Máy ảo Klaytn (Các tài liệu trước)

Tổng quan

Phiên bản hiện tại của Máy ảo Klaytn (KLVM) có nguồn gốc từ Máy ảo Ethereum (EVM). Nội dung của chương này chủ yếu dựa theo Ethereum Yellow Paper. KLVM liên tục được cải thiện bởi đội ngũ Klaytn, vì thế, tài liệu này có thể được cập nhật thường xuyên. Vui lòng không coi tài liệu này là phiên bản cuối cùng về thông số kỹ thuật của KLVM. Như đã được mô tả trong tuyên bố lập trường, đội ngũ Klaytn cũng có dự định áp dụng các máy ảo khác hoặc môi trường thực thi khác nhằm củng cố khả năng và hiệu suất của nền tảng Klaytn. Chương này đề cập đến thông số kỹ thuật của KLVM và sự khác biệt giữa KLVM và EVM.

KLVM là một cỗ máy trạng thái ảo, chính thức chỉ định mô hình thực thi của Klaytn. Mô hình thực thi này chỉ định cách thay đổi trạng thái hệ thống dựa trên một loạt chỉ thị bytecode và một tuple dữ liệu môi trường nhỏ. KLVM là một cỗ máy gần giống với Turing Complete, tính chất gần giống này bắt nguồn từ một thực tế là việc tính toán chịu sự ràng buộc nội tại qua một tham số, gas, tham số này hạn chế tổng lượng tính toán được thực hiện.

KLVM thực thi mã máy ảo Klaytn (hoặc bytecode Klaytn), trong đó có chứa một chuỗi các hướng dẫn KLVM. Mã KLVM là ngôn ngữ lập trình được dùng cho các tài khoản trên chuỗi khối Klaytn có chứa mã. Mã KLVM liên kết với một tài khoản được thực thi mỗi lần có một tin nhắn được gửi đến tài khoản đó; mã này có khả năng đọc/viết dữ liệu từ/vào lưu trữ và gửi tin nhắn.

Thông số kỹ thuật của KLVM

Các quy tắc

Trong tài liệu này, chúng tôi sử dụng các ký hiệu và quy tắc sau.

• A := B

  • := được dùng để xác định A là B.

• Chúng tôi sử dụng thuật ngữ "hợp đồng thông minh" và "hợp đồng" thay thế lẫn nhau.

Ký hiệu

Bảng dưới đây tóm tắt các ký hiệu được dùng trong thông số kỹ thuật của KLVM.

Các ký hiệu liên quan đến chuỗi khối

Ký hiệu	Mô tả
BC	Chuỗi khối
B	Khối
B_header	Tiêu đề khối của khối hiện tại

Các ký hiệu liên quan đến trạng thái

Ký hiệu	Mô tả
S	Trạng thái
S_system	Trạng thái của hệ thống
S_machine	Trạng thái của máy
P_modify_state	Quyền được phép thực hiện thay đổi trạng thái

Các ký hiệu liên quan đến giao dịch

Ký hiệu	Mô tả
T	Giao dịch
T_code	Một mảng byte chứa mã máy cần thực thi
T_data	Một mảng byte chứa dữ liệu đầu vào để thực thi; nếu tác nhân thực thi là một giao dịch, dữ liệu này sẽ là dữ liệu giao dịch.
T_value	Một giá trị tình bằng peb được đưa vào tài khoản như một phần của quy trình thực thi; nếu tác nhân thực thi là một giao dịch, giá trị này sẽ là giá trị giao dịch.
T_depth	Độ sâu của ngăn xếp dữ liệu tin nhắn-cuộc gọi hoặc tạo hợp đồng (nghĩa là số lượng CALL hoặc CREATE đang được thực thi ở thời điểm hiện tại)

Các ký hiệu liên quan đến gas

Ký hiệu	Mô tả
G	Gas
G_rem	Lượng gas còn lại để tính toán
G_price	Giá gas trong giao dịch phát sinh từ việc thực thi

Các ký hiệu liên quan đến địa chỉ

Ký hiệu	Mô tả
A	Địa chỉ
A_code_owner	Địa chỉ của tài khoản sở hữu mã thực thi
A_tx_sender	Địa chỉ người gửi của giao dịch phát sinh từ việc thực thi hiện tại
A_code_executor	địa chỉ của tài khoản bắt đầu việc thực thi mã; nếu tác nhân thực thi là một giao dịch, địa chỉ này sẽ là của người gửi giao dịch.

