简介
本文讨论如何在非EVM链上，移植EVM支持ETH交易。
- 代码：github.com:ethereum/go-ethereum.git
- 版本：1.14.6
总结
移植EVM步骤概述：
- 准备自己的statedb。非EVM链账户模型往往和以太坊不一致，EVM虚拟机在执行过程中，会访问statedb来更改账户状态，因此需要准备自己的statedb，搭建虚拟机和本地账户模型之间交互的桥梁。
- 准备运行环境Context以及Config。作为沙盒调用虚拟机的参数。
- 引用evm虚拟机github.com/ethereum/go-ethereum/core/vm。vm包是调用虚拟机的入口，入口为evm.Create和evm.Call。
- 实现自己的TransitionDb逻辑，主要是处理gas费的扣除，返回，以及矿工奖励。
ETH交易执行流程分析
1. EVM虚拟机工作方式
我们先了解下EVM的工作原理，这篇文章分析得非常详细易懂（https://learnblockchain.cn/2019/04/09/easy-evm）。
其中架构图如下：
核心思想为：
- EVM作为沙盒运行，每执行一笔交易，就会创建一个独立的EVM。交易会被转化为Message格式，传递给EVM执行。
- EVM运行前，需要准备环境，也就是一些参数，叫做Context，Config，用于访问链，block的信息。
- EVM运行过程中，会访问StateDB，修改StateObject(也就是账户)状态，整个过程叫做StateTransition。注意修改后的状态保存在缓存中，并未真正落盘。通过访问StateDB，能够获取修改后的状态。
- EVM内部会调用Interpreter执行OpCode。
- EVM运行完成后，并未真实改变链上状态。而是将状态修改保存在StateDB缓存中，EVM返回Gas消耗，以及执行结果。
- 调用者根据EVM的执行结果，执行最终Gas扣费，状态落盘上链逻辑。或者什么也不做，放弃本次状态更改，比如当前是eth_call调用时。
2. 交易执行入口
交易执行入口是ApplyTransaction。EVM虚拟机作为沙盒运行，需要配置具体的运行环境，主要组件为：
- blockContext，EVM用于获取block信息。
- txContext，获取交易信息。
- statedb，用于保存状态变更。
- config，链上配置，包括chainconfig以及rules灯。
代码如下：
// ApplyTransaction attempts to apply a transaction to the given state database
// and uses the input parameters for its environment. It returns the receipt
// for the transaction, gas used and an error if the transaction failed,
// indicating the block was invalid.
func ApplyTransaction(config *params.ChainConfig, bc ChainContext, author *common.Address, gp *GasPool, statedb *state.StateDB, header *types.Header, tx *types.Transaction, usedGas *uint64, cfg vm.Config) (*types.Receipt, error) {
//1. 把Transaction转化Message为类型
msg, err := TransactionToMessage(tx, types.MakeSigner(config, header.Number, header.Time), header.BaseFee)
if err != nil {
return nil, err
}
// Create a new context to be used in the EVM environment
//2. 创建BlockContext
blockContext := NewEVMBlockContext(header, bc, author)
//3. 创建TxContext
txContext := NewEVMTxContext(msg)
vmenv := vm.NewEVM(blockContext, txContext, statedb, config, cfg)
//调用ApplyTransactionWithEVM
return ApplyTransactionWithEVM(msg, config, gp, statedb, header.Number, header.Hash(), tx, usedGas, vmenv)
}
ApplyTransactionWithEVM调用ApplyMessage，最终执行TransitionDb。
3. 交易执行核心逻辑
交易执行核心逻辑在TransitionDb中。其中核心流程为：
- 执行金额检查，以及扣除最大gas费，gasLimit * gasPrice。
- 计算固定Gas。
- 调用虚拟机执行交易，其中合约的创建调用evm.Create函数。转账和合约调用调用evm.Call。虚拟机执行完交易后，会统计出剩下的Gas。
- 返回用户剩下的Gas, 包括Refund机制的退费，以及执行剩下的Gas。
- 给矿工付费Tip。
func (st *StateTransition) TransitionDb() (*ExecutionResult, error) {
// First check this message satisfies all consensus rules before
// applying the message. The rules include these clauses
//
// 1. the nonce of the message caller is correct
// 2. caller has enough balance to cover transaction fee(gaslimit * gasprice)
// 3. the amount of gas required is available in the block
// 4. the purchased gas is enough to cover intrinsic usage
// 5. there is no overflow when calculating intrinsic gas
// 6. caller has enough balance to cover asset transfer for **topmost** call
// Check clauses 1-3, buy gas if everything is correct
//执行金额检查，以及扣除最大gas费，gasLimit * gasPrice
if err := st.preCheck(); err != nil {
return nil, err
}
var (
msg = st.msg
sender = vm.AccountRef(msg.From)
rules = st.evm.ChainConfig().Rules(st.evm.Context.BlockNumber, st.evm.Context.Random != nil, st.evm.Context.Time)
contractCreation = msg.To == nil
)
// Check clauses 4-5, subtract intrinsic gas if everything is correct
// 计算固定Gas
gas, err := IntrinsicGas(msg.Data, msg.AccessList, contractCreation, rules.IsHomestead, rules.IsIstanbul, rules.IsShanghai)
if err != nil {
return nil, err
}
if st.gasRemaining < gas {
return nil, fmt.Errorf("%w: have %d, want %d", ErrIntrinsicGas, st.gasRemaining, gas)
}
if t := st.evm.Config.Tracer; t != nil && t.OnGasChange != nil {
t.OnGasChange(st.gasRemaining, st.gasRemaining-gas, tracing.GasChangeTxIntrinsicGas)
}
st.gasRemaining -= gas
if rules.IsEIP4762 {
st.evm.AccessEvents.AddTxOrigin(msg.From)
if targetAddr := msg.To; targetAddr != nil {
st.evm.AccessEvents.AddTxDestination(*targetAddr, msg.Value.Sign() != 0)
}
}
// Check clause 6
value, overflow := uint256.FromBig(msg.Value)
if overflow {
return nil, fmt.Errorf("%w: address %v", ErrInsufficientFundsForTransfer, msg.From.Hex())
}
if !value.IsZero() && !st.evm.Context.CanTransfer(st.state, msg.From, value) {
return nil, fmt.Errorf("%w: address %v", ErrInsufficientFundsForTransfer, msg.From.Hex())
}
// Check whether the init code size has been exceeded.
