CN111179086B - 一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机，该虚拟机包括合约编写与编译模块和合约的部署与执行模块，所述合约编写与编译模块；通过设计一系列的区块链交互接口EI，暴露出了智能合约编写所需的区块链API。利用设计的EI进行智能合约的编写，并将编写好的智能合约利用编译器编译为WebAssembly字节码。所述合约的部署与执行模块分为合约部署和执行两部分。用户申请一个合约账户，利用合约账户地址向自身发起一笔部署合约的交易完成合约的部署。在智能合约的执行过程中，需要先把EI的具体实现注入到编译好的WebAssembly字节码中，再进行进一步的合约执行。本发明可以针对字节码进行优化，以提升合约执行性能，且加强了合约语言的扩展性与虚拟机的灵活性。

Description

一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机

技术领域

本发明涉及区块链领域，尤其涉及执行智能合约的执行环境：一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机。

背景技术

区块链是一种新型去中心化协议，能安全地存储数字货币交易或其他数据，信息不可伪造和篡改，区块链上的交易确认由区块链上的所有节点共同完成，由共识算法保证其一致性，区块链上维护一个公共的账本，公共账本位于存储区块上任何节点可见，从而保证其不可伪造和篡改。

智能合约是由事件驱动的、具有状态的、获得多方承认的、运行在区块链之上的、且能够根据预设条件自动处理资产的程序，智能合约最大的优势是利用程序算法替代人仲裁和执行合同。它是在区块链数据库上运行的计算机程序，可以在满足其源代码中写入的条件时自动执行。智能合约一旦编写好就可以被用户信赖，合约条款不能改变，因此合约是不可更改的。虚拟机是智能合约的运行环境，它不仅是沙盒封装的，而且是完全隔离的。

WebAssembly是一套可移植、体积小、加载快且兼容Web的二进制字节码格式。它专为栈式虚拟机设计，开发者能够将高阶语言如C/C++，Rust编译成WebAssembly，从而可以部署在Web客户端或虚拟机中。WebAssembly字节码即可以编译成机器码后执行，也可以使用解释器直接执行，保证了兼容性和性能，且其作为一种中间代码，任何高级语言只要能编译为WebAssembly字节码均可在虚拟机中执行，扩展性高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机，增强了智能合约的可扩展性与灵活性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机，该虚拟机包括合约编写与编译模块和合约的部署与执行模块两部分：

所述合约编写与编译模块；通过设计一系列的区块链交互接口EI，暴露出了智能合约编写所需的区块链API。所述EI包括：

account模块：用于获取发送者、接受者、合约地址、查询余额以及发起交易等；

action模块：用于进行action执行权限判断、获取action数据、发起action以及返回action执行结果等；

database模块：用于数据持久化的存储。

利用设计的EI进行智能合约的编写，并将编写好的智能合约利用编译器编译为WebAssembly字节码，从而可以在虚拟机部署与执行。

所述合约的部署与执行模块分为合约部署和执行两部分。用户申请一个合约账户，利用合约账户地址向自身发起一笔部署合约的交易完成合约的部署。在智能合约的执行过程中，需要先把EI的具体实现注入到编译好的WebAssembly字节码中，再进行进一步的合约执行。合约执行完成之后可以通过区块链查询合约执行结果。

进一步地，所述的合约编写与编译模块中，EI的设计内容还可包括如下模块：

chain模块：用于获取区块数据。

crypto模块：用于数据加密以及验证加密结果。

print模块：用于合约执行中数据的输出。

system模块：用于断言判断并获取时间以及创世时间等。

transaction模块：用于获得交易哈希值以及签名。

进一步地，所述的合约编写与编译模块中，编译器应当提供对EI接口的支持，即可以在合约中调用EI接口并正常编译。

进一步地，所述的合约编写与编译模块中，合约中包含多个可被用户调用的方法，同时应当导出一个调用函数，其接受参数为方法名，函数内容为根据方法名调用对应的方法。

进一步地，所述的合约的部署与执行模块中，合约部署的过程具体为：

(1)部署者申请合约地址及其私钥，私钥可用于之后合约的升级更新等操作。

(2)部署者发起一笔交易，交易的接受人为自身，即部署者，交易中有一个action，action中method字段指定为交易部署，payload字段为部署的合约代码以及abi信息。

