WAS:技術 | 解構ETH2.0：以太坊如何從EVM過渡到eWASM？_以太坊

來源|?IvanonTech，翻譯：以太坊中文網

以太坊2.0之eWASM

eWASM是以太坊邁向2.0時代的又一創新之舉。主流看法是，eWASM能夠促進網絡的速度、可擴展性和靈活性，也使得開發者能夠基于以太坊2.0的協議構建更為復雜的智能合約。除此之外，我們之前的文章還對Eth2.0的許多不同方面進行了解釋，如

Staking、

Sharding、

以太坊Layer-2、

zk-snark等。在探討eWASM之前，我們再過一遍以太坊2.0的基本路線。

什么是以太坊2.0？

以太坊2.0包含一系列升級，將對協議進行顛覆性的改進，擴容以太坊網絡，使其更加高效。其中的升級包括：使用Casper協議的ProofofStake(權益證明)機制、分片、Raiden(雷電網絡)、Plasma以及Rollups等等。這些升級將會在

以太坊不同的階段中實現，以確保合理地部署和執行。

階段0：啟動信標鏈，轉向PoS權益證明機制

階段1：加入分片

階段2：使用以太坊0eWASM替代現有的以太坊虛擬機(EVM)

本文將主要探討階段2，如果讀者對以太坊2.0有一些了解，那么應該知道從EVM到eWASM的轉變是非常宏大的工作。在我們進入eWASM之前，先來看看EVM到底是什么。

以太坊虛擬機是什么？

每條去中心化的區塊鏈都需要一個虛擬機來處理并執行操作。比特幣的虛擬機相對簡單，因為它只需要處理交易。然而，由于以太坊支持圖靈完備的智能合約，其復雜度也就更高。因此，我們需要思考另一個重要問題。

既然智能合約要滿足不可篡改性，并且即使歷經多個節點也能無損運行，那么以太坊虛擬機(EVM)需要擁有哪些主要特性？

中銀協：明確以區塊鏈作為平臺底層技術 分階段進行建設:8月31日消息，中銀協和中注協攜手推動第三方電子函證金融服務平臺的建設，目前已完成多項重點工作。一是明確以區塊鏈技術作為平臺底層技術，分階段進行平臺建設的系統框架，即第一期選擇科技程度較高、數字化程度相對集中的大中型商業銀行和會計師事務所上線運行，第二期逐步向地方法人中小銀行和中小會計師事務所推廣使用，并以平臺建設為契機，推動部分中小銀行實現數據集中，進一步完善數據治理。（新華網）[2020/8/31]

確定性

可終止性

獨立性

確定性

如果針對相同的一組輸入，無論其執行了多少次代碼，程序都給出相同的輸出，那么就可以說是該程序具有確定性。確定性函數的一個完美示例就是數學運算。例如，假定所有數字都以10為底，則無論重復運算多少次，1+4始終等于5。

DApps往往需要同時處理大量金額，所以用戶需要清楚知道代碼在每個執行階段如何響應。

可終止性

我們需要謹記一點，以太坊智能合約是圖靈完備的。如果有充足的時間和資源，那么理論上來說智能合約可以解決任何問題。然而，我們無法判斷合約是否能在給定的時間限制內完成所有操作。這就是為什么智能合約需要有終止機制。以太坊智能合約借助“gas”來定義其使用期限。當合約達到gas上限，則無法繼續進行操作。

獨立性

最后，智能合約應該在一個完全獨立的環境中運行。如果合約發生什么意外情況(例如被攻擊或是出現漏洞)，那么其影響不應該波及到其他底層協議。

要滿足以上三個特性，有兩種系統可以供智能合約使用——虛擬機和Docker容器。由于Docker的合約默認設計不具備確定性，以太坊決定采用虛擬機。

以太坊虛擬機：如何運作？

當我們說到“虛擬機”?(virtualmachine)的時候，到底是什么意思？

昆明市委宣傳部部長：依托區塊鏈等技術 大力發展數字文創產業:4月26日消息，日前，昆明市召開文化創意產業工作推進會。昆明市委宣傳部部長金幼和在會上表示，要以文化建設和產業發展“510”工程為抓手，突出民族化、國際化、時尚化，依托5G、大數據、云計算、區塊鏈等技術創新的廣泛應用，大力發展數字文創產業等新產業、新業態，培育一批有示范引領作用的骨干文化企業，建成一批有核心競爭力的文創園區，打造一批展現春城魅力的文化品牌。（昆明日報）[2020/4/26]

