什么是區(qū)塊鏈虛擬機(jī)和普通虛擬機(jī)有啥區(qū)別

2019年作為比特幣發(fā)展十周年，隨著區(qū)塊鏈知識(shí)和技術(shù)不斷普及，區(qū)塊鏈技術(shù)在不斷尋找著超乎金融領(lǐng)域之外的更多商業(yè)探索，其中區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)設(shè)施作為可編程商業(yè)經(jīng)濟(jì)的基石，在不斷探索中前進(jìn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施——虛擬機(jī)，是實(shí)現(xiàn)智能合約系統(tǒng)最為關(guān)鍵和核心的技術(shù)。智能合約不僅是業(yè)務(wù)邏輯的載體，同時(shí)又扎扎實(shí)實(shí)地落在了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的層面。由此可見，虛擬機(jī)是區(qū)塊鏈技術(shù)落地的基石，在如今技術(shù)快速發(fā)展乃至未來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)都將離不開虛擬機(jī)的重要支撐。Qtum 量子鏈正是認(rèn)識(shí)到區(qū)塊鏈虛擬機(jī)的重要性和未來(lái)的趨勢(shì)，早在2016年《Qtum 量子鏈技術(shù)白皮書 v0.7》第三章完整闡述了新一代主流語(yǔ)言編程的Qtum-x86虛擬機(jī)，作為支持未來(lái)區(qū)塊鏈商業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)際落地的基礎(chǔ)設(shè)施。

到底什么是虛擬機(jī)？普通的虛擬機(jī)和區(qū)塊鏈虛擬機(jī)的差別是什么？以及為什么智能合約需要區(qū)塊鏈虛擬機(jī)？ Qtum-x86 虛擬機(jī)具有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)？

什么是虛擬機(jī)

想徹底理解虛擬機(jī)，首先應(yīng)該理解“虛擬化”這個(gè)抽象化的詞，也就進(jìn)一步會(huì)理解普通虛擬機(jī)和區(qū)塊鏈虛擬機(jī)之間的區(qū)別。維基百科對(duì)其定義：“在計(jì)算領(lǐng)域，虛擬化是一個(gè)寬泛的術(shù)語(yǔ)，指的是對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象。虛擬化對(duì)其用戶，不管是應(yīng)用程序還是終端用戶，隱去了計(jì)算資源的物理特性。這包括使一個(gè)單一的物理資源（比如一個(gè)服務(wù)器，一個(gè)操作系統(tǒng)，一個(gè)應(yīng)用，或是一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備）表現(xiàn)為多個(gè)虛擬資源運(yùn)行；也包括多個(gè)物理資源（比如存儲(chǔ)設(shè)備或多臺(tái)服務(wù)器）表現(xiàn)為一個(gè)單一的虛擬資源。..”

再精煉一些來(lái)說就是：

· 由一個(gè)物理資源創(chuàng)建多個(gè)虛擬化資源

· 由一個(gè)或多個(gè)物理資源創(chuàng)建一個(gè)虛擬化資源

日常中網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、硬件都會(huì)頻繁用于表達(dá)某些特定概念。在這一領(lǐng)域的早期成果有 Christopher Strachey 的論文“大型高速計(jì)算機(jī)的時(shí)分系統(tǒng)”。IBM 對(duì)虛擬化的探索始于其 CP-40 and M44/44X 研究系統(tǒng)。作為回報(bào)，這又促成了其商業(yè)產(chǎn)品 CP-67/CMS 。虛擬機(jī)的概念使用戶隔離開，并為每個(gè)用戶單獨(dú)模擬出一套的完整的系統(tǒng)。IBM 模型的一個(gè)主要特征就是通過分割計(jì)算機(jī)資源和完全隔離程序來(lái)使程序共享同樣的硬件。 大型計(jì)算機(jī)在當(dāng)時(shí)的資源非常稀缺因此多為共用，因此把虛擬機(jī)計(jì)算時(shí)間切割成許多共享用戶的私人計(jì)算時(shí)間。

服務(wù)端虛擬化

服務(wù)端虛擬化顧名思義為服務(wù)器“虛擬化”，以 VMware，Microsoft，以及 Citrix 等公司為代表。運(yùn)用服務(wù)器虛擬技術(shù)，一個(gè)物理的機(jī)器可以被分成多個(gè)虛擬的機(jī)器。在這種虛擬化技術(shù)的背后，其核心是 hypervisor（虛擬機(jī)監(jiān)視器）的概念。Hypervisor 雖是很小的一層，它可以攔截操作系統(tǒng)對(duì)硬件的調(diào)用。

