摘要：目前，比特幣使用的是來(lái)進(jìn)行交易簽名，并且在共識(shí)協(xié)議中使用了哈希算法。盡管的實(shí)現(xiàn)提供的是最流行的加密算法，但我們鼓勵(lì)社區(qū)提供更優(yōu)化的加密算法實(shí)現(xiàn)以減少運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷(xiāo)。

Nervos 底層公鏈 CKB 的虛擬機(jī)（CKB-VM）是基于 RISC-V 指令集打造的區(qū)塊鏈虛擬機(jī)。在上一堂分享中，我們簡(jiǎn)單介紹了區(qū)塊鏈虛擬機(jī)，以及我們理想中的區(qū)塊鏈虛擬機(jī)的樣子。在本篇文章中，CKB-VM 設(shè)計(jì)者將詳細(xì)的介紹 CKB 虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)理念，以及選擇 RISC-V 指令集背后的思考邏輯。

秘猿科技區(qū)塊鏈小課堂第 23 期

CKB 是 Nervos Network 的基礎(chǔ)層，其目標(biāo)是 為上層應(yīng)用提供足夠的安全性和去中心化 。在調(diào)研 CKB-VM 選型的過(guò)程中，我們反復(fù)思考：CKB-VM 應(yīng)該要有哪些特性？顯然，對(duì)于一個(gè)在區(qū)塊鏈上使用的虛擬機(jī)，有兩個(gè)關(guān)鍵特性在任何情況下都必須滿足：

確定性 ：對(duì)于固定程序和輸入，虛擬機(jī)必須始終返回固定的輸出結(jié)果，結(jié)果不會(huì)由于時(shí)間、運(yùn)行環(huán)境等其他外部條件而改變；

安全性 ：執(zhí)行虛擬機(jī)時(shí)不會(huì)影響到平臺(tái)本身的運(yùn)行。

但是這些條件僅僅是強(qiáng)制性條件，我們希望設(shè)計(jì)出一個(gè)虛擬機(jī)，能夠更好地服務(wù)于 CKB 的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)深思熟慮，我們認(rèn)為這樣的虛擬機(jī)應(yīng)該 滿足如下特性：

靈活性

我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一個(gè)足夠靈活，能夠長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的虛擬機(jī)，從而使得 CKB 能夠與密碼學(xué)的發(fā)展攜手并進(jìn)。密碼學(xué)的歷史是一段「執(zhí)劍」和「破壁」的永恒之戰(zhàn)：數(shù)千年的密碼學(xué)發(fā)展史，加密與解密是一場(chǎng)沒(méi)有終點(diǎn)的智力角逐，過(guò)往如此，未來(lái)亦然。一些適用于今天的加密算法，比如 secp256k1，將來(lái)可能會(huì)被淘汰；未來(lái)還會(huì)有更多有價(jià)值的新算法和技術(shù)（如 Schnorr 或后量子簽名等）不斷涌現(xiàn)。在區(qū)塊鏈的虛擬機(jī)上運(yùn)行的程序，應(yīng)該能夠更自由便捷地使用新的算法，同時(shí)那些已經(jīng)被過(guò)時(shí)的算法應(yīng)該能夠自然地被淘汰。

為了方便理解，我們用比特幣來(lái)舉例。目前，比特幣使用的是 SIGHASH 1 來(lái)進(jìn)行交易簽名，并且在共識(shí)協(xié)議中使用了 SHA-256 哈希算法。那么我們能夠確保幾年后比特幣用的這種 SIGHASH 方式仍然是最好的選擇嗎？或者說(shuō)，伴隨著日益增長(zhǎng)的算力，SHA-256 仍然適合作為穩(wěn)定的哈希算法嗎？而目前我們研究的所有區(qū)塊鏈協(xié)議，若需要升級(jí)加密算法，則則不可避免地需要硬分叉。 在設(shè)計(jì) CKB 時(shí)，我們希望探索如何通過(guò) VM 的設(shè)計(jì)來(lái)降低硬分叉的可能性。

我們?cè)谒伎?，虛擬機(jī)是否可以允許升級(jí)加密算法？或者說(shuō)，是否能夠向 VM 添加新的交易驗(yàn)證邏輯？比如，在仍然使用 secp256k1 的情況下，如果有經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)，或者出現(xiàn)更新算法的需求，我們是否可以在不分叉的前提下實(shí)現(xiàn)更高效的簽名驗(yàn)證算法？又或，如果有人找到了在 CKB 上實(shí)現(xiàn)更好算法的途徑，或者需要引入一個(gè)新的加密算法，那么我們是否能夠確保他/她自由的實(shí)現(xiàn)？

