智能合约开发——Sui/Move vs. Solana/Rust

Posted 2023-02-16 mutourend

1. 引言

前序博客有：

• zkMove——针对Move合约生态的zkVM

定位为高性能L1的Aptos和Sui，均采用Move合约编程语言。Solana也定位为高性能L1，但其采用Rust合约编程语言。本文重点对比Sui/Move和Solana/Rust合约编程语言。【Aptos/Move为不同的Move变种，有细微的差别。不过只要原生支持Move bytecode，则所有主要Move优势适于所有Move变种。】

Solana中的智能合约为programs，Move中的智能合约为modules。

2. Solana编程模型

Solana的智能合约编程模型是基于programs和accounts。Solana中，通常将智能合约称为“programs”。

• 1）programs（智能合约）：定义交易中调用该program的处理逻辑。可在program调用中传入任意参数。program本身是stateless的，无法维护、读写任意状态。将program+account结合，可维护、读写状态。program调用由clients发起（通常是由web apps发起，也可自己手动发起直接调用）。
• 2）accounts：主要用于存储program state。programs会读写accounts，相应的数据可跨交易留存。每个account由其address（即为某Ed25519密钥对的公钥）唯一标识。accounts具有指定大小，且可存储任意数据。
  此外，还有与每个account相关联的metadata，其中包含有关account的重要信息。program本身（可执行文件）也存储在account中，并具有address（称为program ID）。没有固有的结构来解释数据——从运行时的角度来看，它只是一个指定大小的字节数组。
  可将Solana的account space看成是a global key-value store，其中key为account address，value为account data。program会对该key-value store进行读写。
  • account会维护balance和data，其中data为指定长度的byte数组。
  • account具有“owner” field，owner为the Public Key of the program that governs the state transitions for the account。

Solana中的program是无状态的，需依赖account中的data数组来实现state transition：

• 1）Programs can only change the data of accounts they own.
• 2）Programs can only debit accounts they own.
• 3）Any program can credit any account.
• 4）Any program can read any account.

program分为：

• System Program
• User-defined Program：名为“Loader Program”的System program会加载user-defined program，并将相应account中的data标记为executable。

默认情况下，所有的accounts初始owner都为System program：

• 1）System Program is the only program that can assign account ownership.
• 2）System Program is the only program that can allocate zero-initialized data.
• 3）Assignment of account ownership can only occur once in the lifetime of an account.

注意：Solana中，client在发起program call时，需提前指定该调用中所访问的accounts，并确定是读还是读写相应的account。这对交易处理性能来说至关重要。由于runtime现在知道了每笔交易总哪些accounts会被modify，可规划可并行执行的non-overlapping transactions，从而保证数据一致性。这也是Solana具有高吞吐量的关键原因之一。所谓的“EVM doesn’t scale”，是指EVM无法对交易进行并行处理。更多关于Solana交易处理runtime可参看Anatoly Yakovenko 2019年博客Sealevel — Parallel Processing Thousands of Smart Contracts。

可将Solana合约看成是操作系统中的程序，accounts看成是文件，任何人都可自由部署和运行任何合约，当合约运行时，可读写文件（accounts）。文件对所有合约都是可读的，但仅具有某文件ownership的合约才有权限对该文件进行写操作。合约之间不信任但可相互调用，在实际执行时，都需要假设输入具有潜在恶意。由于操作系统可供任何人全局访问，会为合约提供原生的验签支持，为用户提供authority和ownership functionality。

2.1 Solana安全模型

2.1.1 account ownership

Solana的account具有ownership的概念。 每个account严格由且仅由一个program拥有。 即意味着只有拥有该account的program才可对其进行修改。其它program无法对该account修改。account ownership信息存储在account的metadata中，且无法由user programs修改。

