如何通過UTXO交易實(shí)現(xiàn)支持EVM規(guī)范的智能合約

Qtum賬戶抽象層（AAL）實(shí)現(xiàn)簡析

Qtum設(shè)計(jì)上以比特幣UTXO為基礎(chǔ)賬戶模型，并實(shí)現(xiàn)了支持EVM規(guī)范的智能合約，這是通過賬戶抽象層（Account Abstract Layer， AAL）來完成的。AAL對(duì)UTXO賬戶和EVM合約賬戶之間進(jìn)行了適配，這樣通過AAL可以使用UTXO交易輸出實(shí)現(xiàn)在鏈上創(chuàng)建智能合約，發(fā)送交易到合約賬戶用于觸發(fā)合約的執(zhí)行，完成執(zhí)行后AAL最終對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行處理并適配至UTXO。由于采用了AAL，合約開發(fā)者不需關(guān)心對(duì)合約操作相關(guān)的UTXO轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)，即可使用EVM的特性進(jìn)行開發(fā)而且兼容現(xiàn)有以太坊的智能合約。本文通過對(duì)從UTXO交易到智能合約執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)代碼進(jìn)行解讀，初略分析了AAL的工作過程。

1.UTXO交易新增的腳本操作碼

Qtum 針對(duì)UTXO交易腳本新增了三個(gè)操作碼OP_CREATE，OP_CALL和OP_SPEND，目的是用于為UTXO和EVM賬戶模型之間的轉(zhuǎn)換提供操作支持。這些操作碼定義在opcodetype枚舉類型中：

這個(gè)三個(gè)操作碼分別有以下作用：

OP_CREATE用于智能合約的創(chuàng)建；

OP_CALL用于合約的執(zhí)行；

OP_SPEND用于合約余額的花費(fèi)。

為了在區(qū)塊生成過程中，識(shí)別并處理由這幾個(gè)操作碼控制的交易，在用于UTXO模型交易的類CTransaction中增加了HasCreateOrCall（）和HasOpSpend（）函數(shù)，用于新區(qū)塊中對(duì)mempool中的交易處理，并在腳本操作碼解析的EvalScript（）函數(shù)中增加了相應(yīng)的處理。

2.UTXO交易到EVM模型交易的轉(zhuǎn)換

產(chǎn)生新的區(qū)塊時(shí)，除了對(duì)UTXO交易進(jìn)行常規(guī)的參數(shù)合法性、共識(shí)規(guī)則、DDOS攻擊檢查等之外，還需要使用操作碼檢查函數(shù)HasCreateOrCall（）判斷交易輸出是否包含OP_CREATE或OP_CALL，分別對(duì)應(yīng)著EVM需要執(zhí)行合約創(chuàng)建或合約調(diào)用。這部分有以下的處理過程：

2.1 進(jìn)行EVM模型的賬號(hào)參數(shù)提取

合約在EVM的執(zhí)行用到了data、gasPrice、gasLimit、VM version這幾個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)是通過RPC調(diào)用sendtocontract 發(fā)送的，sendtocontract會(huì)生成一個(gè)UTXO交易，并在交易輸出中使用了OP_CALL操作碼，之后交易會(huì)廣播到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上。AAL中從UTXO到EVM的適配是通過QtumTxConverter類實(shí)現(xiàn)的，在這一步中該類的成員函數(shù)extracTIonQtumTransacTIons（）和parseEthTXParams（）完成對(duì)所有此類UTXO交易輸出的參數(shù)提取。代碼片段如下：

以上代碼首先判斷如果opcode 為OP_CALL，則說明地址為vecAddr的合約已經(jīng)創(chuàng)建，因此直接轉(zhuǎn)換成EVM格式的地址receiveAddress，否則為OP_CREATE，對(duì)應(yīng)合約的創(chuàng)建，沒有該字段，所以不做提取。接下來依次完成了data、gasPrice、gasLimit、VM version的提取，這些都是EVM執(zhí)行bytecode時(shí)必不可少的參數(shù)。

2.2 進(jìn)行EVM賬戶模型的交易轉(zhuǎn)換

交易轉(zhuǎn)換是通過QtumTxConverter類的函數(shù) createEthTX（）完成，使用前面一步提取的參數(shù)和UTXO的交易輸出vout創(chuàng)建了QtumTransacTIon類型的交易。由于QtumTransacTIon派生自EVM中的dev：：eth：：Transaction類，因此和EVM執(zhí)行相關(guān)的操作QtumTransaction類都支持。

首先代碼etp.receiveAddress == dev：：Address（）判斷該合約是EVM狀態(tài)中沒有而需要新創(chuàng)建的還是EVM狀態(tài)已經(jīng)包含的合約，差別只在于合約地址。然后，QtumTransaction（）構(gòu)造函數(shù)完成了部分的交易參數(shù)構(gòu)造，接下來的語句提取交易的發(fā)送者（sender），之后設(shè)置交易HASH。一個(gè)UTXO交易支持多個(gè)輸入和輸出，Qtum的AAL設(shè)計(jì)考慮到了這種情況，因此AAL支持一個(gè)交易輸出包含UTXO賬號(hào)和合約賬號(hào)，通過最后設(shè)置的nOut指示該交易的nOut輸出是發(fā)送到智能合約的，所以該輸出將觸發(fā)合約執(zhí)行。這樣就按照EVM的賬號(hào)模型完成了交易的轉(zhuǎn)換。

