ewasm项目初探

为了改进EVM1.0，以太坊的新一代虚拟机项目ewasm （github.com/ewasm）将支持WebAssembly（wasm），wasm在性能，扩展性，开发工具，社区都更有优势。除以太坊外，一些其他项目EOS，Polkadot， Cardano已经或者计划开发支持wasm的虚拟机。

WebAssembly

什么是WebAssembly

• wasm是可以在stack-based虚拟机上运行的一种二进制指令格式，设计的首要目标是性能，很适合用在区块链项目中。
• WebAssembly二进制代码（wasm格式）可以转换成一种中间表示，一种可读的AST（抽象语法树，wast格式），这种可读的中间表示方便了编写和调试。
• 对扩展性的改进：wasm支持module import/export功能，可以将扩展部分做成module，在项目中导入。

WebAssembly的优势

• 可扩展性好
• 32/64位的操作符
• 支持更多的高级语言（C，Rust，Go等）
• 由W3C领导，Google，Apple，MicroSoft等大公司支持，更广阔的社区
• 主流浏览器支持，已有项目支持在非浏览器环境运行（wabt，wavm等）

EVM2.0对比EVM1.0的优势

• 性能更好
• 可扩展性好
• 开发合约更容易，支持更多语言和工具

ewasm 项目目标和方案

以太坊ewasm项目目标是既要完成对wasm的支持，又要兼容EVM1.0合约。要达到这个目标，ewasm目前的设计方案如下：

VM语义设计

• 执行合约前要能够判断出这个合约是wasm合约还是EVM1.0合约，并可调用对应的EVM解析执行。
• 如果客户端没有支持EVM1.0的EVM，需要将EVM1.0合约通过预编译合约（evm2wasm项目）翻译成wasm合约。
• 部署wasm合约时，要有一个预编译内置合约（合约名称Sentinel Contract）对合约进行检查，要求合约复合EVM2.0的要求，比如不能包括float类型，不能有限定外的操作。

ewasm合约语义设计（Ewasm Contract Interface - ECI）

ECI定义了ewasm合约的结构，通过wasm的module实现，实质上是wasm，可以认为ewasm是wasm的子集 。

• 合约必须符合wasm二进制格式
• 合约import module只能import EEI，不能import以太坊之外的module保证了EVM是一个沙盒程序。
• 提供debug module，但debug模式只能用于开发，在部署的时候需要去掉
• 每个合约必须提供两个export方法，一个是main，供VM执行调用，一个是memory，供EEI调用，保存结果。
• wasm module中的start function需要被disable。

Ethereum Environment Interface (EEI) 定义

EEI定义了wasm程序如何与链进行交互，通过EEI将以太坊API暴露给ewasm，使ewasm可以读写链上信息，意义是wasm指令是low level的，high level功能留给客户端实现。

数据类型

• bytes: 不确定长度的二进制数组
• bytes32: 32字节的数组
• address: 20字节的数组
• u128: 128位的无符号整数
• u256: 256位的无符号整数

API

• useGas 减掉消耗的gas
• getAddress 获得账户的地址
• getBlockHash 获得区块哈希
• call 将参数信息发送给某个地址
• storageStore 保存一个256bit的值

更多API及详细信息参考https://github.com/ewasm/design/blob/master/eth_interface.md 。

以太坊内置合约

一些功能接口可以通过内置合约的方式来完成，每个合约都会有固定地址，可以像调用其他合约一样调用内置合约。

Sentinel合约：执行ewasm检查，看合约是否符合ECI的要求；执行 metering，将结果注入到ewasm合约中。

evm2wasm ： 将EVM1.0合约翻译成wasm合约。

Metering

Metering功能是计算每个指令消耗的gas，在合约执行之前，提前知道这个合约需要多少消耗gas，也就可以预计运行时间。

提前计算gas消耗还可以避免因gas不足导致操作回滚，避免了做无用功。详细可参考 https://github.com/ewasm/design/blob/master/metering.md

ewasm****子项目

根据ewasm项目设计方案，ewasm创建了多个子项目分别实现模块功能，将这些项目组合到一起，共同实现支持wasm合约并且兼容旧合约的目标。

EVM-C

https://github.com/ethereum/evmc

EVM-C的作用是分离客户端和EVM，客户端在执行合约中只负责与链上信息的交互，把对合约的解析和执行任务交给EVM，他们之间的通信接口就是EVM-C。

客户端有多个版本的实现，Go，C++，Rust等。EVM也有多种方式去解析和执行合约，比如Interprter，JIT，AOT，现在又有了执行不同指令格式的合约的需求。所以通过接口将二者分离可以更方便的配置客户端。

 

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EVMC由C++实现，可以直接与aleth结合。EVMC通过bind的方式支持非C++版本的客户端。目前只能支持aleth和geth。

Hera

https://github.com/ewasm/hera

Hera是由C++实现的尊从EVMC接口的ewasm虚拟机。Hera内部包含了wasm VM，目前wasm的VM有多个实现版本，Hera计划支持Bineryen，WABT，WAVM（EOS也使用WAVM），目前可以完全支持Bineryen。

不管是哪个版本的客户端，只要是使用EVMC接口就可以与Hera进行交互。总之只要执行指令过程中有与链上的信息交互就通过接口与客户端通信，其他low level 的 wasm指令由内置的VM执行。

对于EVM1.0的合约，Hera将通过另一个项目evm2wasm提供的方法将EVM1.0合约翻译成ewasm合约。

 

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项目现状

Parity对ewasm合约的支持是最好的，但是它的实现方式是内置在客户端中，并没有使用EVMC和Hera，aleth和geth正在开发中。

目前的测试网络已经上线，但缺少工具支持，没有生成ABI文件的工具，也没有任何hello world教程或文档。

关于上线时间，根据DevCon4上的信息，以太坊会先发布Casper和Sharding，然后发布EVM2.0，至少要一年左右甚至更久。