2.1.2 account signatures

client在发起program call时，可附加account签名（注意每个account关联一组Ed25519密钥对）。当有某account的私钥时，可用其对交易签名，然后在program runtime中会将该account标记为“signer”，program可利用该信息实现ownership and authority functionality。事实上，这也是Solana钱包的实现原理。每个account关联有一定数量的SOL（也存储在account metadata中），当需要转账时，需使用account的私钥对转账交易进行签名。因此，所谓的Solana钱包，是指你拥有相应私钥的account。

2.1.3 CPI calls

也通过CPI（cross-program invocation）接口实现跨合约调用——由合约A调用合约B。CPI calls与client program calls非常类似，以program ID来表示想要调用的program，并传入相应的参数和所需的accounts。内部，CPI calls通过syscall——runtime将以 与client直接调用 相同的方式执行指定的program。

2.1.4 PDA accounts

program本身在CPI calls中也具备提供account signatures的能力——通过PDA（program derived address）accounts来实现。
PDA accounts是特殊类型的accounts，仅可由program来签名。【program可不拥有或存储相应的私钥】
PDA accounts为program specific的，每个program可生成其想要的任意数量的PDA accounts。用户 或 其它program，无法为特定program的PDA accounts 提供签名。
PDA accounts的重要性在于，program具备了authority和ownership能力。如，program可own tokens，为“某token vaults仅由某program具有取款功能，而任何user或其它program均无相应权限” 的原理——该vault由program logic完全保护——即，若program是正确的，则vault是安全的。
PDA 还可用于创建具有指定address的accounts。

2.2 Solana智能合约Rust编程

• 1）accounts are owned by programs which gives them the sole permission to mutate them
• 2）you can sign a transaction with the account’s private key and the runtime will mark this account as a “signer” that the program implementation defines the semantics of
• 3）the programs can call each other using CPI calls
• 4）PDAs allow programs to also provide account signatures

以上4点为Solana智能合约安全性和可组合型的基石。

只要能编译为SBF（Solana Bytecode Format，改良版的eBPF），Solana合约可 以任意语言编写，通常，会选择Rust语言。

Solana的所有合约都会定义如下的entrypoint：

当合约被调用时，runtime会调用相应的entrypoint函数，传入的参数有：

• program_id：为所调用的合约的program ID（存储该合约的account address）——因有时（非常罕见）利用该参数可将相同的合约部署在不同的地址（program ID）。
• accounts：由client指定。为AccountInfo结构体类型，包含了account data以及相关的metadata（如哪个合约是其owner、该account是否可mutated、交易是否已被其私钥签名等等）。
• instruction_data：由client指定，通常为参数的编码。

合约会根据以上参数进行处理并执行相应的逻辑。

注意：Solana中每笔交易可包含多个sequential program calls（对同一或不同合约）——被称为“instructions”。交易是atomic的，若instructions（program calls）中有任何fail，则整笔交易将fail，对全局状态无任何影响。

2.2.1 Input Safety

由于client可传入任意accounts和任意instruction data，合约必须仔细处理这些输入，确保恶意编写的输入不会以意外的方式影响程序执行。

2.2.2 Instructions

大多数时候，都希望在同一合约内实现多个不同的instruction calls——如Token Program会实现InitializeAccount、IntializeMint、Transfer等多个接口，每个接口具有不同的参数。因此，通常instruction_data的第一个字节用来标识所调用的instruction（最多支持256个不同的接口），后面的字节为对相应参数的编码。

2.3 Solana智能合约Anchor编程

Solana合约的粗略流程为：

• 1）定义entrypoint函数
• 2）对instruction call及其参数进行解码
• 3）调用相应的instruction handler
• 4）做account和参数检查（至关重要，确保输入未被污染）
• 5）处理instruction，并根据需要解码account data

Rust语言并为提供相应的工具来对以上某些流程进行streamline处理。而Anchor可以。

Anchor为用Rust语言编写的Solana合约开发框架——填补了raw Rust的gaps，并提供了安全性，使得Solana合约开发更人体工学、更安全。

3. Sui/Move编程模型

在Move中，合约发布为modules（模块）。modules中包含：

• functions：函数可调用其他函数（同一模块内，或其它模块的public函数）。
• custom types（structs）：structs中可包含u8\\u64\\bool等类型 或 其它structs。

