WebAssembly in Blockchain

@Emscripten & WebAssembly night !! #6

Transcript

1. ブロックチェーンにおける
   WebAssembly
   @veryNR
   2018/12/14
   

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2. 自己紹介
   中村龍矢(りゅうや)
   - LayerX Inc.
   - ブロックチェーンの研究開発
   - 東京大学工学部(休学中)
   - 略歴
   - Coubic Inc. (2015/10~)
   - Gunosy Inc. データ分析部 (2017/2~)
   - LayerX Inc. R&D (2018/8~)
   Twitter: @veryNR
   

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3. 研究内容: プログラムの安全性を高める
   https://github.com/LayerXcom/verified-vyper-contracts
   コントラクト言語Vyperコントリビュータ
   - Pythonライクな言語
   - 可読性を重視
   

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4. 研究内容: プログラムの安全性を高める
   https://github.com/LayerXcom/verified-vyper-contracts
   FVyperプロジェクト
   - Vyperのライブラリ集
   - 形式的検証も行う
   

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5. 研究内容: プロトコルの安全性を高める
   LayerXのScrapbox(https://scrapbox.io/layerx)に色々書いてるよ
   - コンセンサスアルゴリズム
   - オフチェーンプロトコル
   - Plasma
   - State channel
   

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6. 研究内容: ゼロ知識証明
   LayerXのScrapbox(https://scrapbox.io/layerx)に色々書いてるよ
   ブロックチェーン界隈でのニーズにより暗号
   学の諸分野が発展
   特に非対話的なゼロ知識証明
   (zk-S[NT]ARKs)
   →色々な計算の検証に使える
   

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7. ブロックチェーンにおけるWebAssembly
   ■ そもそもブロックチェーンとは
   ■ ブロックチェーンにおけるvirtual machine
   ■ WebAssemblyがどのように使われているか
   

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8. ブロックチェーンにおける
   バーチャルマシン
   

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9. ブロックチェーンとは
   ■ 冗長なステートマシン
   – 数千~数万ノードが一定間隔で同じ状態遷移をする
   ■ Bitcoinの「状態」
   – bitcoinを使った過去の取引一覧
   （誰が何BTC持っているか）
   ■ Ethereumの「状態」
   – 誰が何ether持っているか
   – ストレージ
   ● 任意のデータ
   – コード
   ● チューリング完全なプログラム
   ● ether送金やストレージの変更が可能
   http://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_ill
   ustrated.pdf
   

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10. コードとストレージの例
    Cryptokitties
    猫を売買したり繁殖させるゲー
    ム
    

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11. コードとストレージの例
    猫の実体
    分散型アプリと言ってもブロックチェーン上に載せるのは一部のビジネスロジックだけ
    

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12. トランザクションとブロック
    ■ トランザクション: 状態遷移を依頼するチケット
    – 「Bobに5ETH送金」「transfer関数を実行して猫AをCarolに送る」
    – 処理できる状態遷移にはキャパがある
    ● 手数料高いチケットから順に選ばれる
    ■ ブロック: 今回の状態遷移で実行するトランザクションが詰め込まれたもの
    – どのノードがつくったブロックに従うのか？
    ● このルールがコンセンサスアルゴリズム
    http://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_illustrated.pdf
    

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13. スマートコントラクトの実行
    - トランザクションを送ってプログラムをデプロイ
    - ステートの一部に書き込まれる
    - トランザクションを送ってプログラムを実行
    - ステートの一部を書き換える
    http://takenobu-hs.github.io/downloads/ethereum_evm_illustrated.pdf
    

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14. Ethereum Virtual Machine (EVM)
    ■ スタックマシン
    ■ 各クライアントのネイティブ言語で個別に実装
    – go-ethereum (core/vmディレクトリ)
    – Parity (ethcoreディレクトリ)
    – cpp-ethereum (libevm/VM.cpp)
    ■ EVMコードと呼ばれるバイトコードを実行する
    Ethereumのスマートコントラクトの実行環境
    

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15. Ethereum Virtual Machine (EVM)
    interpreter.go
    go-ethereumでの実装（core/vm ディレクトリ）
    memory.go
    stack.go
    

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16. コントラクト開発の流れ
    6060604052600080fd00a
    165627a7a72305820c30
    84ab8aacb65862cf8898f
    2e1d6abfe2600746527b1
    f067748f83724fa6d68002
    9
    - プログラムを書く→コンパイル→デプロイする
    - トランザクションを発行してデプロイします
    Tx
    

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17. 実はEVMが
    WASMに変わろうとしています
    

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18. EVMの課題
    ■ 遅い
    ■ 独自仕様すぎる
    