傳統的操作系統(Windows/iOS)一次只需要在一個系統中運行。而虛擬機(VM)是基于本地操作系統所創建更高級抽象，可用于復制物理機的功能。

虛擬機使得用戶能夠在不同的硬件架構和操作系統中同時運行同一平臺。這就是為什么虛擬機非常適合像以太坊這樣的去中心化網絡的原因。以太坊的主要目標是成為一臺全球超級計算機，使得開發者能夠借助其計算資源構建自己的智能合約和去中心化應用程序。以太坊虛擬機(EVM)的功能就類似世界計算機，遍布全球的節點都能進行訪問。

堆棧和狀態機

相較于普通的虛擬機，EVM還具備兩個額外特性。首先，作為狀態機的EVM可以讀取輸入然后相應地更新其狀態。其次，EVM還是堆棧式，其內存結構能夠以堆棧形式進行組織和訪問。

如果讀者熟悉數據結構，那么應該對堆棧并不陌生。堆棧是線性數據結構，其中的操作是通過LIFO?(后進先出)來執行的。

下面舉個例子：

在上圖的堆棧中，第一條插入的數據是Orange，最后一條數據是Apple。根據LIFO的邏輯，我們取出的第一條數據應該是Apple，最后才是Orange。

現在我們再來看看堆棧操作：Push和Pop。

Push：向堆棧中加入數據

動態 | 美國財政部使用區塊鏈技術 測試追蹤聯邦撥款:管理美國政府收入的美國財政部目前正在進行一項通過區塊鏈技術追蹤聯邦撥款的測試。該項目于去年 9 月發起，由財政部與圣地亞哥州立大學、杜克大學和美國國家科學基金會合作展開，預計將于本月底結束。美國財政部創新計劃經理 Craig Fischer 在最近一次會議上表示，這是一項使用區塊鏈解決信用證概念證明的試點測試，具體來說，該解決方案會對信用證進行代幣化，從而得以跟蹤聯邦儲備金流向受贈人的補助金流程。Fischer 表示，代幣化有助于確定贈款接受者、贈款金額和關鍵日期，例如授予日期。[2020/1/13]

Pop：使用LIFO邏輯將數據從堆棧中移除

EVM中的堆棧操作

在堆棧式虛擬機中，操作執行如下：

首先移除數據和操作數

相應操作被執行

執行結果被加入堆棧

參考以下圖表：

我們首先移除兩個數字：20和7

將這兩個數字相加，我們得到27

最后，結果被重新加入堆棧

EVM堆棧式系統的優勢

堆棧結構可確保EVM不需要獲取操作數的確切地址。堆棧結構會始終且必然將VM指向下一個操作數。降低大量操作開銷的同時提高了整體效率。

EVM擁有：世界狀態(worldstate)、機器狀態?(machinestate)和虛擬ROM。世界狀態將所有帳戶存儲在網絡中，機器狀態包括程序計數器、可用gas、堆棧和內存等數據。最后，虛擬ROM讀取名為“EVM字節碼”的機器級代碼。這是只有EVM才能理解的獨特語言。

EVM–讀取字節碼?