Hàm

Ký hiệu	Mô tả
F_apply	Một hàm áp dụng một giao dịch kèm dữ liệu đầu vào cho một trạng thái cho trước và trả về trạng thái tổng hợp kèm dữ liệu đầu ra

Cơ bản

KLVM là một kiến trúc dựa trên ngăn xếp dữ liệu đơn giản. Kích thước từ của máy (cũng là kích thước của các mục trong ngăn xếp dữ liệu) là 256 bit. Con số này được chọn để tạo điều kiện thuận lợi cho hệ thống hàm băm Keccak-256 và các tính toán đường cong elip. Mô hình bộ nhớ là một mảng byte chứa từ có gắn địa chỉ đơn giản. Ngăn xếp dữ liệu có kích thước tối đa là 1024. Máy cũng có một mô hình lưu trữ độc lập; về khái niệm thì nó cũng giống như bộ nhớ, nhưng thay vì một mảng byte, nó là một mảng từ với khả năng xác định địa chỉ từ. Khác với bộ nhớ mang tính biến động, lưu trữ không biến động và được duy trì như một phần của trạng thái hệ thống. Tất cả các vị trí trong lưu trữ và bộ nhớ đều được xác định bằng 0 ngay từ đầu.

Máy không tuân theo kiến trúc von Neumann tiêu chuẩn. Thay vì lưu trữ mã chương trình trong một bộ nhớ hoặc lưu trữ dễ truy cập, mã được lữu trữ riêng trong một bộ nhớ ảo chỉ đọc và chỉ có thể được tương tác qua các chỉ thị chuyên biệt.

Máy có thể thực thi mã ngoại lệ vì một số lí do, bao gồm hiện tượng tràn dưới ngăn xếp và chỉ thị không hợp lệ. Tương tự như trường hợp ngoại lệ hết gas, những ngoại lệ này không giữ nguyên các thay đổi về trạng thái. Thay vào đó, máy ảo sẽ tạm dừng ngay lập tức và báo cáo vấn đề cho tác nhân thực thi (trình xử lý giao dịch hoặc theo cách đệ quy, môi trường thực thi phát sinh), việc này sẽ được xử lý riêng biệt.

Tổng quan về phí

Phí (được ghi bằng gas) được tính trong ba trường hợp riêng biệt, cả ba trường hợp đều là điều kiện tiên quyết để thực thi hoạt động. Trường hợp đầu tiên và phổ biến nhất là phí nội tại để tính toán hoạt động. Trường hợp thứ hai, gas có thể được trừ để hình thành một khoản thanh toán cho một cuộc gọi tin nhắn phụ thuộc hoặc tạo hợp đồng; đây là một phần trong khoản thanh toán dành cho CREATE, CALL và CALLCODE. Cuối cùng, gas có thể được tính do có sự tăng lên trong việc sử dụng bộ nhớ.

Trong quá trình thực thi tài khoản, tổng phí phải trả cho việc sử dụng bộ nhớ phải trả tỷ lệ thuận với bội số nhỏ nhất của 32 byte cần có để bao gồm tất cả các chỉ báo bộ nhớ (dù là để đọc hay để ghi) trong phạm vi. Phí này được thanh toán dựa trên cơ sở kịp thời; do đó, việc tham chiếu một vùng bộ nhớ có kích thước lớn hơn ít nhất 32 byte so với bất kỳ bộ nhớ nào khác được lập chỉ mục trước đó sẽ dẫn đến phí sử dụng bộ nhớ bổ sung. Do phí này, các địa chỉ ít có khả năng vượt quá giới hạn 32 bit. Như vậy nghĩa là việc triển khai phải có khả năng kiểm soát được tình huống này.

