為；執行階段又可以分為實例化和函數調用兩個部分。

?FVM組成

顯然，FVM完整的功能應當是包含上面提及到的解碼、驗證、實例化以及函數調用等部分。我們按照整個流程實現了FVM，但是在實際運行中，發現執行過程會消耗大量的性能在內存的讀寫及分配上。為了進一步提高FVM的執行性能，我們新增了一層編譯模塊，將wasm的棧式內存轉為基于寄存器式內存，對內存進行標記并加以重復利用，避免了頻繁的分配內存，極大的提升了整體執行效率。

FVM與平臺的賬本交互

在rust智能合約中，我們對數據是否上鏈做了明確的區分，只有標定特定宏注解的字段數據才會上鏈交互。在合約部署時，對于初始化的字段寫入賬本；在調用合約方法時，如果使用到合約的持久化字段，合約執行引擎會調用賬本讀取的方法從賬本中獲取其數據。對于存在有數據寫入操作(即更新)的字段，待合約執行結束后，若賬本還未存在此字段則將其寫入賬本，若此字段已存在，則對相應的賬本數據進行更新。

整體流程

整個介紹下來，相信大家對Rust智能合約的使用有了個大概的印象。這里對整個流程做個梳理：

step1:?用戶通過Rust合約框架編寫智能合約(一定要測試)

step2:編譯合約為wasm文件

step3:將wasm合約文件部署到FVM

完成以上步驟你就成功的運行了一個合約?。

目前的合約都只是針對相對簡單的業務，在我們的規劃中，FVM既能應用在現有的合約場景，又能應用在業務復雜以及對合約執行速度有較高要求的場景。同時給了非區塊鏈行業技術人員一種“零學習成本”的上鏈方法——使用他們熟悉的編程語言來編寫合約。擴大了區塊鏈技術的應用場景以及影響范圍，以便探尋更多的區塊鏈技術落地方案。

目前FVM在性能上的表現已經很好的達到了預期，但是我們不會滿足于眼前的現狀停滯不前。在后續的規劃中，我們將繼續探尋一些優化方案，比如：

1)?虛擬機緩存的優化；

2)引入AOT(Ahead-of-Time)，?即預先編譯的方式，替換現有的字節碼解釋執行，將wasm模塊直接編譯成go代碼，利用go的插件機制直接加載運行，得到極致的性能體驗。

技術在不斷的推陳出新，優化工作將一直持續下去，“保持先進”是我們的目標。

本文從「安全性」以及「效率的提升」兩個角度，引出了對rust智能合約支持的FVM，探討了rust與wasm在智能合約上為什么會有如此表現，以及我們使用FVM的意義。接下來我們還會對支持區塊鏈上SQL執行的KVSQL進行詳細介紹，敬請期待！

作者簡介

李凱

趣鏈科技基礎平臺部區塊鏈虛擬機研究小組

參考文獻

?rust程序設計語言

《WebAssembly原理與核心技術》

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