聲音 | 李小加：北向通有望使用區塊鏈技術 不過現階段難言是否成功:據雅虎財經消息，港交所行政總裁李小加表示，為提升港交所科技技術，港交所早前已投資一家深圳初創技術公司，未來或會再作收購。 李小加續指，國際投資者使用北向通進行交易是使用“T+0交易機制”，而大部份國際市場則是“T+2交易機制”，讓投資者面對很大挑戰。他又透露，北向通有望使用區塊鏈技術，解決兩個機制時差上的分歧，不過現階段難言是否可成功。[2019/4/1]

編程語言分為高級和低級語言。低級語言(如字節碼)能夠輕松被機器讀取，但人類卻難以理解。這也是為什么大多數編程語言都是高級形式的原因。那么，在智能合約中程序是如何運作的呢？

Solidity/Vyper語言的智能合約被編譯為字節碼，使用到的編譯器叫做“solc”

字節碼由網絡讀取并處理

字節碼是Solidity操作碼的二進制形式。從EVM轉向eWASM的過程中，編譯器是非常重要的一個部分，因為EVM無法理解除了字節碼之外的任何語言。

每個操作碼在規范中都被賦予了易于理解的名稱，并由數字代碼表示。例如，數字0X01代表ADD操作碼。

EVM的功能性

EVM是以太坊網絡中的去中心化處理單元。每筆交易、交互和智能合約執行只能通過EVM進行。

負責所有不同的數據結構，包括指令、操作數以及已經處理的數據。

EVM通過指令分配器獲取并執行指令，對操作碼進行解碼。

EVM還會跟蹤多個網絡組件，例如世界狀態、存儲狀態以及區塊信息。

在以太坊網絡中為智能合約創建一個運行時環境。該環境包含需要用以執行具體交易的信息，例如gas價格(最新gas價格)、代碼大小、Caller(交易接收方地址)以及Origin(交易發送方地址)。

EVM的缺點

雖然EVM具備許多優勢，但也存在四個主要問題，導致網絡的整體吞吐量受限：

聲音 | 河北副省長陳剛：加快運用區塊鏈技術 打造高質量發展樣板:8月5日消息，省委常委、副省長，雄安新區黨工委書記、管委會主任陳剛強調：“要加快區塊鏈、大數據等技術研究運用，把制度建設和信息技術相融合，不斷扎緊監管制度的籠子，積極探索廉潔雄安建設的新路徑。”[2018/8/5]

由于EVM需要處理大量各種各樣的操作，其速度便不盡人意。EVM的操作碼規范沒有進行更新，也沒有針對不同的硬件平臺做出優化。

第一點提到由于EVM需要處理大量不同操作，就會容易成為運轉瓶頸。其結果就是嚴重損害整個網絡的效率。

自從發布初始規范以來，EVM并沒有進行太多優化，導致編寫合約所需的工具和語言極大受限。

假如底層工作環境本身存在巨大缺陷，那么引入一系列新穎機制(分片/rollups/Casper)的意義何在？以太坊之所以尋求從EVM轉向使用eWASM，也出于對以上缺陷的衡量。

那么什么是eWASM呢？在此之前，我們需要先理解什么是WebAssembly。

什么是WebAssembly(WASM)？

WebAssembly最近獲得了許多關注。WebAssembly是由WorldWideWebConsortium(W3C,萬維網聯盟)?創造并定義的新代碼類型，能夠在現代瀏覽器中高效執行。

WebAssembly憑什么獨樹一幟？

由于WASM具備基于堆棧的低級二進制格式，且在默認情況下很小，從而可以實現快速加載和執行。瀏覽器下載WASM代碼后，便可以快速將其轉換為任何計算機的程序集。

WebAssembly的優勢

受多個JavaScript引擎和運行時環境的支持，可以在大多數現代瀏覽器中執行。

Go/Rust/C/C++語言可以直接編譯為WASM

能夠快速適應所有機器級架構，具備極高性能

附帶與大多數現代硬件架構兼容的指令集

在大多數平臺上趨近于本地運行速度

以太坊2.0eWASM?