具有的主要优势为：

• global type safety
• global resource safety
• memory safety
• embeddable objects等

3.1 Sui/Move的objects

Sui/Move变种与Aptos或Diem等变种不同之处在于，其引入了objects的概念。
Objects为runtime和跨交易persist state 所存储的struct instances。
Sui有3种不同类型的objects：

• 1）owned objects：归user所有。仅拥有该object的user才可在交易中使用owned objects。相应的所有权metadata是透明的，并由runtime处理。其实现原理为公钥密码学技术，runtime中object的metadata中存储了相应的公钥，当在交易中需使用该object时，需提供相应的签名（当前支持Ed25519签名，即将支持ECDSA和K-of-N多签）。
• 2）shared objects：与owned objects类似，但是无关联的owner。因此，无需拥有相应私钥即可在交易中使用shared objects。任何owned objects，都可由其owner分享设置为shared objects。而一旦设置分享后，该object将永远为shared objects，无法再转换为owned objects。
• 3）immutable objects：为不可修改的objects。一旦某object被标记为immutable，该object的fields将不可修改。与shared objects类似，immutable objects也没有owner，且可被任何人使用。

整个Sui/Move编程模型非常直观和简单。每个合约都是一个模块，包含了函数和结构体定义。
结构体：

• 由函数实例化
• 可通过函数调用传递给其它模块

为实现跨交易的结构体留存，需将结构体转换为object（可为owned、shared或immutable类型）。

3.2 Sui/Move的安全性

Sui/Move中：

• 可将你的owned objects（或shared objects）传输给任何模块的任何函数。
• 任何人都可发布模块，模块可能是潜在恶意的。
• 没有模块粒度的owned structs，即不存在所谓的owner module来唯一改变某struct。structs可流入其它模块，并嵌入在其它structs中。

那么问题来了，如何保证其安全性呢？当某人发布了一个恶意模块，获取了某shared object（类似某AMM pool）并将该object发送到恶意模块中试图drain of its funds，如何解决这种情况呢？
在Solana中，引入了account ownership的概念，仅拥有该account的program才可修改该account。但在Move中，不存在模块粒度的owned objects，可将objects（不只包含object reference，还包含整个object本身的值）发送给任意模块。因此，runtime无法做特定的检查来确保该object不会被不信任的模块非法修改。如何来保证object的安全性呢？

3.2.1 Move中的structs

传统的Rust结构体定义为：

struct Foo 
  x: u64,
  y: bool

Move中的structs有如下约束：

• 1）仅定义struct的模块可对其进行实例化（“packed”）和销毁（“unpacked”）。即，无法在其它模块的任何函数内对该struct进行实例化或销毁。
• 2）struct实例中的fields，仅可由其所属的模块进行访问修改。
• 3）无法在其它模块中对该struct实例进行复制。
• 4）无法将某struct实例存储在其它struct实例的某field中。

即意味着，在其它模块的某函数内，对该struct实例：

• 无法修改该结构体实例的fields（key）
• 无法复制该结构体实例（copy）
• 无法将该结构体实例存储在其它结构体的某field内（store）
• 无法销毁该结构体实例（drop）

这些限制会失去一些灵活性，但智能合约开发的本质是对数字资产（resources）进行编程。
为此，Move中的结构体定义可附加相应的capabilities：key、store、copy、drop，类似为：

struct Foo has key, store, copy, drop 
  id: UID,
  x: u64,
  y: bool

• 1）key：表示该结构体为object。object可留存，若为owned object，在合约调用时需提供相应的签名。当使用了key能力时，该结构体中的第一个元素必须为object ID，类型为UID。从而具有全局唯一ID，便于引用。
• 2）store：表示允许将该结构体到其它结构体的某field内。
• 3）copy：表示允许在其它模块中对该结构体进行任意复制。
• 4）drop：表示允许在其它模块中对该结构体进行销毁。