我們希望 CKB-VM 能夠給大家提供更多的實(shí)現(xiàn)空間，最大限度地提供靈活性，并且可以讓用戶無(wú)需等待硬分叉即可使用新的加密算法。

運(yùn)行透明性

在對(duì)當(dāng)前這一代區(qū)塊鏈 VM 進(jìn)行研究后，我們注意到了一個(gè)問(wèn)題，還是以比特幣為例：比特幣的 VM 層提供的僅僅是一個(gè)堆棧，并且執(zhí)行時(shí)堆棧無(wú)法知曉可以存儲(chǔ)在堆棧上的數(shù)據(jù)大小，或堆棧深度，其它所有以堆棧模式實(shí)現(xiàn)的 VM 都有同樣的問(wèn)題，雖然共識(shí)層可以提供堆棧深度的定義或間接提供堆棧深度（基于指令長(zhǎng)度或 gas 限制）。這會(huì)讓 VM 上的程序開(kāi)發(fā)者必須要去猜測(cè)程序運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，這種類(lèi)型的 VM 讓程序無(wú)法充分發(fā)揮 VM 的全部潛能。

基于這個(gè)問(wèn)題，我們認(rèn)為應(yīng)該優(yōu)先定義 VM 操作期間所有資源的限制，包括 gas 限制和堆?？臻g大小，并讓在 VM 上運(yùn)行的程序能夠查詢(xún)資源的使用情況， 這將使得在 VM 上運(yùn)行的程序可以根據(jù)資源可用性來(lái)采用不同的算法 。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，程序可以充分發(fā)揮 VM 的潛能。并且在以下場(chǎng)景中，我們能夠看到 VM 更多的靈活性：

可以根據(jù)用戶在 CKB 上可用的存儲(chǔ)空間（Cell Capacity）為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的智能合約選擇不同的策略。當(dāng) Cell Capacity 充足時(shí)，程序可以直接存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以減少使用的 CPU cycle（CPU 要執(zhí)行一條機(jī)器指令經(jīng)過(guò)的步驟）數(shù)量；當(dāng) Cell Capacity 受限時(shí)，程序可以壓縮數(shù)據(jù)以適應(yīng)較小的 Capacity，使用更多的 CPU cycle。

可以根據(jù)用戶存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（Cell Data）的總量和剩余內(nèi)存的大小為智能合約選擇不同的處理機(jī)制。當(dāng)存在少量 Cell Data 或大量剩余內(nèi)存時(shí)，所有的 Cell Data 都可以被讀取到內(nèi)存中進(jìn)行處理。當(dāng)存在大量 Cell Data 或剩余內(nèi)存很少時(shí)，每個(gè)操作可以?xún)H讀取部分內(nèi)存，類(lèi)似于交換內(nèi)存的操作。

對(duì)于一些常見(jiàn)的合約，比如哈希算法，可以根據(jù)用戶提供的 CPU cycle 數(shù)選擇不同的處理方法。例如，SHA3-256 的安全性已經(jīng)足以滿足大多數(shù)場(chǎng)景的需求，但是，合約可以通過(guò)使用更多的 CPU cycles 來(lái)利用 SHA3-512算法以滿足更高的安全要求。

運(yùn)行期開(kāi)銷(xiāo)

以太坊虛擬機(jī)（EVM）中的 Gas 機(jī)制是一個(gè)非常天才的設(shè)計(jì)，它優(yōu)雅地解決了區(qū)塊鏈應(yīng)用場(chǎng)景下的停機(jī)問(wèn)題（因?yàn)橐蕴皇菆D靈完備的，所以允許循環(huán)語(yǔ)句，但是無(wú)限循環(huán)語(yǔ)句容易導(dǎo)致停機(jī)問(wèn)題，Gas 機(jī)制限定了一個(gè)區(qū)塊的最大計(jì)算量，從而避免了這個(gè)問(wèn)題），并允許程序在完全去中心化的虛擬機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。但是我們發(fā)現(xiàn)，在 EVM 中針對(duì)不同的 Opcode（操作符）設(shè)計(jì)一個(gè)合理的 Gas 計(jì)算方式是一件非常難的事情，EVM 幾乎在每次版本更新時(shí)都要調(diào)整 Gas 計(jì)算機(jī)制（EVM 的抽象層級(jí)相對(duì)較高，一條 EVM 指令可能對(duì)應(yīng)若干條底層硬件指令，在執(zhí)行程序時(shí)，處理的數(shù)據(jù)量和計(jì)算復(fù)雜度都只能通過(guò)估算來(lái)定價(jià)，所以 EVM 需要不斷的調(diào)整 Gas 計(jì)算機(jī)制）。