Phí lưu trữ có cách vận hành hơi khác biệt. Để khuyến khích việc giảm thiểu sử dụng bộ nhớ (tương ứng trực tiếp với một cơ sở dữ liệu trạng thái lớn hơn trên tất cả các nút), phí thực thi cho một hoạt động xóa mục nhập khỏi lưu trữ sẽ được miễn phí và đủ điều kiện để nhận hoàn phí; trên thực tế, khoản hoàn phí này được thanh toán trước vì chi phí sử dụng ban đầu của một vị trí lưu trữ lại cao hơn đáng kể so với việc sử dụng thông thường.

Biểu phí

Biểu phí G là một tuple gồm 37 giá trị vô hướng, tương ứng với chi phí tương đối tính bằng gas của một số hoạt động trừu tượng mà một giao dịch có thể làm phát sinh. Để xem các bảng khác như Precompiled contracts và tài khoảns, vui lòng tham khảo tài liệu này

LƯU Ý: Tài liệu này chứa biểu phí được sử dụng trước khi kích hoạt nâng cấp giao thức. Nếu bạn muốn nhận tài liệu mới nhất, vui lòng tham khảo tài liệu mới nhất.

Tên	Giá trị	Mô tả
G_zero	0	Không cần thanh toán cho các hoạt động của bộ W_zero
G_base	2	Lượng gas thanh toán cho các hoạt động của bộ W_base
G_verylow	3	Lượng gas thanh toán cho các hoạt động của bộ W_verylow
G_low	5	Lượng gas thanh toán cho các hoạt động của bộ W_low
G_mid	8	Lượng gas thanh toán cho các hoạt động của bộ W_mid
G_high	10	Lượng gas thanh toán cho các hoạt động của bộ W_high
G_blockhash	20	Khoản thanh toán cho một hoạt động BLOCKHASH
G_extcode	700	Lượng gas thanh toán cho các hoạt động của bộ W_extcode
G_balance	400	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động BALANCE
G_sload	200	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động SLOAD
G_jumpdest	1	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động JUMPDEST
G_sset	20000	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động SSTORE khi giá trị lưu trữ được đặt từ số khác 0 sang số 0
G_sreset	5000	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động SSTORE khi giá trị lưu trữ giữ nguyên không đổi ở mức 0 hoặc được đặt thành 0
R_sclear	15000	Khoản hoàn tiền đã được thực hiện (được thêm vào bộ đếm hoàn tiền) khi giá trị lưu trữ được đặt từ số khác 0 sang số 0
R_selfdestruct	24000	Khoản hoàn tiền đã thực hiện (được thêm vào bộ đếm hoàn tiền) cho việc tự hủy một tài khoản
G_selfdestruct	5000	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động SELFDESTRUCT
G_create	32000	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động CREATE
G_codedeposit	200	Lượng gas thanh toán cho mỗi byte cho một hoạt động CREATE thành công trong việc đặt mã vào trạng thái
G_call	700	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động CALL
G_callvalue	9000	Lượng gas thanh toán một giao dịch chuyển giá trị khác 0 như một phần của hoạt động CALL
G_callstipend	2300	Khoản trợ cấp cho hợp đồng được gọi ra, được trừ khỏi G_callvalue đối với giao dịch chuyển giá trị khác 0
G_newtài khoản	25000	Lượng gas thanh toán cho một hoạt động CALL hoặc SELFDESTRUCT tạo ra một tài khoản
G_exp	10	Khoản thanh toán một phần cho một hoạt động EXP
G_expbyte	50	Khoản thanh toán một phần khi nhân với ceil(log_256(exponent)) cho một hoạt động EXP
G_memory	3	Lượng gas thanh toán cho mỗi một từ bổ sung khi mở rộng bộ nhớ
G_txcreate	32000	Lượng gas được trả bởi tất cả các giao dịch tạo hợp đồng
G_txdatazero	4	Lượng gas thanh toán cho mỗi byte 0 của dữ liệu hoặc mã cho một giao dịch
G_txdatanonzero	68	Lượng gas thanh toán cho mỗi byte khác 0 của dữ liệu hoặc mã cho một giao dịch
G_transaction	21000	Lượng gas thanh toán cho mỗi giao dịch
G_log	375	Khoản thanh toán một phần cho một hoạt động LOG
G_logdata	8	Lượng gas thanh toán cho mỗi byte trong dữ liệu của một hoạt động LOG
G_logtopic	375	Lượng gas thanh toán cho mỗi chủ đề của một hoạt động LOG
G_sha3	30	Lượng gas thanh toán cho từng hoạt động SHA3
G_sha3word	6	Lượng gas thanh toán cho từng từ (được làm tròn) cho dữ liệu nhập vào một hoạt động SHA3
G_copy	3	Thanh toán một phần cho các hoạt động COPY, nhân lên theo số từ được sao chép, được làm tròn
G_extcodehash	400	Được trả cho việc nhận hàm băm keccak256 của mã hợp đồng
G_create2	32000	Được trả cho mã vận hành CREATE2, hoạt động giống hệt như CREATE nhưng dùng những đối số khác

