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理想中的区块链虚拟机是怎样的

2019年04月29日 11:00 次阅读

区块链的出现使得智能合约得到了更好的实现和发展,而区块链和智能合约之间,还存在着一个重要的角色:虚拟机(Virtual Machine)。

虚拟机的概念在上个世纪六十年代就被提出来,而到九十年代才开始流行。当时的网络跨越了众多不同的操作系统、浏览器,如果开发者想要制作一个应用,就需要去适配所有不同的操作系统。大家知道现在 App 开发就分为安卓和苹果系统,而当时局面更加复杂。恰好 Java 程序语言开始流行,Java 构建的虚拟机能够让程序只需要写一次,依托 Java 虚拟机就能够在多个平台上运行,所以当时提出的口号就是:一处编译、到处运行。

我们知道比特币是没有虚拟机的,因为比特币就是把一段数字(也就是「比特币」)从地址 A 转移到地址 B,而以太坊则提出,区块链上执行的为什么不能是一套代码,能够实现更多复杂多样的东西?这就是我们所说的智能合约平台,所有节点运行一样的合约代码得到完全一样的结果。

在区块链上,虚拟机就是智能合约的运行环境,是一个可以完全对外隔离的完整计算机体系。区块链通过虚拟机来调用和执行智能合约,并要求所有节点都达成一致。而节点用的是不同的系统,有些机器是 64 位的,有些是 32 位的,传统的 Java 虚拟机容忍计算结果有少量的差异,但是在区块链上所有结果必须一样,因此,一个新的、适用于区块链的虚拟机是必不可少的。

理想中的区块链虚拟机是怎样的

理想中的区块链虚拟机

每个区块链项目的虚拟机设计,都会有自身的艺术追求,在追求众多的特性同时做不同层次上的取舍。在做了大量的研究之后,我们认为理想中的区块链虚拟机应该是这样的:

· 运行时有足够的确定性,在调用同样的智能合约输入时,应该返回相同的输出结果,输出结果不依赖于时间、运行环境等外部的条件;

· 运行时有足够的安全性,虚拟机的执行不会对平台本身带来负面影响;

· 对更新足够的灵活,让区块链不用通过硬分叉,就可以实现加密算法的升级或新增(回想一下以太坊硬分叉升级的痛苦);

· 信息足够的透明,可以让虚拟机上运行的智能合约充分发挥虚拟机的潜力;

· 费用机制足够的合理,能够确保虚拟机运行时资源消耗的计算方式更加合理准确;

· 可以支持不同的语言编译,让开发者能够自由地开发,将最新的科技运用其中。

在设计 Nervos CKB 虚拟机之前,我们发现很多区块链项目都不是用真实的 CPU 指令集来构造自己的虚拟机的,他们更多的是选择了 WASM 来构造自己的虚拟机。

而我们更倾向于采用真实的 CPU 指令集来构造自己的虚拟机,因为在任何精巧复杂的虚拟机的最底层,都需要将操作转变为原始的汇编指令来执行对 CPU 的操作。另外,采用真实 CPU 指令集就不会在设计层面引入一些语义约束,束缚虚拟机的灵活性。

做一个不恰当的比喻,操作 CPU 需要有一套语言体系,使用真实的 CPU 指令集就如同能直接用这套语言体系和 CPU「说话」,那就非常方便。否则,就好像先说中文,再转换为英文,不论多完美的翻译水平,都会有一定的偏差和束缚。

通过真实的 CPU 指令集,虚拟机可以根据需要增加任意类型的数据结构或算法,可以最大限度的让开发者写出任何满足要求的合约。于是我们决定大胆的尝试使用真实的 CPU 指令集来构造自己的虚拟机 CKB-VM。

在 CPU 指令集的选择中,我们选择了精简的开源指令集 RISC-V。RISC-V 可以满足从低功耗小型微处理器,到高性能数据中心(DC)处理器的实现要求,并且有着透明性、精简性、模块化、支持的广泛性和成熟性的特点。这些特性都和 CKB-VM 的设计需求完美契合。那么 RISC-V 又是什么呢?

RISC-V

RISC-V 是一个清晰、简约、开源的 CPU 指令集架构,诞生于美国加州大学伯克利分校。

2010 年,由于其他商业闭源指令集的局限性,该校的一个研究团队在启动一个新项目时,从零开始设计了一套全新的开源指令集。这套全新的指令集有着大量的寄存器和透明的指令执行速度,能够帮助编译器和汇编语言程序员将实际的重要问题转换为适当、高效的代码,并且只包含了不到 50 条指令。这套指令集就是 RISC-V。

架构师们在设计 RISC-V 时,就是希望 RISC-V 在所有的计算设备上都能够有效工作。自 2010 年被发明以来,RISC-V 简洁的设计赢得了业界和学界的广泛支持,并且获得了社区的喜爱。

