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VM-matters

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Zheng S, Wang H, Wu L, et al. VM matters: a comparison of WASM VMS and EVMS in the performance of blockchain smart contracts[J]. arXiv preprint arXiv:2012.01032, 2020.

Introduction

Wasm已经被以太坊采用，即eWASM，以期望取代EVM

以太坊的性能瓶颈

  • 共识协议
  • 交易签名
  • 执行引擎（EVM）

然而EVM对真实世界的合约来说工具不够完善，开发者开始研究Wasm。Wasm被集成到了所有主流浏览器中。Wasm程序执行效率接近于本地执行，比浏览器Js的实现快2倍

Ethereum 2.0 roadmap中已经包含了eWASM，潜在的优势

  • 交易处理更快，提升吞吐量
  • 支持更多智能合约语言
  • 目前Geth和Openethereum在实验支持WASM，但是社区活跃似乎在18年，从2022年起代码仓库不再更新

目前没有明确的证据表明WASM能够提高区块链执行的实际效率

主要工作

  • 本文分析了智能合约执行引擎对区块链执行效率的影响，主要研究两类

    • EVM engines：Geth和Openethereum

    • WASM engines：11个，3个是区块链定制的（Eos Geth 和 Openethereum）

  • 分析了字节码内引擎对比和字节码间的引擎对比，即EVM和WASM先自己和自己比，再跨平台比较

  • 设计了一系列的benchmark

得出了一系列结论

  • 基于EVM的链对Wasm的支持不尽人意
    • Wasm的实现不稳定，客户端的编码规则不一致；支持的编程语言少
  • 对EVM来说，Geth和表现比Openethereum好
  • 智能合约在Wasm上运行效率差异显著，最大3个数量级
  • 本地支持的数据类型对Wasm合约执行影响显著，如Wasm的数据类型为32/64bit，当执行256的EVM字节码时，带来额外开销
  • 尽管Standalone WASM的效率比EVM高，但是eWASM VM比EVM慢（所有256bit数据和大多数64bit数据），可能是gas测量和EEI上下文切换带来的开销

为了研究，会开源benchmark和所有实验结果（因为匿名提交删掉了，github没搜到，但是有很多其他的开源的benchmark）

Background

Smart Contract

EVM合约字节码的执行是自循环，当程序结束或者出现error或者遇到STOP RETURN语句时终止

gas用于支付 计算 存储 带宽 的成本

EVM/WASM/eWASM 字节码

  • EVM
    • EVM仅支持256比特的数据，小于该长度的计算都必须转换成256比特的形式EVM才能处理
    • EVM不支持浮点数
  • Wasm：2017年由浏览器厂商提出，在隔离的沙箱中运行
    • 可分为解码、验证和执行三个阶段
    • 数据类型：32bit和64bit的浮点数、整数
  • eWasm：Wasm的子集
    • 通过Wasm执行引擎定义的Ethereum Environment Interface (EEI)和以太坊交互
    • 限制了浮点数（为了保证和以太坊的一致性）
    • 定义了 EVM 交叉编译器，实现对EVM字节码的后向兼容性

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Study Design

研究四个问题

  • 目前区块链客户端对Wasm的支持情况
  • EVM比较
  • Wasm比较
  • EVM和Wasm比较

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实验方法

  • 采用0.5.4的solc编译solidity生成EVM字节码

  • 利用 SOLL（最新的release是2年前的）编译soldity生成eWasm的字节码

  • 然而eWasm的字节码不能在一般的Wasm上面运行，利用其他引擎支持的语言 Rust 编写等价合约来编译成Wasm字节码

对选择的Wasm的介绍

  • Geth WASM - Hera：C++实现，需要EVMC的支持,EVMC是EVM和客户端交互的接口，支持对应的Wasm后端包括wabt Binaryen 和 WAVM
  • Openethereum WASM - wasmi：Rust实现，虽然项目凉了，但是Wasm现在依然非常活跃
  • EOS VM：虚拟机运行是确定性的，采用软件实现浮点数。采用看门狗 timer来限制执行时间
  • 其余还有Life SSVM wagon wbt wasm3 WAMR wasmtime

benchmark

13个不同种类的测试标准

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  • 操作码层面的测试：Simple Operation测试了单一运算的效率

  • 以太坊层面的测试：Arithmetic Block Status和Hashing测试

实验结果

  • EVM对比：Openethereum和geth对比image-20231024172501663
  • WASM对比 image-20231024172615876
  • eWasm和EVM字节码对比 image-20231024172751695
  • Wasm带来的额外开销占比 image-20231024173251526

Limitation

  • benchmark的局限性

    • 目前只支持单一的操作、算术运算和哈希，不支持对KV存储的操作，因为Wasm目前不支持长期存储。
    • 没有交易 和其他合约交互的测试

  • 目前的思路是设计benchmark来近似测量操作码执行的效率，更精确的方法应该是直接测量记录操作码的运行时间

  • Wasm VM仍然在频繁更新，本论文的结果可能不能反映目前的VM的实际性能

第一篇对Wasm和EVM执行效率进行对比的论文，目前有一些对Wasm的研究和区块链系统性能测量的研究

  • Wasm字节码分析
    • 有工作[1]分析了Alexa上使用WAsm的合约，发现仅1/600的合约使用Wasm
    • 有工作发现[2]Wasm被用于PoW，可能导致cryptojacking
    • 工作[3] 提出了防御cryptojacking的方法
  • 区块链性能测量
    • BlockBench [4]测量区块链私链的性能，分析了Ethereum, Parity and Hyperledger，发现区块链系统的瓶颈在于共识协议
    • 工作[5]分析了Geth和Parity上交易的效率，发现Parity更快

参考文献

  1. 1.Marius Musch, Christian Wressnegger, Martin Johns, and Konrad Rieck. 2019.New Kid on the Web: A Study on the Prevalence of WebAssembly in the Wild. In International Conference on Detection of Intrusions and Malware, and VulnerabilityAssessment. Springer, 23–42. ↩
  2. 2.Jan Rüth, Torsten Zimmermann, KonradWolsing, and Oliver Hohlfeld. 2018. Digginginto browser-based crypto mining. In Proceedings of the Internet MeasurementConference 2018. 70–76. ↩
  3. 3.Weikang Bian, Wei Meng, and Mingxue Zhang. 2020. MineThrottle: Defendinga gainst WASM In-Browser Cryptojacking. In Proceedings of The Web Conference3 112–3118. ↩
  4. 4.Tien Tuan Anh Dinh, Ji Wang, Gang Chen, Rui Liu, Beng Chin Ooi, and Kian-Lee Tan. 2017. Blockbench: A framework for analyzing private blockchains. InProceedings of the 2017 ACM International Conference on Management of Data.1085–1100. ↩
  5. 5.Sara Rouhani and Ralph Deters. 2017. Performance analysis of ethereum transactionsin private blockchain. In 2017 8th IEEE International Conference on Software Engineering and Service Science (ICSESS). IEEE, 70–74. ↩