【仮想マシンコラム】スマートコントラクト実行エンジンの今と昔

趣链科技 QTech

特邀专栏作者

2021-08-24 15:20 (UTC+8)

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最初に提案されたスマートコントラクト言語として、Solidity はブロックチェーンアプリケーションシナリオに新しい扉を開きました。

AI要約

展開

最初に提案されたスマートコントラクト言語として、Solidity はブロックチェーンアプリケーションシナリオに新しい扉を開きました。

- 起源 -

スマートコントラクトという用語は、学際的な法学者である Nick Szabo によって 1994 年に初めて提案されました。彼のスマートコントラクトの定義は次のとおりです。

「スマートコントラクトとは、デジタル的に定義された一連の約束であり、契約の当事者がそれらの約束を強制できる合意も含まれます。」

つまり、一言で言えば、Nick Szabo はスマートコントラクトを一連の約束であると考えています。いわゆるコミットメントとは、参加者によって合意された相互の権利と義務を指します。したがって、スマートコントラクトの本質と目的は約束そのものです。たとえば、単純な売買イベントでは、売り手は供給することを約束し、買い手は支払うことを約束し、これら 2 つの約束によってスマートコントラクトを形成できます。 Nick Szabo 氏のスマートコントラクトの定義で言及されているキーワード、デジタル形式と契約に注目してください。これら 2 つのキーワードは、スマートコントラクトが従来の意味でのコミットメントとは異なり、形式と機能において決定的な特徴を持っていることを決定します。

「スマートコントラクト」はイーサリアムによって初めてブロックチェーンに導入されました。イーサリアムのホワイトペーパーによると、スマートコントラクトの導入は主に次の問題を解決するために行われます。

スクリプト言語の場合、スクリプトはチューリング完全ではなく（後で紹介します）、楕円曲線署名アルゴリズムなどの複雑な機能を実装するのが困難です。

スクリプトでは、引き出し可能な金額を細かく制御できません。

スクリプトには状態保存機能がないため、より複雑なステートフルコントラクトを実装できません

乱数、タイムスタンプ、以前のブロックのハッシュの取得など、実行中に取得できるデータが十分ではありません。

つまり、スクリプト言語ではよりリッチなアプリケーション操作を満足させることができないため、イーサリアムは独自のスマートコントラクト言語Solidityを設計し、同時にスマートコントラクトを実行するためのスマートコントラクト実行エンジンEVMも誕生しました。

それ以来、ブロックチェーンテクノロジーの応用シナリオは、単一の UTXO ベースのデジタル通貨トランザクションから、チューリングの完全な一般的なコンピューティング分野まで拡張されました。ユーザーは、ビットコインスクリプトでサポートされる単純なロジックに限定されなくなり、任意に複雑なコントラクトロジックを自分で設計できます。

- 概要 -

Ethereum 設計スマートコントラクトには、次の設計機能があります。

▲執行の確実性

決定性とは、プログラムがいつどこで実行されたとしても、何回実行されたとしても、特定の入力に対して同じ出力が得られることを意味します。ブロックチェーンは同じ台帳を維持するため、スマートコントラクト実行の確実性は、同じコントラクトを実行する異なるノードが同じ結果を持たなければならないと理解できます。

イーサリアムのスマートコントラクト言語はシンプルに設計されており、実行の確実性を確保するために、乱数や不確実な（システム）コールなどの機能は実装されていません。これにより、結果の確実性が最下層で保証されます。

▲チューリング完成度

チューリングの完全な言語、より公式な説明では、無限ループを含む「アルゴリズムで計算できるすべての問題を計算できる」言語です。イーサリアムにスマートコントラクトを導入する目的は、チューリングの完全性を達成して、より豊富なアプリケーションフォームをサポートすることです。

チューリング完全性の導入後に解決する必要がある問題の 1 つは、停止問題です。一般に、特定のプログラムが停止するかどうかを知る方法はありません。

Turing の完全性によって引き起こされるダウンタイムの問題を回避するために、イーサリアムは、関連する実行プロセスのコスト計算を実行するための Gas メカニズムを導入しました。さまざまな操作のコストをガス単位で計算し (各操作は特定のガス消費量に対応します。つまり、対応するガス消費量のテーブルがあります)、各実行のガス消費量の上限を設定します。 GasLimit、コントラクト実行の累積操作 GasLimit の上限を超えると、シャットダウンの効果を得るために実行が強制的に停止されます。 Gas メカニズムの導入により、ユーザーがアプリケーションを使用する際の複雑さは、プラットフォームの物理的な制限ではなく、ユーザーが支払う意思のある価格に依存するようになります。

もちろん、Gas メカニズムの導入には他の利点もありますが、ここでは紹介しません。

▲ セキュリティ

イーサリアムの設計前提として、セキュリティはスマートコントラクトが保証する必要があるものでもあります。イーサリアムスマートコントラクトのセキュリティは、主に設計の 2 つの側面に反映されています。

1) 比較的シンプルなスマートコントラクト言語

主流のチューリング完全言語と比較して、Solidity 言語はブロックチェーンシナリオに重点を置いているため、マルチスレッドやシステムコールなどの多くの言語機能を実装する必要がなく、その設計が可能な限りシンプルになっています。ただし、これは、言語の段階的な開発に伴い、その機能が常に増加および改善されているにもかかわらず、初期の段階では使いにくかった理由の 1 つでもあります。

2) スマートコントラクトの実行環境が十分に隔離されている

Ethereum スマートコントラクトは Ethereum Virtual Machine (EVM) で実行されます。EVM での実行はサンドボックス化されているだけでなく、実際には完全に分離されています。つまり、EVM で実行されているコードはネットワーク、ファイルシステム、またはその他のプロセスにアクセスできません。スマートコントラクトであっても、他のスマートコントラクトへのアクセスは制限されています。制御可能なセキュリティは、操作を分離することによって大幅に保証されます。

——詳しい説明——

次に、Solidity コントラクトの実行エンジンである EVM について詳しく見ていきましょう。

文章

EVM は、1 バイトを命令として使用するスタック仮想マシンとして定義されます。スタック仮想マシンの特徴は、操作の実行時にオペランドスタック (オペランドスタック) との対話に依存することです。

Solidity コントラクトのソースコードは、低レベルのスタックベースのバイトコードを使用するようにコンパイルされているため、実際に Ethereum にデプロイして EVM で実行するものは、実際にはバイトコードの文字列になります。コードは一連のバイトで構成され、各バイトが操作を表します。バイトコードが実行されると、バイトコードの演算意味に従って最初のバイトコードからコードの最後に到達するか、エラーが発生するまで（REVERT、STOP、RETURN オペコードの発生など）、順番に実行されます。これらの操作では、データを保存するために 3 種類のスペースにアクセスできます。

スタック: 値をプッシュおよびポップできる LIFO コンテナ。

メモリ: 無限に拡張可能なバイト配列。

ストレージ: コントラクトの長期ストレージ。キーと値のペアとして保存されます。計算後にリセットされるスタックやメモリとは異なり、ストレージは長期間にわたって存在し、この部分はよく言われる「ワールドステート」の一部でもあります。

スマートコントラクトの実行プロセスは、実際にはオペコードで定義された動作に従った3種類のストレージスペースの操作プロセスであるため、以下の例で簡単に示します。