Chúng tôi xác định những tập hợp con gồm những chỉ thị sau:

For example, gas cost can be calculated simply like below, but some gas cost calculation functions are very complex. So I would not explain the exact gas cost calculation function here.

Chi phí gas

Hàm chi phí gas chung, C, được xác định như sau:

Address	Precompiled contracts	Item	Value
0x01	ecrecover	EcrecoverGas	3000
0x02	sha256hash	Sha256BaseGas, Sha256PerWordGas	60, 12
0x03	ripemd160hash	Ripemd160BaseGas, Ripemd160PerWordGas	600, 120
0x04	dataCopy	IdentityBaseGas, IdentityPerWordGas	15, 3
0x05	bigModExp	ModExpQuadCoeffDiv	20
0x06	bn256Add	Bn256AddGas	150
0x07	bn256ScalarMul	Bn256ScalarMulGas	6000
0x08	bn256Pairing	Bn256PairingBaseGas, Bn256PairingPerPointGas	45000, 34000
0x09	vmLog	VMLogBaseGas, VMLogPerByteGas	100, 20
0x10	feePayer	FeePayerGas	300
0x11	validateSender	ValidateSenderGas	5000

Gas calculation during contract execution

The gas cost of one transaction is calculated through the methods described below. First, gas is added according to the transaction type and input. Then, if the contract is executed, opcodes are executed one by one until the execution ends or STOP operation appears. In the process, the cost is charged according to the constantGas defined for each opcode and the additionally defined gas calculation method.

Below is a brief explanation of the gas calculation logic during contract execution using the fee schedule variables defined above. As it assumes a general situation, unusual situations such as revert appears is not considered.

• add constantGas defined in each opcode to gas

  • e.g. if an opcode is MUL, add G_low to gas

  • e.g. if an opcode is CREATE2, add G_create to gas

• add the gas which is calculated through additionally defined gas calculation method

  • For LOG'N', where N is [0,1,2,3,4], add G_log + memoryGasCost * g_logdata + N x G_logtopic to gas

  • For EXP, add G_exp + byteSize(stack.back(1)) x G_expbyte to gas

  • For CALLDATACOPY or CODECOPY or RETURNDATACOPY, add wordSize(stack.back(2)) x G_copy to gas

  • For EXTCODECOPY, add wordSize(stack.back(3)) x G_copy to gas

  • For SHA3, add G_sha3 + wordSize(stack.back(1)) x G_sha3word to gas

  • For RETURN, REVERT, MLoad, MStore8, MStore, add memoryGasCost to gas

  • For CREATE, add memoryGasCost + size(contract.code) x G_codedeposit

  • For CREATE2, add memoryGasCost + size(data) x G_sha3word + size(contract.code) x G_codedeposit to gas

  • For SSTORE,

    • From a zero-value address to a non-zero value (NEW VALUE), add G_sset to gas

    • From a non-zero value address to a zero-value address (DELETE), add G_sreset to gas and add R_sclear to refund

    • From a non-zero to a non-zero (CHANGE), add G_sreset to gas

  • For CALL, CALLCODE, DELEGATECALL, STATICCALL,

    • if it is CALL and CALLCODE and if it transfers value, add G_callvalue to gas

    • if it is CALL and if it transfers value and if it is a new account, add G_newaccount to gas