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19. ©Gunosy Inc.
    EVMの問題点
    その1: ランタイムでのgas計算
    interpreter.go Run() のコードの雰囲気
    while (停止系の命令が来ていない)
    バイトコードから対応する命令を取得
    命令のgasコストを取得
    if gasが不足
    error
    命令を実行
    gas消費
    「0x60」→ PUSH1
    PUSH1: 3gas
    - EVMでは、プログラムの実行に手数料
    (gas)がかかる
    - 命令実行ごとに消費し、使い切ったらリバート
    

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20. ©Gunosy Inc.
    EVMの問題点
    その2: EVM独自の高級な命令
    基本演算/実行停止系（0x0~）
    STOP, ADD, MUL, SUB, etc.
    比較/論理演算系（0x10~）
    LT, GT, AND, OR, etc.
    スタックアイテム系（ 0x60~）
    PUSH1, DUP1, SWAP1, etc.
    環境情報系（0x30~）
    ADDRESS, BALANCE, CALLER, GASPRICE, etc.
    ブロック系（0x40~）
    BLOCKHASH, COINVASE, TIMESTAMP, etc.
    メモリ/ストレージ系（0x50~）
    MSTORE, MLOAD, SSTORE, SLOAD, etc.
    コントラクト系（0xf0~）
    CALL, CREATE, SELFDESTRUCT, etc.
    ハッシュ関数SHA3 (0x20)
    一般的な命令 EVM独自の命令
    

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21. ©Gunosy Inc.
    EVMの問題点
    その3: 256ビットのスタックアイテム
    ■ 256bitのread/write
    – 多くの演算では256bitも必要ない
    ■ EVMを動かす物理CPUの命令とEVMの命令が対応しない
    – CPUは大抵64ビット
    – 実装によって命令ごとの処理の重さが変わる
    → gasコスト当たりの処理の重さも変わる
    ■ EVMの命令セットが複雑に
    stack top
    :
    1024個
    256bits
    Stack
    

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22. EVMは遅い
    ■ ハッシュ関数・楕円曲線関数などはどうしていたのか？
    – “precompiled contracts”
    ● 各クライアントにあらかじめ中身が実装されたコントラクト
    – 追加するにはハードフォークが必要(一種のプロトコル変更のため)
    ■ 一方、早いVMが求められている
    – S[NT]ARKsブーム
    – Sharding, PoS, etc.
    → 新しいVMが求められている
    

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23. eWASM
    Ethereum flavored WebAssembly
    

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24. ©Gunosy Inc.
    eWASMとは
    “Ethereum flavored WebAssembly”: WebAssemblyのサブセット
    ■ eWASM ⊂ WASM
    – WebAssemblyに変更は加えず、Ethereumの仕様に合わせ制約を加えた
    – eWASM自体は言語で、EVMコードに代わるもの
    ■ EVMに代わるのはeWASM VM
    ■ LLVM IRなども代案としてあった
    – 不安定性などが問題
    – JVMなどは論外
    

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25. ©Gunosy Inc.
    eWASMコントラクト
    eWASMで書かれたスマートコントラクト
    Ethereumの仕様に合うように制約を加える
    - 浮動小数点を使わない
    - EEIのモジュールのみをimport
    - 他のモジュールはimportしない
    ※import・exportはWebAssemblyの仕様
    mainとmemoryという二つのシンボルをexport
    - main:
    - VMが実行する関数
    - memory:
    - EEIのモジュールが書き込むメモリスペース
    

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26. ©Gunosy Inc.
    Ethereum Environment Interface (EEI)
    eWASMコントラクトがEthereumにアクセスするためのAPI
    ■ EVMで高級な命令として用意されていたものは当然 WebAssemblyの命令にはない
    ■ WebAssemblyのModuleとして実装し、eWASMコントラクトのコード中で import
    – ex: useGas, getAddress, call, storageStore, create, etc.
    

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27. ©Gunosy Inc.
    eWASM開発状況
    数年後のEthereumの大規模アップデートのためテスト中
    ■ 数年後のEthereumの大規模アップデート(Eth2.0, Serenity)で導入予定
    ■ 現在はeWASMはテストネットで動いている
    ■ 現状はgo-ethereumというGoクライアントでC++製のeWASM VMを利用
    – WASMバックエンドはBinaryenをサポート
    – wabtとWAVMは”limited support”
    

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28. ©Gunosy Inc.
    その他のブロックチェーンでのWASM
    ■ 独自VM系
    – Bitcoin (Bitcoin script)
    – Ethereum (EVM)
    – NEO
    ■ WebAssembly
    – Ethereum (eWASM) (アップデート予定)
    – EOS
    – Ontology
    ■ LLVM
    – Cardano (IELE)
    

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29. おしまい
    Twitter: @veryNR
    

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