链上兼容EVM、Wasm虚拟机的实现思路

路之遥

发布于 2022-09-26 17:00:43

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发布于 2022-09-26 17:00:43

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概述

Coinex Smart Chain是一条基于Cosmos-SDK实现的Ethereum Semantic的智能合约链，底层提供了EVM、Wasm两种虚拟机来运行智能合约。开发者可以使用传统的Solidity语言编写合约、或其它可以编译为WebAssembly高级语言(如：Rust/C++/AssemblyScript)编写合约，将编译后的合约字节码上传至Coinex Smart Chain上运行；并且两种类型的字节码合约之间可以互相进行调用。

基于上述这种开发理念，引申出一个问题：如何在Wasm上实现实现Ethereum Semantic. 对此初步提供了三种方案：

将Solidity合约编译为Wasm字节码
- 使用类似于SOLL的方案，将Solidity合约编译为等价的WebAssembly字节码，底层提供Wasm虚拟机来运行合约。
在Wasm上提供系统合约，来运行Solidity字节码的合约
- 在Wasm虚拟机上构建EVM字节码器，来运行编译后的Solidity字节码。
提供两种虚拟机的实现，不同的字节码合约在不同的虚拟机上运行
- 使用两种虚拟机，分别运行EVM字节码合约和WebAseembly字节码合约，同时在Wasm虚拟机上通过Host函数，提供Ethereum Semantic的实现，以便做到两种虚拟机合约之间的互相调用。

基于技术实现难度、运行性能等方面的考虑，采用了第三种方案。下面将详细介绍该方案的实现思路

Wasm虚拟机实现Ethereum Semantic

在Wasm虚拟机中运行合约时，除了虚拟机自身之外，还需要依赖一些外部Host函数的支持，通过在Host中，提供EEI实现，以便在Wasm虚拟机中提供 Ethereum Semantic.

Coinex Smart Chain提供了便于合约导入的SDK，以便在用高级语言(Rust/AssemblyScript/)写Wasm合约时，可以调用这些外部Host函数；将合约编译为Wasm字节码时，SDK中声明的所有export函数，都将由Coinex Smart Chain客户端提供实现。

示例如下：

在smart-sdk-as项目中，提供了as项目使用的sdk.

// cesi.ts
export declare function getCallDataSize(): u32
export declare function callDataCopy(bufOut: Uint8Array, offset: u32, length: u32): void
export declare function getCodeSize(): u32

// lib_contract.ts
export namespace contract {
    export function getCodeSize(): u32 {
    return cesi.getCodeSize();
  }
  ....
}

// index_test.ts
export function testCoreAPI(): void {
    var codeSize = contract.getCodeSize(); 
}

在smart chain链的客户端中，实现了这些Host函数

//export cesiGetCallDataSize
func cesiGetCallDataSize(context unsafe.Pointer) int32 {
    return convertContext(context).getCallDataSize()
}
//export cesiCallDataCopy
func cesiCallDataCopy(context unsafe.Pointer, resultOffset int32, dataOffset, length int32) {
    convertContext(context).callDataCopy(resultOffset, dataOffset, length)
}
//export cesiGetCodeSize
func cesiGetCodeSize(context unsafe.Pointer) int32 {
    return convertContext(context).getCodeSize()
}

将用高级语言(Rust/AssemblyScript)编写的Wasm合约编译为字节码(WebAssembly ByteCode)，上传至链，创建Wasm虚拟机后，进行运行，并由Host函数提供EEI语义的支持.

 +--------------+               +---------------+               +---------------+
 |              |   create VM   |               |       run     |               |
 |  Wasm        | ------------> |      VM       | ------------->|   host func   |
 |  ByteCode    |               |               |               |               | 
 +--------------+               +---------------+               +---------------+

EVM虚拟机集成

在coinex smart chain中，使用了[ethereum/evmone]作为以太坊虚拟机的实现，该项目内部实现了以太坊的所有指令；同时，提供了一个接口HostContext，负责与区块链进行数据交互；在smart chain 客户端中通过实现该接口，为evm虚拟机提供数据支持；

通过调用evmc提供的接口，从evmone的动态库中创建evm虚拟机；然后通过虚拟机提供的接口Execute，传入合约code，用户输入等一系列参数信息，运行合约。

 +--------------+               +---------------+               +---------------+
 |              |   params      | contract code |       run     |               |
 |  Load EMV    | ------------> |     input     | ------------->|  HostContext  |
 |              |               |     ...       |               |               | 
 +--------------+               +---------------+               +---------------+

虚拟机间的兼容

为了使smart chain在执行合约时，不用关注虚拟机的实现细节，增加了中间层，来兼容两种虚拟机的创建、执行；

在合约的元信息中增加标识，来表明合约字节码类型;
依据标识来创建指定类型的虚拟机;
通过引入中间层接口ContractExecutor，来屏蔽smart chain 在链上执行合约时，对两种虚拟机实现细节的关注.
在虚拟机执行时，通过使用ABI编码后的参数，来做到虚拟机之间的互相调用

type ContractInfo struct {
        ContractType uint8
}

func CreateVM(cfg Config) (ContractExecutor, error) {
    switch cfg.Flag {
    case EVM:
      return evm.NewVmEvmc()
    case Wasm:
      return wasm.NewWasmer(cfg.Ctx, cfg.Keeper, cfg.ContractAddr, cfg.Code, cfg.CodeHash, cfg.Ims)
    }
    return nil, types.ErrVMUnsupported
}

type ContractExecutor interface {
    Execute(ctx interface{}, rev evm.Revision,
      kind evm.CallKind, static bool, depth int, gas int64,
      destination sdk.AccAddress, sender sdk.AccAddress, input []byte, value int64,
      code []byte, create2Salt []byte) (output []byte, gasLeft int64, err error)
}

 +--------------+               +---------------+               +---------------+
 |              |  create vm    |               |    run        |               |
 |  Contract    | ------------> |   Contract    | ------------->|    Execute    |
 |  Info        |               |   Executor    |               |               | 
 +--------------+               +---------------+               +---------------+