イーサリアムブロックチェーンコールシステム

挑戦する

イーサリアムスマートコントラクトの開発者は、一見単純な問題に直面することがよくあります-将来またはスケジュールでスマートコントラクトコードを呼び出す。 しかし、適切な解決策はなく、契約を呼び出すための別個のサービスを開発する必要があります。

MyWishプラットフォーム用の連絡先テンプレートを開発する際、すぐにこの制限に直面しました。 そして、この制限を「美しく」回避するという目標を、分散型ソリューションの助けを借りて設定しました。 このシステムは契約を運用する必要があるため、英国の物理学者James Jouleに敬意を表して、Jouleと名付けることにしました。

この記事では、ジュールの開発、システムの基礎を形成したソリューション、および得られた結果についてお話したいと思います。 開発はある程度革新的であり、適用されるソリューションはHabrの視聴者にとって興味深く有用であると信じています。

ソリューションを説明する前に、Ethereumブロックチェーンスマートコントラクトに関する基本的なことを伝える必要があります。

スマートコントラクト

イーサリアムスマートコントラクトは、 EVM （イーサリアム仮想マシン）環境で実行されるプログラムです。 このような各契約には、一意のアドレス、残高（エーテル）、ステータス（読み取り専用メモリ）、および呼び出しに使用可能な（または機能なしの）関数のセットがあります。

契約のコード、残高、ステータスはブロックチェーンに保存されます。

ユーザーは、トランザクションを使用してコントラクト関数を呼び出すことができます。 または、関数が契約または他の誰かの残高の状態を変更しない場合、トランザクションなし。

契約の方法は、複雑で、実装が任意であり、各指示を完了するために必要なガスによってのみ制限されます。 契約は残高を変更したり、他の契約を参照したり、他のネットワーク参加者から資金を受け取ることができます。

イーサリアムは、ユーザーだけが契約呼び出しでネットワーク上でトランザクションを開始できるように配置されています。 たとえば、コントラクトが機能するために、特定の瞬間にメソッドを呼び出す必要がある場合、ユーザーはこれを心配する必要があります。

コールシステム

最初の明らかな解決策は、適切なタイミングでネットワークにトランザクションを公開するサービスです。


このソリューションには大きな欠点があります-それは集中型ソリューションです。 たとえば、サービスが配置されているサーバーで何かが発生した場合、支払いが行われないために切断されたり、罰金が科されるなど、呼び出しは行われません。 そのため、契約は履行されず、受け入れられません。

この欠点を回避するために、私たちのチームはスマートコントラクトに基づいて実装されるジュールシステムを発明しました。

ジュール

Jouleは、 Ethereumネットワーク上のスマートコントラクトであり、特定の時点で任意のコントラクトへの呼び出しを登録できます。 Jouleは、Ethereumユーザーが登録済みの契約を呼び出す機能を提供します。

ネットワーク参加者が電話をかけるように動機付けるために、報酬とボーナスが支払われます。これらは、電話が登録されたときに設定されます。 報酬に必要な金額の計算はジュールを行います。 報酬の額は、通話に費やされたガスの費用を完全に賄います。 ボーナスパーツの形で、 WISHトークンは通話に対して支払われます（現在のバージョンでは実装されていません）。

システムでは、多くの契約コールを同じタイムスタンプで記録できます。 また、異なる時間に同じ契約を登録できます。 唯一の制限は、完全に同一のパラメーターセット（契約住所、時間、ガスおよびガス価格）で登録することができないことです。

Jouleは 、イーサリアムネットワーク契約と同様に、複数のユーザーが同時に自分自身に電話をかけることを許可します。 そして、コールに利用可能な契約よりも多くのJouleへのコールがあるかもしれません。 この場合、最初の発信者のみが報酬を受け取ります。

ユーザーは（スマートコントラクトメソッドまたはWebインターフェイスを使用して）いつでも、どのコントラクトがコールキューにあり、どの時点でこのコールを行う必要があるかを知ることができます。 契約の履行に必要な報酬とガスの量もジュール契約から入手できます。

Jouleは、登録中に指定された時間までに契約が呼び出されないことを保証し、呼び出しの順序を乱すことを許可しません。

実装の技術的困難

Jouleのような複雑な契約を作成するには、多数の技術的な問題を解決する必要があります。 これらのタスクの1つは、さまざまな契約住所とその呼び出し時間（およびその他のパラメーター）を保存することです。 キューにある最初の1つを取得してコントラクトを呼び出すことは、一定時間（システムに登録されているコントラクトの数に関係なく）行う必要があります。

