使用符合 CKB 虛擬機當前系統架構的真實 CPU 指令集來構建自己的虛擬機

張紅新發布于2019-06-27 19:20 / 592人閱讀

摘要：于是我們想為什么不使用符合虛擬機當前系統架構的真實指令集來構建自己的虛擬機這樣一來，我們不會丟失任何添加靜態驗證高級數據結構或是加密算法的可能性，并且無論我們在中提供怎樣的數據結構或算法，都可以最大化的靈活性。

Nervos 底層公鏈 CKB 的虛擬機（CKB-VM）是基于 RISC-V 打造的區塊鏈虛擬機。在前兩期中，我們介紹了 CKB 虛擬機的設計理念，以及基于 RISC-V 指令集打造的選擇邏輯。那么再往前推一步，我們為什么會選擇基于真實 CPU 指令集來構建 CKB-VM 呢？在本篇文章中，CKB-VM 設計者將和我們繼續討論 CKB-VM 的設計靈感、設計以及基于真實 CPU 指令集來構建 CKB-VM 的額外優勢。

秘猿科技區塊鏈小課堂第 24 期

靈感與設計

在設計 CKB-VM 之前，我們發現很多區塊鏈項目并不是用真實的 CPU 指令集來構造自己的虛擬機。我們熟知的以太坊下一代虛擬機 EWASM、EOS 以及 Dfinity 等都選擇了 WASM（WebAssembly，一種編碼格式）來構造自己的虛擬機。我們也完全可以設計出一個具有高級語言特性的 VM，比如可以用于靜態驗證，或是可以直接支持高級數據結構，或是支持各種加密算法的 VM。

但是我們發現，雖然帶有高級語言特性的虛擬機能夠提供更多的便利，比如能夠支持語法各異的編程語言，但同時也會出現其他一些問題：任何復雜的、帶有高級語言功能的 VM，無論多么靈活，都不可避免的會在設計層面引入一些語義約束，出于性能的原因，不同的語言在底層幾乎需要共享相同的語義（帶有高級語言特性的虛擬機需要綁定密碼學原語，若未來現有的原語被攻破，或者需要更換一套密碼學原語時，需要通過分叉來實現）。這樣一來， VM 自身的靈活性就會受到限制，這和 CKB 作為加密經濟底層基礎設施的愿景并不相符。

與此同時，一個帶有高級語言功能的 VM 通常會包含某些高級的數據結構與算法，這樣任何在 VM 中嵌入的高級數據結構與算法都可能只適合于某一類應用的開發，卻不適用于其它應用程序的開發。并且，我們無法預設所有可能的使用方式，這些嵌入 VM 本身的數據結構或算法除了兼容性之外沒有任何作用，隨著時間的推移，甚至會成為負擔。

另外我們還發現，所有的區塊鏈項目都要在馮·諾伊曼 CPU 架構（x86，x86_64，ARM 等架構）下才能運行，并且所有高級的 VM 特性都必須映射到現代體系架構的 CPU 匯編指令。

舉個例子，雖然 V8 引擎（由 Google 開發的開源 JavaScript 引擎，用于 Google Chrome 及 Chromium 中）看上去可以有無限量的內存，但是其內部實現依然需要依靠一個十分復雜的垃圾回收算法，才能在有限的內存空間中模擬出無限的內存空間。

類似的，Haskell （一種標準化的，通用的純函數編程語言）或是 Idris（一個通用的依賴類型純函數式編程語言）可能具有先進的靜態類型檢查模式（在某種程度上）來證明軟件運行的正確性，但在完成類型檢查之后，還是需要通過一個翻譯層把靜態驗證后的代碼轉換成未驗證的原生 x86_64 匯編指令。

這里的關鍵在于無論我們如何設計 VM，都沒有辦法太過偏離當前的體系結構。換句話說，在任何 VM 的最底層，都需要將操作轉變成原始的匯編指令來執行。

于是我們想： 為什么不使用符合 CKB 虛擬機當前系統架構的真實 CPU 指令集來構建自己的虛擬機？

這樣一來，我們不會丟失任何添加靜態驗證、高級數據結構、或是加密算法的可能性，并且無論我們在 VM 中提供怎樣的數據結構或算法，都可以最大化 VM 的靈活性。此外，通過真實的 CPU 指令集，我們可以最大限度的讓開發者寫出任何滿足要求的合約。