因此我們?cè)O(shè)想：能不能通過(guò) VM 的設(shè)計(jì)來(lái)確保程序運(yùn)行時(shí)資源消耗的計(jì)算方式更加合理準(zhǔn)確？

我們希望能夠找到一個(gè)提供上述所有功能的 VM 設(shè)計(jì)，但是發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有現(xiàn)成的解決方案可以實(shí)現(xiàn)我們對(duì) CKB 的愿景。于是，我們決定重新設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足上述所有特性的 VM，以更好的實(shí)現(xiàn) CKB 的愿景。

RISC-V 是由加州大學(xué)伯克利分校的教授于 2010 年設(shè)計(jì)的開(kāi)源 RISC 指令集架構(gòu)（ISA）。RISC-V 的目標(biāo)是提供一個(gè)通用的 CPU 指令集架構(gòu)，以支持下一代系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)發(fā)，并在未來(lái)數(shù)十年中不會(huì)產(chǎn)生遺留架構(gòu)問(wèn)題所帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。

RISC-V 可以滿足從低功耗小型微處理器，到高性能數(shù)據(jù)中心（DC）處理器的實(shí)現(xiàn)要求 。與其他 CPU 指令集相比，RISC-V 指令集具有以下優(yōu)點(diǎn)：

透明性

RISC-V 的核心設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)均遵照 BSD 許可協(xié)議（自由軟件中使用最廣泛的許可協(xié)議之一）。任何公司和機(jī)構(gòu)都可以使用 RISC-V 指令集，并可以不受限制地創(chuàng)造新的軟 / 硬件。

精簡(jiǎn)性

RISC-V 的 32 位整數(shù)核心指令集只有 41 條指令，即使支持 64 位整數(shù)，也只有 50 條指令左右。在提供同樣功能的前提下，RISC-V 指令集比起有上千條指令的 x86 指令集，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易也更能避免 Bug （x86 指令集手冊(cè)有 2000 余頁(yè)，并會(huì)不斷的增加，而 RISC-V 指令集手冊(cè)僅 100 余頁(yè)）。

模塊化

RISC-V 采用簡(jiǎn)化的內(nèi)核，使用模塊化機(jī)制以提供更多擴(kuò)展指令集設(shè)置。例如，CKB 可能會(huì)選擇實(shí)現(xiàn) RISC-V 內(nèi)核中定義的 V extension 來(lái)支持向量計(jì)算或?yàn)?256 位整數(shù)計(jì)算添加擴(kuò)展指令集，從而為高性能加密算法提供可能性。

支持的廣泛性

GCC 和 LLVM 等編譯器都支持 RISC-V 指令集，Go 針對(duì) RISC-V 的后端也在開(kāi)發(fā)中。CKB-VM 的實(shí)現(xiàn)使用的是廣泛的 ELF 格式，也就是說(shuō)， 任何可以編譯成 RISC-V 指令集的語(yǔ)言均可以直接用來(lái)為 CKB 開(kāi)發(fā)智能合約。

成熟性

RISC-V 核心指令集已經(jīng)得到了最終的確認(rèn)和固定，未來(lái)所有 RISC-V 的實(shí)現(xiàn)都需要向后兼容。所以當(dāng)更新 VM 指令時(shí)，CKB 不會(huì)因此出現(xiàn)硬分叉。另外，RISC-V 指令集已經(jīng)有了硬件實(shí)現(xiàn)，并在真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景中驗(yàn)證過(guò)，且不會(huì)存在一些存在于其他支持較少的指令集中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

雖然其他指令集可能也具備上述特性中的一部分特性，但根據(jù)我們的評(píng)估，RISC-V 指令集是 唯一一個(gè)具備所有上述特性的指令集 。因此，我們選擇使用 RISC-V 指令集來(lái)實(shí)現(xiàn) CKB-VM，另外，智能合約將使用 ELF 格式以確保更廣泛的語(yǔ)言支持。

此外，我們將為 CKB-VM 添加動(dòng)態(tài)鏈接以確保 Cell Sharing。盡管 CKB 的實(shí)現(xiàn)提供的是最流行的加密算法，但我們鼓勵(lì)社區(qū)提供更優(yōu)化的加密算法實(shí)現(xiàn)以減少運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷(xiāo)（CPU cycles）。