(3)虚拟机从payload中解析出合约的abi信息以及合约代码，并进行验证。

(4)向合约地址写入合约代码以及abi信息，扣除部署者的gas，完成合约部署。

进一步地，所述的合约编写与编译模块中，合约执行的过程具体为：

(1)对于交易中的每个action，根据调用的合约地址获取合约代码与abi信息。

(2)从action中的method字段获取调用的合约方法名，从action中的payload的字段获得调用合约的传入参数，并进行验证。

(3)在合约的WebAssembly字节码中注入统计gas消耗的函数，再将EI具体实现注入WebAssembly字节码中，通过合约中的调用函数，执行具体的方法。

本发明的有益效果在于：设计的区块链交互接口EI方便了智能合约的开发，将EI的具体实现放到了虚拟机后端，从而搭建了虚拟机前后端之间的桥梁，使得智能合约可以通过EI和区块链进行交互。WebAssembly作为一种中间代码，大大增强了智能合约的扩展性，同时WebAssembly字节码既可以编译成机器码后执行，也可以使用解释器直接执行，保证了兼容性和性能。

附图说明

图1是基于WebAssembly的智能合约虚拟机的框架图；

图2是智能合约的部署流程；

图3是调用合约的交易内部结构图；

图4是智能合约的执行流程。

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明提供一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机，该虚拟机包括合约编写与编译模块和合约的部署与执行模块两部分：

所述合约编写与编译模块；通过设计一系列的EI(Enviroment Interface，给虚拟机模块使用的区块链交互接口)，暴露出了智能合约编写所需的区块链API。

EI在合约中只是一个声明，其具体实现位于虚拟机后端。EI构成了智能合约前后端的一个桥梁，使得智能合约可以与区块链进行交互。EI的具体设计如下：

account模块：用于获取发送者、接受者、合约地址，查询余额以及发起交易等。

action模块：用于进行action执行权限判断、获取action数据、发起action以及返回action执行结果等。

chain模块：用于获取区块数据，包括区块哈希以及区块高度等。

crypto模块：用于提供数据加密的相关方法以及验证加密结果的方法，包括sha256、sha512、ripemd160等等。

database模块：用于提供数据持久化存储的方法。其中数据的存储采用了key-value对的形式，支持数据的存储、查询、更新、删除、检索、迭代等交互方式。

print模块：用于提供合约执行中数据的输出方法，包括字符串、整数以及字节十六进制形式输出等。

system模块：用于断言判断并获取时间以及创世时间等。

transaction模块：用于获得交易哈希以及签名。

利用EI可以进行智能合约的编写，并通过能够提供对EI接口的支持(可以在合约中调用EI接口并正常编译)编译器将其编译为WebAssembly字节码，从而可以部署与执行。

所述合约的部署与执行模块分为合约部署和执行两部分，其中，智能合约的部署具体步骤如图2所示，包括：

(1)部署者申请获取合约地址及其对应私钥等。私钥可用于之后合约的升级更新等操作，是合约部署者身份的唯一标识符。合约地址对应的私钥丢失，则没有权限对该地址所对应的合约做任何操作。合约中包含多个可被用户调用的方法，同时应当导出一个调用函数，其接受参数为方法名，函数内容为根据方法名调用对应的方法。

(2)部署者发起一笔交易，交易的接受人为自身，如果交易的sender与receiver不一样，则合约部署失败。交易的具体结构如图3所示，其中有一个action，action中method字段指定为交易部署，表示该action是用于部署合约而不是调用合约。payload字段为要部署的合约代码以及abi信息，abi信息用于表示如何对智能合约进行调用。

(3)虚拟机从payload字节数组中分别解析出合约的abi信息以及合约代码，如果解析失败，则合约部署失败。之后验证读取出的abi信息能否反序列化到一个abi JSON结构中，如果不能，说明abi信息有错，合约部署失败。

(4)向合约地址写入合约代码以及abi信息，扣除部署者的gas，完成合约部署。如果部署者，即这笔交易的发送者gas耗尽，则交易回滚，同样合约部署也会失败。

在智能合约的执行过程中，对于EI中设计的模块，其具体实现位于虚拟机后端，因此在执行中需要先把EI中的具体实现实现注入到WebAssembly字节码中，再进行进一步的合约执行。合约执行的具体操作流程如图4所示，其步骤包括如下：