    • if the callee contract is precompiled contracts, calculate precompiled contract gas cost and add it to gas

    • add memoryGasCost + availableGas - availableGas/64, where availableGas = contract.Gas - gas to gas

  • For SELFDESTRUCT,

    • if it transfers value and if is a new account, add G_newaccount to gas

    • if the contract has not suicided yet, add R_selfdestruct to refund

Môi trường thực thi

• G_extcode + G_copy x ceil(S_machine,sp[3] / 32),

  if w == EXTCODECOPY

• G_log + G_logdata x S_machine,sp[1],

  if w == LOG0

• G_log + G_logdata x S_machine,sp[1] + G_logtopic,

  if w == LOG1

• G_log + G_logdata x S_machine,sp[1] + 2 x G_logtopic,

  if w == LOG2

• G_log + G_logdata x S_machine,sp[1] + 3 x G_logtopic,

  if w == LOG3

• G_log + G_logdata x S_machine,sp[1] + 4 x G_logtopic,

  if w == LOG4

• C_CALL(S_system, S_machine),

  if w == CALL || CALLCODE || DELEGATECALL

• C_SELFDESTRUCT(S_system, S_machine),

  if w == SELFDESTRUCT

• G_create, if w == CREATE

• G_sha3 + G_sha3word x ceil(s[1] / 32),

  if w == SHA3

• G_jumpdest, if w == JUMPDEST

• G_sload, if w == SLOAD

• G_zero, if w in W_zero

• G_base, if w in W_base

• G_verylow, if w in W_verylow

• G_low, if w in W_low

• G_mid, if w in W_mid

• G__high</sub>, if w in W_high

• G_extcode, if w in W_extcode

• G_balance, if w == BALANCE

• G_blockhash, if w == BLOCKHASH

• where w is

  • T_code[S_machine,pc],

    if S_machine,pc < length(T_code)

  • STOP, otherwise

• where C_mem(a) := G_memory x a + floor(a^2 / 512)

với C_CALL, C_SELFDESTRUCT và C_SSTORE sẽ được mô tả trong tương lai.

Môi trường thực thi

Môi trường thực thi có chứa trạng thái hệ thống S_system, lượng gas còn lại để tính toán G_rem và thông tin I mà tác nhân thực thi cung cấp. I là một tuple được định nghĩa như dưới đây:

I := (B_header, T_code, T_depth, T_value, T_data, A_tx_sender, A_code_executor, A_code_owner, G_price, P_modify_state)

Mô hình thực thi xác định hàm F_apply, hàm này có thể tính toán trạng thái tổng hợp S_system, lượng gas còn lại G_rem, trạng thái con tích lũy A và dữ liệu đầu ra tổng hợp O_result khi đưa ra các định nghĩa này. Với bối cảnh hiện tại, chúng tôi sẽ định nghĩa như sau:

(S_system', G_rem', A, O_result) = F_apply(S_system, G_rem, I)

trong đó, chúng ta phải nhớ rằng A, trạng thái con tích lũy, được định nghĩa như một tuple gồm các tập loại bỏ Set_suicide, chuỗi bản ghi L, các tài khoản chịu ảnh hưởng Set_touched_tài khoảns và khoản hoàn tiền G_refund:

A := (Set_suicide, L, Set_touched_tài khoảns, G_refund)

Tổng quan về thực thi

Trong hầu hết những lần triển khai thực tế, F_apply sẽ đóng vai trò tiến trình lặp mẫu của cặp trạng thái hệ thống đầy đủ S_system và trạng thái máy S_machine. Chúng tôi chính thức định nghĩa theo cách đệ quy bằng hàm X, hàm này sử dụng hàm lặp O (xác định kết quả của một chu kỳ duy nhất của máy trạng thái) cùng với các hàm Z, hàm này xác định xem trạng thái hiện tại có phải là trạng máy tạm dừng ngoại lệ hay không và H chỉ định dữ liệu đầu ra của một chỉ thị nếu và chỉ nếu trạng thái hiện tại là trạng thái máy tạm dừng bình thường.