if rules.IsShanghai && contractCreation && len(msg.Data) > params.MaxInitCodeSize {
return nil, fmt.Errorf("%w: code size %v limit %v", ErrMaxInitCodeSizeExceeded, len(msg.Data), params.MaxInitCodeSize)
}
// Execute the preparatory steps for state transition which includes:
// - prepare accessList(post-berlin)
// - reset transient storage(eip 1153)
st.state.Prepare(rules, msg.From, st.evm.Context.Coinbase, msg.To, vm.ActivePrecompiles(rules), msg.AccessList)
var (
ret []byte
vmerr error // vm errors do not effect consensus and are therefore not assigned to err
)
//调用虚拟机执行交易，其中合约的创建调用evm.Create函数。转账和合约调用调用evm.Call
//虚拟机执行完交易后，会统计出剩下的Gas
if contractCreation {
ret, _, st.gasRemaining, vmerr = st.evm.Create(sender, msg.Data, st.gasRemaining, value)
} else {
// Increment the nonce for the next transaction
st.state.SetNonce(msg.From, st.state.GetNonce(sender.Address())+1)
ret, st.gasRemaining, vmerr = st.evm.Call(sender, st.to(), msg.Data, st.gasRemaining, value)
}
//返回用户剩下的Gas, 包括Refund机制的退费，以及执行剩下的Gas
var gasRefund uint64
if !rules.IsLondon {
// Before EIP-3529: refunds were capped to gasUsed / 2
gasRefund = st.refundGas(params.RefundQuotient)
} else {
// After EIP-3529: refunds are capped to gasUsed / 5
gasRefund = st.refundGas(params.RefundQuotientEIP3529)
}
effectiveTip := msg.GasPrice
if rules.IsLondon {
effectiveTip = cmath.BigMin(msg.GasTipCap, new(big.Int).Sub(msg.GasFeeCap, st.evm.Context.BaseFee))
}
effectiveTipU256, _ := uint256.FromBig(effectiveTip)
if st.evm.Config.NoBaseFee && msg.GasFeeCap.Sign() == 0 && msg.GasTipCap.Sign() == 0 {
// Skip fee payment when NoBaseFee is set and the fee fields
// are 0. This avoids a negative effectiveTip being applied to
// the coinbase when simulating calls.
} else {
fee := new(uint256.Int).SetUint64(st.gasUsed())
fee.Mul(fee, effectiveTipU256)
//给矿工账户付费Tip
st.state.AddBalance(st.evm.Context.Coinbase, fee, tracing.BalanceIncreaseRewardTransactionFee)
// add the coinbase to the witness iff the fee is greater than 0
if rules.IsEIP4762 && fee.Sign() != 0 {
st.evm.AccessEvents.BalanceGas(st.evm.Context.Coinbase, true)
}
}
//返回执行结果
return &ExecutionResult{
UsedGas: st.gasUsed(),
RefundedGas: gasRefund,
Err: vmerr,
ReturnData: ret,
}, nil
}
4. 虚拟机执行入口
从上面交易执行逻辑得知，虚拟机(github.com/ethereum/go-ethereum/core/vm)的真正执行入口函数为：
- evm.Create，合约创建。
- evm.Call，转账或合约调用。
if contractCreation {
//Create函数是创建合约
ret, _, st.gasRemaining, vmerr = st.evm.Create(sender, msg.Data, st.gasRemaining, value)
} else {
// Increment the nonce for the next transaction
st.state.SetNonce(msg.From, st.state.GetNonce(sender.Address())+1)
ret, st.gasRemaining, vmerr = st.evm.Call(sender, st.to(), msg.Data, st.gasRemaining, value)
}
实现EVM移植
经过上面分析，EVM的移植就很清楚了。对照EVM工作方式，移植者需要做到以下工作：
- 准备环境，构建Context，Config。
- 把交易转化为Message格式，创建一个新的EVM。
- 准备StateDB。
- 调用者根据EVM的执行结果，执行最终Gas扣费，状态落盘上链逻辑。或者什么也不做，放弃本次状态更改，比如当前是eth_call调用时。（可参照go-ethereum的TransitionDb函数）
实例
具体实例可参照evmos(https://github.com/evmos/evmos)。在cosmos链上移植了EVM虚拟机。
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