(1)从指定的合约地址中获取合约代码以及abi信息，如果获取失败，例如该合约地址上并无智能合约部署，则返回错误信息。同时对于获取的abi信息，将其反序列化到一个abi JSON结构体中，方便之后对智能合约的调用，若反序列化失败，则返回错误信息。

(2)获取所调用合约的方法名与传入参数，利用之前解析好的abi信息，将方法名与方法调用参数进行解析，如果解析失败，则说明调用的方法或参数与abi信息不匹配，即与合约不符，返回错误信息。

(3)从合约的WebAssembly字节码中每个关键块注入消耗gas的函数，同时本发明采用wagon解释器对合约WebAssembly字节码进行解析，与其他解释器相比，wagon解释器更加成熟稳定，对于其中每一个EI，在解析好的WebAssembly字节码中将其具体实现链接进去，实现EI的注入。如果注入失败，例如在合约中声明了一个虚拟机后端模块不存在的EI，则返回错误信息。之后对WebAssembly字节码进行有效性验证并获取apply函数即合约条约函数的位置，如果验证失败则返回错误信息。最后通过apply函数去调用合约内具体方法，完成智能合约的执行。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于WebAssembly的智能合约虚拟机，其特征在于，该虚拟机包括合约编写与编译模块和合约的部署与执行模块两部分；

所述合约编写与编译模块；通过设计一系列的区块链交互接口EI，暴露出了智能合约编写所需的区块链API；所述EI包括：

account模块：用于获取发送者、接受者、合约地址、查询余额以及发起交易；

action模块：用于进行action执行权限判断、获取action数据、发起action以及返回action执行结果；

database模块：用于数据持久化的存储；

利用设计的EI进行智能合约的编写，并将编写好的智能合约利用编译器编译为WebAssembly字节码，从而在虚拟机部署与执行；

所述合约的部署与执行模块分为合约部署和执行两部分；用户申请一个合约账户，利用合约账户地址向自身发起一笔部署合约的交易完成合约的部署；在智能合约的执行过程中，需要先把EI的具体实现注入到编译好的WebAssembly字节码中，再进行进一步的合约执行；合约执行完成之后通过区块链查询合约执行结果；

EI的设计内容还包括如下模块：

chain模块：用于获取区块数据；

crypto模块：用于数据加密以及验证加密结果；

print模块：用于合约执行中数据的输出；

system模块：用于断言判断并获取时间以及创世时间；

transaction模块：用于获得交易哈希值以及签名。

2.如权利要求1所述的基于WebAssembly的智能合约虚拟机，其特征在于，所述的合约编写与编译模块中，编译器应当提供对EI接口的支持，即在合约中调用EI接口并正常编译。

3.如权利要求1所述的基于WebAssembly的智能合约虚拟机，其特征在于，所述的合约编写与编译模块中，合约中包含多个可被用户调用的方法，同时应当导出一个调用函数，其接受参数为方法名，函数内容为根据方法名调用对应的方法。

4.如权利要求1所述的基于WebAssembly的智能合约虚拟机，其特征在于，所述的合约的部署与执行模块中，合约部署的过程具体为：

(1)部署者申请合约地址及其私钥，私钥用于之后合约的升级更新操作；

(2)部署者发起一笔交易，交易的接受人为自身，即部署者，交易中有一个action，action中method字段指定为交易部署，payload字段为部署的合约代码以及abi信息；

(3)虚拟机从payload中解析出合约的abi信息以及合约代码，并进行验证；

(4)向合约地址写入合约代码以及abi信息，扣除部署者的gas，完成合约部署。

5.如权利要求3所述的基于WebAssembly的智能合约虚拟机，其特征在于，所述的合约编写与编译模块中，合约执行的过程具体为：

(1)对于交易中的每个action，根据调用的合约地址获取合约代码与abi信息；

(2)从action中的method字段获取调用的合约方法名，从action中的payload的字段获得调用合约的传入参数，并进行验证；

(3)在合约的WebAssembly字节码中注入统计gas消耗的函数，再将EI具体实现注入WebAssembly字节码中，通过合约中的调用函数，执行具体的方法。