也就是说，Move中的struct默认为resource，capabilities给了相应的权限来放松以上限制，使得其功能更像传统的结构体。

3.2.2 Move中的bytecode verification

Move合约以模块形式发布，任何人都可创建并上传任意模块到链上供任何人执行。如何保证模块遵循相应的规则呢？
Move verifier为静态分享工具，可分析Move bytecode，并确定其是否遵循了相应的类型、内存、resoucre安全准则。所有上传到链上的代码均需经该verifier验证通过。

在将某Move模块上传到链上时，节点和validators会先运行verifier，只有验证通过后才会将该模块commit。若该模块未遵循Move安全准则，则会被verifier拒绝，不会上传到链上。

Move bytecode 和 verifier 是Move的核心创新。正是它使以resource为中心的直观编程模型成为可能，否则这是不可能的。关键的是，它允许结构化类型跨信任边界传递，而不会丢失其完整性。

4. Sui/Move vs. Solana/Rust

Solana中的智能合约为programs，Move中的智能合约为modules。
二者的主要区别在于：

• Solana的跨program边界不具备type safety。每个program手工从raw account data中解码加载instances，要求需要手工进行严格的安全检查。
• Solana中无原生的resource safety。Solana中的resource safety由各个合约独自实现。这提供了足够的可编程性，但却牺牲了可组合性以及人体工学。Move原生支持resource safety，可安全地在untrusted code中流入流出。
• Move中，the types do exist across modules，即type system是全局的。即意味着无需CPI call，无需account编解码、无需account ownership检查等待。在调用其他模块的函数时，仅需要直接传参即可。
  Move中的type safety和resource safety由compile/publish时的bytecode verification保证，不像Solana需在合约层中实现，并在runtime时做相应检查。

5. Move on Solana

如何让Solana支持Move呢？
可能的实现方式有3种：

• 1）添加Move MV，将其与SBF VM一起，作为native loader：在runtime中额外增加Move loader。Move合约存储为链上Move bytecode并由Move VM执行（与Sui类似），但这意味着Solana中同时又SBF合约生态和Move合约生态。但：

  • 1.1）难点在于这2个生态直接的合约调用。
  • 1.2）开发难度大，需同时深入了解Move和Solana，Verifier也可能需要调整。
  • 1.3）runtime中维护两个不同的loader难度大。bug风险加倍，任一loader中的bug，都会给整条链带来风险。

  详细讨论见：

  • 2019年 Embed Move #5150
  • 2020年 Remove move_loader and librapay #11184
  • 2022年 审计风险安全讨论

• 2）以program来运行Move VM（类似Neon）：以Solana合约来运行Move VM。类似Neon以Solana合约来运行EVM。

• 3）将Move编译为SBF（类似Solang）：需为Move构建一个LLVM frontend。这样runtime就无需感知Move语言。

  • 3.1）从runtime的角度来说这是最优方案，runtime及其安全假设均无需修改。
  • 3.2）从合约角度来说，Move的一些语法Solana不支持，如Move的global type safety、global resource safety、embeddable objects等优势，可能均需替换为accounts checks、CPI calls、PDAs等等。

Move的最大优势在于其bytecode verification：
The distinguishing feature of Move is an executable bytecode representation with resource safety guarantees for all programs. This is crucially important given the open deployment model for contracts — recall that any contract must tolerate arbitrary interactions with untrusted code. Source-level linearity has limited value if it can be violated by untrusted code at the executable level (e.g., untrusted code that duplicates a source-level linear type).

参考资料

[1] Klas 2022年9月博客 Smart Contract Development — Move vs. Rust
[2] 2022年9月 twitter Smart Contract Development — Move vs. Rust
[3] Klas 2022年7月博客 Solana for Non Smart Contract Developers