并且憑借著這一層的 hypervisor 可以做到：

1. 提升硬件利用率：節(jié)省硬件，節(jié)約成本

2. 安全：干凈的鏡像可用來(lái)重建受損的系統(tǒng)，可以提供沙盒和隔離來(lái)限制可能的攻擊。

3. 開發(fā)：調(diào)試和性能監(jiān)控的用例能夠以可重復(fù)的方式方便的搭建起來(lái)

4. 統(tǒng)一：實(shí)現(xiàn)各環(huán)境與操作數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性

為什么區(qū)塊鏈需要虛擬機(jī)

理解了“虛擬化”的不同場(chǎng)景的含義后，那區(qū)塊鏈為什么還需要虛擬機(jī)，它需要哪些虛擬化特性的部分？

這與區(qū)塊鏈的獨(dú)特性相關(guān)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)需要共識(shí)機(jī)制，保證每一個(gè)人輸出的計(jì)算結(jié)果是一致的。以比特幣舉例A將BTC發(fā)送至B，為了實(shí)現(xiàn)智能合約，將自動(dòng)交易轉(zhuǎn)化成代碼。區(qū)塊鏈虛擬機(jī)所承擔(dān)的主要任務(wù)是運(yùn)行智能合約。本質(zhì)上，區(qū)塊鏈虛擬機(jī)就是一個(gè)代碼的運(yùn)行環(huán)境。從而保證區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中分布式節(jié)點(diǎn)的一致性。

從安全性考慮，越是功能強(qiáng)大的智能合約，就越是邏輯復(fù)雜，也越容易出現(xiàn)邏輯上的漏洞。在區(qū)塊鏈中，虛擬機(jī)如果是從安全性方面考慮的話一方面是為了防止因?yàn)椴环ǚ肿踊蛘?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1730/" target="_blank">程序員的編寫代碼錯(cuò)誤而影響到了整個(gè)主鏈，更重要的是防止運(yùn)行智能合約的設(shè)備遭受攻擊，如果直接運(yùn)行在設(shè)備系統(tǒng)上，可能會(huì)有安全隱患。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都要運(yùn)行智能合約進(jìn)行驗(yàn)證，但如果不用虛擬機(jī)，而是在機(jī)器上直接運(yùn)行，當(dāng)智能合約開發(fā)者疏忽或測(cè)試不充分，而造成智能合約的代碼有漏洞的話，就非常容易被黑客利用并攻擊，這與上文中服務(wù)器虛擬機(jī)安全性有著共通性。

2018年4月， BEC 因整數(shù)溢出編寫漏洞，被黑客批量轉(zhuǎn)走了近50% token，然而這個(gè)錯(cuò)誤本應(yīng)是語(yǔ)言層面的基本常識(shí)。以太坊的智能合約多次出現(xiàn)漏洞，業(yè)界普遍認(rèn)為與底層系統(tǒng)有關(guān)，在此 Qtum量子鏈出的虛擬機(jī)技術(shù)連載（一）中分析過由于它的設(shè)計(jì)比較非主流，很難有主流的編程語(yǔ)言能夠移植到 EVM 上。這種設(shè)計(jì)可以說對(duì)于近50年來(lái)的大多數(shù)編程范例來(lái)說都不易兼容，因此不夠友好。

為了將區(qū)塊鏈的開發(fā)推向更加主流的階段，Qtum 量子鏈選用x86指令集。x86指令集發(fā)展已超過40年，時(shí)至今日，x86 架構(gòu)的兼容性也越發(fā)強(qiáng)大，生態(tài)體系越發(fā)完善，成就占有率超過90%的市場(chǎng)。今天的 x86 CPU 中已融入了解碼的功能，其將長(zhǎng)度不定的 x86 指令轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度固定的類似于 RISC 指令，然后將其交給 RISC 內(nèi)核進(jìn)行處理。解碼包括了硬件解碼和微解碼兩種，簡(jiǎn)單的 x86 指令采用硬件解碼速度較快，而復(fù)雜的指令則需要微解碼，將其分成若干條簡(jiǎn)單指令后才進(jìn)行執(zhí)行。目前，x86 架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于單條指令功能強(qiáng)大，指令數(shù)少速度較快；而由于指令數(shù)少，高頻率運(yùn)行時(shí)也不需要很大的寬帶占用往 CPU 傳輸指令。