Dãy rỗng, được ký hiệu là (), không tương đương với tập hợp rỗng, được ký hiệu là Set_empty; điều này rất quan trọng khi diễn giải dữ liệu đầu ra của H, dữ liệu đầu ra này sẽ ước lượng thành Set_empty khi quá trình thực thi tiếp tục, nhưng nó sẽ trở thành chuỗi (có khả năng rỗng) khi quá trình thực thi tạm dừng.

F_apply(S_machine, G_rem, I, T) := (S_system', S_machine,g', A, o)

• (S_system', S_machine,g', A, ..., o) := X((S_system, S_machine, A^0, I))

• S_machine,g := G_rem

• S_machine,pc := 0

• S_machine,memory := (0, 0, ...)

• S_machine,i := 0

• S_machine,stack := ()

• S_machine,o := ()

• X((S_system, S_machine, A, I)) :=

  • (Set_empty, S_machine, A^0, I, Set_empty) if Z(S_system, S_machine, I)

  • (Set_empty, S_machine', A^0, I, o) if w = REVERT

  • O(S_system, S_machine, A, I) · o if o != Set_empty

  • X(O(S_system, S_machine, A, I)) otherwise

where

• o := H(S_machine, I)

• (a, b, c, d) · e := (a, b, c, d, e)

• S_machine' := S_machine except

  S_machine,g' := S_machine,g - C(S_system, S_machine, I)

  • Điều này có nghĩa là khi chúng ta ước tính F_apply, chúng ta

    trích phần gas còn lại S_machine,g' từ

    trạng thái máy tổng hợp S_machine'.

Do đó, X được quay vòng (ở đây là đệ quy, nhưng việc triển khai thường phải sử dụng một vòng lặp đơn giản) cho đến khi Z trở thành đúng, cho biết trạng thái hiện tại là ngoại lệ, rằng máy phải tạm dừng và mọi thay đổi sẽ bị hủy hoặc cho đến khi H trở thành một chuỗi (thay vì một tập hợp rỗng), cho biết máy đã đạt đến trạng thái tạm dừng có kiểm soát.

Trạng thái của máy

Trạng thái của máy S_machine được định nghĩa là một tuple (g, pc, memory, i, stack), thể hiện lượng gas khả dụng, bộ đếm chương trình pc (số nguyên không dấu 64 bit), nội dung bộ nhớ, số lượng từ đang hoạt động trong bộ nhớ (đếm liên tục từ vị trí 0) và nội dung của ngăn xếp dữ liệu. Nội dung bộ nhớ S_machine,memory là một chuỗi các số 0 có kích thước 2^256.

Để dễ đọc, phần thủ thuật ghi nhớ chỉ thị ghi bằng chữ hoa nhỏ (ví dụ: ADD) nên được hiểu là chỉ số đương lượng của chúng; bảng chỉ thị đầy đủ và chi tiết cụ thể của chúng được nêu trong phần Bộ chỉ thị.

Để xác định Z, H và O, chúng tôi xác định w là hoạt động hiện tại cần được thực thi:

• w := T_code[S_machine,pc] if S_machine,pc < len(T_code)

• w :=STOP otherwise

Bộ chỉ thị

LƯU Ý: Mục này sẽ được bổ sung sau.

KLVM khác với EVM như thế nào

Như đã đề cập từ trước, KLVM hiện tại dựa theo EVM; vì thế, thông số kỹ thuật của nó hiện rất giống với EVM. Một số điểm khác nhau giữa KLVM và EVM được liệt kê dưới đây.

• KLVM dùng đơn vị gas của Klaytn, ví dụ như peb, ston hoặc KLAY.

• KLVM không chấp nhận giá gas từ người dùng; thay vào đó, nó dùng một giá trị được nền tảng xác định làm giá gas.

Đội ngũ Klaytn sẽ cố gắng duy trì khả năng tương thích giữa KLVM và EVM, nhưng khi Klaytn được triển khai ngày càng nhiều và phát triển, thông số kỹ thuật của KLVM sẽ được cập nhật và có thể sẽ có nhiều điểm khác biệt hơn so với EVM.

LƯU Ý: Mục này sẽ được cập nhật trong tương lai.