讀到這里大家可能已經發現了，eWASM(EthereumWebAssembly)就是以太坊2.0版的WebAssembly。

根據相關團隊的說法：

eWASM=WASM–?非確定性?(浮點)+?計量?+EEI路徑?(用以與以太坊交互)

eWASM團隊已經給出其具體的設計目標：

構建EVM轉譯器，并且以eWASM合約形式添加計量注入器

發布明確詳細的規范：以太坊接口、eWASM合約語義以及細節

為solc編譯器構建一個eWASM后端

提供C語言和Rust語言的相應指令和庫，以支持智能合約編寫

諸如EOS、Tron以及Cardano等項目已經或者準備采用WASM，實現eWASM之后，以太坊也將成為其中之一。

eWASMvsEVM

EVM的主要設計目標就是要保證正確性，即使可能會因此犧牲一定的效率。以太坊開發者LaneRettig認為EVM是基于理論設計而非實用設計，因此可能無法完美支持現實應用。EVM中的每個節點都必須完整正確地運行EVM，而WASM是為現實應用而生的，能夠翻譯輕松實際的代碼邏輯，因此在效率和速度上更具優勢。

現在有了大概的認識，我將進一步對比eWASM和EVM。

eWASMvsEVM#1:?速度

簡單來說，EVM可以看作是“萬精油”，但沒有達到理想效果。就拿代碼編譯來說吧。

EVM經常無法有效編譯大量代碼。而瀏覽器的本地JS引擎通常需要大量工作來為某些操作的執行匹配最佳路徑，而這對EVM的整體吞吐量來說會產生巨大影響。此外，EVM只能處理256位的字節碼，因此小于256位的字節碼必須轉換為256位格式。

EVM的設計極大限制了以太坊的速度和可擴展性，使其每秒最多只能處理25筆交易。而這對于現實世界和現實需求來說是非常不切實際的。

eWASM可以直接轉換為編譯代碼，從而提高加載速度，并且大幅提升每個區塊能夠處理的交易量。除此之外，有了分片和layer2解決方案的加持，以太坊2.0的速度會顯著提升。

eWASMvsEVM#2:?預編譯

eWASM還能消除以太坊對預編譯的依賴。預編譯是EVM字節碼的特殊位，好處在于能夠節省gas成本，進行高效的密碼運算。大多數情況下，如果不進行預編譯，那么幾乎不可能將創建合約所需的gas控制在上限范圍內。而eWASM的gas效率非常之高，以至于能夠省去大部分甚至全部的預編譯。

然而，預編譯也有不足之處。引入新的預編譯往往需要網絡進行系統范圍的硬分叉。根據歷史經驗，因為可能導致社區分裂，硬分叉多少具有爭議性。

而這些意味著什么？

eWASM能夠幫助開發者又快又省地創建智能合約，并且沒有硬分叉的顧慮。

eWASMvsEVM#3:?靈活性

最后，相較于標準的EVM，eWASM最顯著的優勢就是代碼靈活性。要編寫智能合約，以太坊開發者必須特地學習Solidity語言，而這就成為了開發者的知識瓶頸。

eWASM能夠與多種語言進行交互，并且擁有更為廣泛的開發者工具集。eWASM將支持C/C++/Rust語言。

eWASM將獲得所有主流JavaScript引擎的支持，例如：

Microsoft的Chakra引擎(MicrosoftEdge)

Google的V8engine(Node.js及基于Chromium的瀏覽器)

Mozilla的Spidermonkey引擎(Firefox及Thunderbird)

eWASM還將獲得以下非瀏覽器實現的支持，例如：

ml-proto(OCaml引用解釋器)

wasm-jit-prototype(使用LLVM后端的獨立虛擬機)

wabt(基于堆棧的解釋器)

EWASM還具有以下的開創性優勢，這些優勢是之前的EVM不可能擁有的：

對于以太坊輕客戶端，得到瀏覽器支持會更簡單，因為eWASM是根據W3C標準架構的

eWASM有更多編譯器和更多種類的開發者工具

由于大量的項目已經在使用eWASM了，它已聚集了一個健康、多元的開發者社區

結語：eWASM能否助Eth2.0更上一層樓？

關于eWASM，以太坊社區感到非常興奮。然而，相關討論也總是伴隨著天花亂墜的說法，我們還需要聽到不同的聲音。一位資深以太坊開發者GregColvin就對eWASM智能合約持疑，其主要觀點是：

eWASM無法消除預編譯

eWASM過渡依賴編譯器，可能會導致單點故障

其實絕大多數以太坊開發者都相信eWASM將對協議的整體性能和吞吐量造成巨大影響。

結果究竟會如何呢？讓我們拭目以待吧！

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