比特幣：比特幣的區(qū)塊鏈技術(shù)主要是為數(shù)字貨幣交易提供簡(jiǎn)單的技術(shù)支持。

以太坊：以太坊開發(fā)智能合約以及圖靈完備的EVM為標(biāo)志。

Qtum量子鏈：以 Qtum-x86 為代表的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)逐步落地，推動(dòng)區(qū)塊鏈商業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

在 QTUM 技術(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的 為何 Qtum 量子鏈要設(shè)計(jì)X86虛擬機(jī)？Qtum-x86 設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)多種語(yǔ)言編寫智能合約。因?yàn)镋VM 開發(fā)需要學(xué)習(xí)solidity，增加學(xué)習(xí)成本的同時(shí)穩(wěn)定性不強(qiáng)，如果區(qū)塊鏈虛擬機(jī)支持多種編程語(yǔ)言可以變得更加安全。以 Rust 為例，Rust 相對(duì)于其他新型編寫語(yǔ)言中非常高效、輕量級(jí)的編程語(yǔ)言，最重要的是，它的安全性較高，能夠降低因程序員在編程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤而導(dǎo)致被攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

目前以太坊的開發(fā)費(fèi)用還是非常高昂，并由于沒有標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，也使得占用了大量的內(nèi)存Qtum-x86 為這些標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)函數(shù)提供特殊的內(nèi)部代碼，類似于以太坊的預(yù)編譯合約。這種功能可以不需要為新的預(yù)編譯合約添加特殊支持，即可使用，使得在不影響其他共識(shí)等變量之下，更加的高效、便捷和節(jié)省內(nèi)存。

Qtum 量子鏈開發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的初衷是能夠支持多種虛擬機(jī)，以太坊虛擬機(jī)作為第一個(gè)支持的虛擬機(jī)，但目前AAL的功能受到EVM的極大限制，而 Qtum-x86 虛擬機(jī)就將不再受到這些限制。

Qtum-x86 虛擬機(jī)的大內(nèi)存空間，以及它高效的操作代碼集，可以實(shí)現(xiàn)完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)進(jìn)行智能合約分析，這在以太坊虛擬機(jī)上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在未來(lái)有可能支持基于ai的智能合約自動(dòng)監(jiān)控區(qū)塊鏈，成為潛在的 oracle，允許智能合約對(duì)自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以便在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)條件下盡可能高效地運(yùn)行。這些區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可以包括完整交易數(shù)據(jù)以及節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（共識(shí)相關(guān)）。由于這些數(shù)據(jù)都是常量，且只需要占用極少的內(nèi)存空間，所以公開這些數(shù)據(jù)沒有什么弊端。

目前，以太坊虛擬機(jī)強(qiáng)制每個(gè)用戶都使用指向32-bytekey指向32-byte數(shù)據(jù)。開發(fā)人員管理起來(lái)可能會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，尤其是考慮到存儲(chǔ)空間碎片化和維護(hù)的問題。因此，在Qtum-x86虛擬機(jī)上，會(huì)給智能合約添加一個(gè)通用的key-value存儲(chǔ)。這樣以來(lái)，用戶就可以使用任何從1字節(jié)到更長(zhǎng)字節(jié)的key，并將其指向相同長(zhǎng)度的變量值。目前，Qtum 開發(fā)團(tuán)隊(duì)提出的gas模型首先對(duì)讀/寫該數(shù)據(jù)庫(kù)的操作收取固定費(fèi)用，之后再根據(jù)實(shí)際操作的字節(jié)數(shù)進(jìn)行按字計(jì)價(jià)收費(fèi)。當(dāng)然，這個(gè)功能也會(huì)被計(jì)入stateRootHash中，這樣SPV錢包就可以使用這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)與智能合約進(jìn)行交互。

Qtum 開發(fā)團(tuán)隊(duì)另一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是使智能合約的依賴關(guān)系變得明確且不可變。這僅僅是一種opt-in功能，所以仍然可以允許調(diào)用未知合約。對(duì)于那些確切知道它們依賴關(guān)系的智能合約，可以在某些特定情況下并行執(zhí)行，有助于降低的gas成本，同時(shí)還有其他一些好處。這將是基于Qtum-x86虛擬機(jī)的智能合約的一個(gè)主要的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)。

一同回看，Qtum-x86開發(fā)工程師Howard現(xiàn)場(chǎng)演示視頻。分別在Qtum-x86虛擬機(jī)上以C、C++、Rust這三種主流開發(fā)語(yǔ)言調(diào)用API，展示了未來(lái)開發(fā)者用這些主流開發(fā)語(yǔ)言編寫智能合約的范例。