3.合約執(zhí)行及執(zhí)行結(jié)果的UTXO轉(zhuǎn)換

合約的執(zhí)行會(huì)改變狀態(tài)（由QtumState類的實(shí)例化對(duì)象globalState統(tǒng)一管理），對(duì)于合約的狀態(tài)，Qtum沿用了EVM定義，所以能兼容所有的符合EVM規(guī)范的智能合約。但是賬戶金額的轉(zhuǎn)移（transfer），Qtum做了UTXO的轉(zhuǎn)換，這意味著智能合約和普通的UTXO模型賬號(hào)之間能完成交互，這是AAL實(shí)現(xiàn)UTXO支持智能合約的重要的一環(huán)。下面簡要介紹一下合約執(zhí)行和狀態(tài)結(jié)果的轉(zhuǎn)換過程。

3.1 合約執(zhí)行環(huán)境構(gòu)建及合約執(zhí)行

合約的執(zhí)行是對(duì)合約處理中很關(guān)鍵的一步，直接對(duì)合約的狀態(tài)產(chǎn)生影響。通過ByteCodeExec類實(shí)現(xiàn)了EVM對(duì)合約bytecode的執(zhí)行，主要函數(shù)是performByteCode（）。這一步的主要流程是使用上面提取的交易參數(shù)，來進(jìn)行虛擬機(jī)執(zhí)行環(huán)境的構(gòu)建，之后完成合約的執(zhí)行，其代碼如下：

首先是構(gòu)建合約執(zhí)行環(huán)境，由BuildEVMEnvironment（）完成?？梢钥吹竭@個(gè)執(zhí)行環(huán)境是針對(duì)每個(gè)獨(dú)立交易進(jìn)行的，這樣就最大限度的把不同交易的合約執(zhí)行過程隔離開，避免合約執(zhí)行過程中的交叉影響。然后構(gòu)建一個(gè)新的sealEngine類，該類是EVM執(zhí)行引擎，由createSealEngine（）函數(shù)具體完成。中間對(duì)出現(xiàn)的可能狀態(tài)異常進(jìn)行檢查，之后globalState-》execute（）完成合約的執(zhí)行，這里使用到了構(gòu)建的執(zhí)行環(huán)境envInfo和EVM執(zhí)行引擎se。

3.2 合約執(zhí)行結(jié)果的UTXO轉(zhuǎn)換

合約執(zhí)行完成后的結(jié)果保存在vector《ResultExecute》 result，vector向量理記錄了每個(gè)合約執(zhí)行產(chǎn)生的EVM賬戶間transfer關(guān)系，AAL通過把這些transfer轉(zhuǎn)換成UTXO交易，完成了從EVM賬戶模型到UTXO模型交易的轉(zhuǎn)換。這一處理是通過processingResults（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，以下是代碼片段。

首先定義了ByteCodeExecResult類型的resultBCE變量，用于保存轉(zhuǎn)換的結(jié)果。使用操作碼OP_SPEND，用于實(shí)現(xiàn)交易的花費(fèi)，這是因?yàn)楸忍貛诺腢TXO通過私鑰簽名在交易輸入解鎖后來實(shí)現(xiàn)余額花費(fèi)的，而EVM執(zhí)行涉及不同賬戶之間的transfer，所以需要通過OP_SPEND實(shí)現(xiàn)這些transfer到UTXO模型交易的轉(zhuǎn)換。如果execRes.excepted不為None，即合約執(zhí)行異常，則將余額返還給合約調(diào)用者。否則，如果沒有異常，則將扣除消耗的gas之后的剩余gas返還給合約的調(diào)用者。對(duì)于合約執(zhí)行中出現(xiàn)的transfer其UTXO交易保存在result［i］.tx中。因此，經(jīng)過這一步處理合約執(zhí)行產(chǎn)生的不同UTXO賬戶之間的交易就保存在valueTransfers向量中了，最終這些交易會(huì)包含進(jìn)新的區(qū)塊中。至此AAL模塊就完成了從EVM交易到UTXO的轉(zhuǎn)換。

4.總結(jié)

AAL通過新增的UTXO腳本操作碼，協(xié)助完成合約的創(chuàng)建、執(zhí)行和花費(fèi)。在合約創(chuàng)建和執(zhí)行前，需要進(jìn)行UTXO交易到EVM模型交易的轉(zhuǎn)換，之后使用構(gòu)建的EVM執(zhí)行環(huán)境和引擎，完成合約的執(zhí)行。AAL最終對(duì)合約的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行處理并從EVM適配至UTXO，這樣就實(shí)現(xiàn)了基于UTXO的智能合約。AAL使得Qtum兼容符合EVM規(guī)范的智能合約，為Dapp提供一個(gè)新的基礎(chǔ)平臺(tái)，同時(shí)UTXO的優(yōu)點(diǎn)使得諸如并行處理、隱私性等優(yōu)點(diǎn)能得以保留。