額外的優勢

除了靈活性之外，基于真實 CPU 指令集的 VM 還有其它額外的優勢：

穩定性

為硬件設計的 CPU 指令集一旦最終確定并在芯片中使用，就難以修改，所以與通常是軟件實現的 VM 指令集相比，硬件指令集顯得非常穩定。這個屬性與 Layer 1 區塊鏈 VM 的訴求非常契合，因為穩定的指令集意味著較少的硬分叉，且不會犧牲靈活性。

運行期透明性

物理 CPU 在運行時僅需要依靠寄存器和一段內存，在使用堆棧的操作過程中，通常內存中的空間是指定的。這樣一來，我們可以在程序執行期間根據 VM 中的堆棧指針來獲取堆棧空間的使用情況，從而最大限度地提高運行時狀態的可見性。

CKB-VM 可以調整堆棧指針、更改內存中的區域分配，甚至根據需要擴大或縮小堆棧區域大小，從而提高 VM 的靈活性。當前 CPU 指令集還可以提供過去周期的計數，從而允許查詢 VM 的運行開銷狀態。

運行期開銷

具有真實 CPU 指令集的 VM 可以輕松管理運行期的開銷，每個指令執行時所需的 cycle 數（不考慮流水線）是固定的。我們可以根據真實 CPU 指令集的這個特性來設計 CKB-VM 運行時的開銷計算機制，這樣一來，當我們應用新算法時，也可以準確地計算出所需的開銷。

但是，與通過操作碼或本機 VM 指令集實現加密算法的 VM 相比，使用真實 CPU 指令集存在一個關鍵的缺點：性能。

不過，根據研究和測試結果，我們可以通過適當的優化和即時（Just-In-Time，JIT）編譯器實現來優化基于真實 CPU 指令集在 VM 上運行的加密算法，從而滿足 CKB 應用程序的需求。在處理即時性時，我們是基于底層指令集進行處理，而不是基于像 JavaScript 這樣的高級語言上處理，這樣會使得 VM 具備更低的工作負載和更好的性能。

Why Not WASM?

也許有人會問：在區塊鏈社區對 WebAssembly 有著強烈興趣和廣泛關注的情況下， CKB 為什么不直接使用 WebAssembly 呢？

WebAssembly 是一個偉大的項目，并且我們非常希望它最后能夠成功。一個擁有廣泛支持的沙盒環境，對于整個區塊鏈行業，甚至整個軟件業來說都是件夢寐以求的事。從長遠來看，WebAssembly 也有潛力實現 CKB 所需的大部分特性，但是它并不能提供我們在《CKB-VM 誕生記（一） 1》中提到的 RISC-V 能為 CKB-VM 帶來的所有好處，比如，目前 WebAssembly 還全都是 JIT 實現，缺少一個合理的運行期開銷計算模型。

另外，RISC-V 從 2010 年開始設計，在 2011 年發布第一版規范，2012 年出現基于 RISC-V 構建的硬件；而 WebAssembly 出現于 2015 年，2017 年發布 MVP，相對來說，RISC-V 會比 WebAssembly 更加的成熟，所以至少在目前階段，我們覺得使用 WebAssembly 并不是 CKB-VM 最好的選擇。

當然，我們并不是完全放棄使用 WebAssembly，考慮到 WebAssembly 與 RISC-V 同樣是底層 VM 的實現方式，而且很多設計和指令集十分相似，我們完全有可能提供一個從 WebAssembly 到 RISC-V 的二進制轉換器，從而確保 CKB 也可以利用目前區塊鏈上基于 WebAssembly 的創新。另外，CKB 上也能夠支持僅可以編譯為 WebAssembly 的語言（比如 Forest：https://github.com/forest-lan... ）。

社區驅動的 CKB-VM

通過 CKB-VM 的設計，我們的目標是建立一個圍繞 CKB 的社區，該社區可以自由地發展和適應新技術的進步，并且可以最大限度地減少人工干預（例如硬分叉）。我們相信 CKB-VM 可以實現這一愿景。

注： CKB-VM 與 CKB 一樣為開源項目，目前 CKB-VM 仍在開發過程中，盡管 CKB-VM 的大部分設計已經敲定，但某些設計也可能會在將來，因為你的貢獻而有新的變動和推進。這篇文章是為了讓我們的社區更加了解 CKB-VM，這樣人人都可以在里面更好的玩耍并做出貢獻啦！

CKB-VM：https://github.com/nervosnetw...

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