RISC-V 基金会

RISC-V 指令集的发展主要由 RISC-V 基金会以及社区推动。RISC-V 基金会创立于 2015 年,是一家非营利组织,也是首个开放、协作的软硬件创新者社区。

RISC-V 基金会目前已经有超过 235 家成员,包括谷歌、高通、苹果、IBM、特斯拉华为等企业。成员可以参与制定并使用 RISC-V 指令集规范,并且参与相关软、硬件生态系统的发展。

由于精简、开源的设计,RISC-V 在一些学术机构中大受欢迎,如加州大学伯克利分校、麻省理工学院、普林斯顿大学、中科院计算所等。除此之外,一些政府机构,如印度政府、上海市经济信息委等,也大力支持基于 RISC-V 的项目开发。

现有的指令集

RISC-V 是一个非常年轻的指令集,那么在此之前,主要的指令集都有哪些呢?

在 PC 时代,x86 是不可动摇的霸主,x86 是 CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集),和 RISC(Reduced InstrucTIon Set Computer,精简指令集)不同,CISC 指令集会随着发展不断增多。这样会使得成本不断上升,性能和功耗也会受到影响。而且,CISC 指令集长度、执行时间都不固定,很难找出一条高效率的通用设计道路来完成指令的执行。

智能手机普及之后,ARM 成了移动端的宠儿。ARM 是精简指令集(RISC)有着低功耗和低成本的特性,但是,因为要保持向后兼容性,ARM 需要保留许多过时的定义,导致指令集冗余严重,这使得 ARM 架构文档的复杂度越来越高。

在 x86 和 ARM 垄断的当下,RISC-V 为市场带来了新的生机:

· 精简

经过几十年的发展,x86 与 ARM 的架构文档已经长达数千页,几乎需要花掉一个工程师近一个月的阅读时间,而阅读 RISC-V 文档只需要花费 1-2 天的时间。

这是因为 RISC-V 只将那些最常使用的指令集挑选出来,然后为其进行专门优化,至于不常用的指令,则可以用几个基础指令组合的方式完成,这样就可以大大提高效率。

举个例子,如果我们用的是 x86,那么就必须买下一整个超市,才能享受自身需的物品;而 RISC-V 是一家可以单买的超市,顾客们只需要挑选自己所需的物品,并为此付费即可。

· 开源

ARM 和 x86 都是闭源项目,且授权条款极其苛刻:英特尔不允许除 AMDVIA 之外的任何一家公司使用 x86 指令集;想要获得 ARM 指令集的授权可能需要花费上千万美元的授权费,并且会受到而且授权到期后,需要重新谈判授权事宜。

RISC-V 是一个真正意义上的开源项目,被称为硬件领域的 Linux。事实上,发明 RISC-V 的 David Patterson 教授、Krste Asanovic 教授、Andrew Waterman 和 Yunsup Lee 的初衷就是希望 「InstrucTIon Sets Want to be Free」,全世界任何公司、大学、研究机构与个人都可以开发兼容 RISC-V 指令集的处理器,都可以融入到基于 RISC-V 构建的软硬件生态系统。

RISC-V 使用的是 BSD License 开源协议,BSD 开源协议允许使用者修改和重新发布开源代码,也允许基于开源代码开发商业软件发布和销售。

当区块链遇见 RISC-V

RISC-V 在很多科技领域都得到了运用,目前,也开始在区块链领域逐渐的得以发展。作为仅在 CPU 上验证过的指令集架构,将 RISC-V 应用在区块链领域的确是一个大胆的尝试,因为它在区块链项目上打造的是虚拟机,而非处理器硬件。

我们不确定这样的尝试能否成功,但是我们有理由相信,基于开源的 RISC-V 打造的虚拟机,可以很好的缩短硬件和软件行业的距离,并且带来更丰富的开发生态。

关于 Nervos

Nervos Network 由 Nervos 基金会推动,通过分层设计,兼顾性能、安全以及去中心化的特性,满足多样化的商业场景需求,为未来加密经济提供基础设施。

关于 CKB

Nervos Common Knowledge Base(CKB)是一个无需许可链,它是 Nervos Network 的基础层,并在设计上提出了一些理念:

· CKB 共识协议 NC-MAX 使用两阶段提交节约带宽,并根据网络情况调整自身参数,提升了 Nakamoto Consensus 的可扩展性

· CKB 虚拟机采用底层 CPU 指令集架构 RISC-V 开发,提供更高的开发弹性与运行的稳定性

· CKB Cell Model 是比特币 UTXO 模型的通用化,能够验证和存储任何类型的数据

· CKB 经济模型用货币政策限制状态存储的增长,并实现智能合约平台的价值存储功能

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发表于 2019-03-20 07:45 198次阅读
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