Jinsi FATE VM inavyotatua changamoto za msingi za EVM
TL;DR: Dkt. Erik Stenman alibuni FATE, VM ya Aeternity inayotumia aina za data zilizobana, ili kurekebisha kasoro za kizamani za EVM. Inaachana na mfumo wa flat memory na kuruka hovyo kwenye code, na badala yake inaweka aina halisi za data na ramani moja kwa moja kwenye VM. Code iliyokusanywa ni ndogo mara 10 na inafanya kazi mara 3 haraka kuliko kwenye EVM.
Tafsiri ya mashine kutoka English. Asili ndiyo rejea: Soma asili.
Ukiiangalia Ethereum Virtual Machine (EVM) kama mbunifu wa lugha za programu, na ukizingatia sana usalama wa runtime, utaona mapungufu mengi kwenye muundo wake.
EVM ni stack machine isiyo na aina za data (untyped) yenye kumbukumbu ya aina moja (flat memory). Inafanya kazi kwa kusogeza byte za chini kabisa, ikirukaruka popote kwenye kodi, na kutumia raw 256-bit words. Hiyo ilitosha kuanzisha smart contracts za mwanzo, lakini pia ilituletea bytecode nzito, execution ya polepole, na mabug mengi ya usalama.
Katika uchambuzi wa kina wa kiufundi, Dk. Erik Stenman anaeleza jinsi Fast Aeternity Transaction Engine (FATE) ilivyojengwa. Hii ni virtual machine ya kisasa, yenye aina za data zilizobainishwa vizuri (strongly typed), na ilitengenezwa makusudi ili kurekebisha makosa ya zamani ya EVM.
Stenman na timu yake walifikiria upya jinsi blockchain VM inavyoshughulikia state, kumbukumbu, na uendeshaji wa kodi. Matokeo yake ni VM ambayo kodi iliyoandaliwa (compiled code) ni ndogo mara 10 na inafanya kazi haraka mara 3 kuliko matoleo ya awali ya EVM.
Hivi ndivyo Stenman alivyofanya ili kuboresha "dhana ya Ethereum EVM".
Hakuna tena kumbukumbu ya aina moja (flat memory)
Jambo la kwanza ni kumbukumbu. Sehemu hatari zaidi ya EVM ni kwamba inafanya kazi na pointer za kumbukumbu za kawaida. Smart contracts zinasoma na kuandika byte kwenye sehemu moja ndefu ya kumbukumbu, na hapo ndipo unapopata makosa ya "out-of-bounds", pointer aliasing, au byte kusomwa kama muundo wa data usio sahihi.
Stenman aliondoa kabisa mfumo wa flat memory kwenye VM yake. FATE haina anwani za kumbukumbu. Badala yake, ina variables na nafasi za kuhifadhi (storage slots) ambazo zipo ndani ya eneo la kazi la function fulani. Slot haina kikomo cha ukubwa wa data, na data hiyo inabeba aina yake yenyewe (type tag).
Kama slot inashikilia boolean, VM inahakikisha inasomwa kama boolean tu (true au false), hivyo hakuna tena kubahatisha na namba kama "0 au 1".
Kwa ajili ya state, FATE inatumia aina maalum ya variable yenye majina hasi (negative names), kama -1 au -2. Unapoandika kwenye variable hasi, VM inapanga utaratibu wa kuandika kwenye state tree ya kudumu ya contract hiyo.
Hivyo, waendelezaji hawahitaji tena kushughulikia storage pointer ngumu kwa mkono, kama zile SLOAD na SSTORE kwenye EVM.
Functions na basic blocks badala ya kuruka (jumps)
Jambo la pili ni jinsi programu inavyoendelea (control flow). EVM inategemea program counters (PC) na kuruka sehemu yoyote kwenye kodi. Contract kwenye EVM inaanza kufanya kazi kwenye anwani 0x00, ni kizuizi kimoja kikubwa cha kodi, na inatumia jump tables ili kufika kwenye function sahihi kulingana na function selector ya byte 4.
FATE inafanya functions na type signatures kuwa vitu muhimu kabisa ndani ya VM. Execution haiwezi kuanza kwenye entry point ya 0x00 tena. Anayewaita (caller) anataja function yenyewe na kuingiza arguments zenye aina zake, na VM inacheki arguments hizo dhidi ya strict type signature ya function hiyo kabla ya kitu chochote kuanza kufanya kazi.
Ndani ya function, FATE inatunza kodi kama orodha ya basic blocks na si kitu kingine. Hakuna "code memory" ya kawaida unayoweza kuibadilisha au kurukia. Basic block ni orodha tu ya maelekezo (instructions) yanayotokea moja baada ya jingine.
Mara tu unapohitaji branch, execution inahamia kwenye basic block mpya ambayo imewekwa alama vizuri. Hivyo, mabug ya "invalid jump destination" unayoyajua kutoka kwenye EVM bytecode hayawezi kutokea hata kidogo.
Aina halisi za data ndani ya VM
Jambo la tatu ni aina za data (data types). EVM inajua aina moja tu ya data, ile ya 256-bit word. Ukitaka strings, lists, arrays au namba kubwa sana, compiler inabidi iingize maelfu ya mistari ya assembly ili kujaza byte, kushughulikia pointer, na kuhesabu urefu.
FATE inaweka data types ngumu moja kwa moja ndani ya VM runtime, na hilo linapunguza sana uzito wa bytecode na gharama za execution. FATE ina integers zisizo na ukomo wa ukubwa, hivyo hakuna ukomo wa 256-bit unaoweza kusababisha overflow au kukulazimisha utumie SafeMath library ya gharama.
Inashughulikia tuples, lists, na variant types (kama optional types) kiasili. Na vitu vya blockchain kama anwani, contracts, oracles, na state channels ni aina za kiasili (native) na zilizoboreshwa sana ndani ya FATE.
Unapozitumia, VM inaendesha opcodes za kiasili zinazounganishwa moja kwa moja na mechanics za transaction ya node, hivyo unaepuka gharama zote za ziada za external calls zilizopo kwenye EVM.
Maps nje ya storage ya kawaida
Jambo la nne ni maps. Kwenye EVM, mapping (key-value store) inafanya kazi kwa kuhash key pamoja na sehemu ya storage slot, na hiyo inatoa anwani ya random ya 256-bit.
Hivyo, huwezi ku-iterate kupitia mapping, na kusoma au kuandika ni ghali sana. Stenman alifanya maps kuwa kitu cha kipekee, kinachoshughulikiwa nje ya variable storage ya kawaida. FATE inakuruhusu kuwa na local memory maps, lakini state maps hukaa moja kwa moja na kwa ufanisi ndani ya Aeternity state tree.
Msanidi programu anatumia map kama map ya kawaida, na FATE engine inasubiri na kufanya batch ya usomaji na uandikaji halisi kwenye state tree, na inasoma tu elements zile ulizozitaka.
Benchmark
Kwa hivyo, kwa kuondoa flat memory, kuongeza native high-level types, na kutumia strict basic-block control flow, Stenman aliondoa zile boilerplate nyingi za compiler ambazo EVM smart contracts zimejaa.
Namba kwenye benchmark yake ni kubwa. FATE bytecode ni ndogo mara 9.6 (kama 10% ya ukubwa) kuliko contract ileile iliyokusanywa kwa ajili ya EVM. Na kwa sababu VM inatumia zero cycles kwa padding bytes, memory offsets, au jump routing kubwa, FATE inafanya kazi mara tatu haraka na gas inakuwa nafuu sana kwa mtumiaji.