最小のガス消費で、アルゴリズムの選択の必要性の開発における追加の困難。 たとえば、アルゴリズムの複雑さを超えるソリューションを適用することはできません $$$O（ln（n））$。 ガスのコストに加えて、ガスの数にはまだ制限があります。 たとえば、複雑なアルゴリズムを使用して次の要素を検索する場合 $$$O（n / 2）$、各要素の検索には50,000個のガスが必要になります。185個の要素を追加すると、契約では検索できなくなります（現在のトランザクションあたり4,600,000個のガス制限）。

解決策

この章では、Jouleシステムに含まれる主要な技術ソリューションについて説明します。

レコード構造

状態（残高を除く）を保存するために、契約はKey-Valueストレージにアクセスできます。 リポジトリのキーには、任意の256ビット数を使用できます。 実際、保存する前に、EVMはkeccak（sha-3）アルゴリズムを使用してキーチェックサムを計算します。 値は256ビットの数値でもあります（コンパイラーは、オフセットパラメーターをキーに追加することにより、値をより大きな状態にすることができます）。 したがって、コントラクトはそれぞれ256ビットの2 ^ 256個の一意の値を格納できます。これは、ニーズよりも桁違いに大きくなります。

キー値ストレージは、2 ^ 256次元のランダムアクセスメモリ領域と見なすことができます。 この場合、キーはメモリロケーションへの参照です。 コール登録を保存するために必要なデータ構造は、契約の住所、契約コールの時間、契約をコールするのに必要なガスの量、およびガスコストのフィールドで構成されます。 このデータはすべて256ビット（32バイト）に収まります。

制限事項

このデータストレージ構造を使用して、いくつかの制限を受け入れる必要があります。

• アドレス -20バイト（Ethereumネットワークアドレス）。
• タイムスタンプ -4バイト、標準Unix時間値、1970-01-01 00:00:00から2106-02-07T09まで有効：28:15（符号なしの値の場合）。 簡単に言えば-最大登録期間は2106です。 将来、この値は、ガス値のフィールドから余分なバイトを使用するため、6812に増やすことができます。
• ガス -4バイトですが、実際にはネットワークでは、4,600,000を超えないガスで1つのトランザクションを実行できます。 ジュールシステムを運用するためのガスコストを考えると、契約が呼び出された時点で、1契約あたり400万のガスの制限が現在規定されています。 もちろん、ジュールの動作には600,000のガスは必要ありませんが、平均で50,000のガスで十分です。
• ガス価格 -4バイト。 登録時のガスの推定コスト。 この値はgwei（10 ^ 9 wei）に格納されるため、最小サイズは0.000000001エーテルで、最大サイズは4.294967296エーテルです。

レコードチェーンストレージ

スマートコントラクトは、データセットを格納するための2つの構造をサポートします。インデックスによるアクセスを持つ配列と、キーによるアクセスを持つマッピングです。 ただし、実際には配列はマッピングとして格納されます。キーはインデックスであり、アクセス速度に利点はありません。 さらに、配列の中央に要素を挿入するには、すべての要素をシフトする必要があり、これには許容できない量のガスが必要になる場合があります。 したがって、リンクリストに基づくソリューションは、このタスクにより適しています。

リストを比率で保存するために、次のテクノロジーが使用されます。レコード値（32バイト）は、次の値へのキー（または、C ++言語との類似性を引き出す場合のリンク）と見なされます。



左の画像は、登録レコードRとキー取得機能を示しています $$$K（R）= R$値のチェーンの形で。 右側には、テーブル形式のキーと値のストレージがあります。 値が見られます $$$K_0$次の値への唯一のキーであるという事実のために失われます。 契約では、比率からキーを読み取る方法はありません。 これを行うために、テーブルにはヌルエントリ（ヘッド）が含まれています。これは常にチェーンの先頭の値を示します。

チェーン内のエントリの順序は時系列の逆で、呼び出される次の契約を即座に受け取ります。 同じ登録時刻が追加順に次々と並べられます。

索引

登録のリストをソート順に維持するには、日付に従ってエントリを挿入する必要があります。 新しい値を挿入する場所の検索を高速化するために、ツリーベースのインデックスが開発されました。



このアプローチでは、ツリー内の要素を検索すると、dev内の要素の数に依存しない一定の値の複雑さが得られます $$$O（1）$。 より悪いシナリオがあり、現在の実装では168回の検索です。 ツリーのバランスは、レベルと要因の数を変更することで選択できます。

前のレベルと同様の最後のレベルには、最大タイムスタンプと最小タイムスタンプの値が含まれます。

配置とコンポーネント

ブロックチェーン内の契約のコードは変更できません。 そして、変更の場合には、契約の新しいバージョンを配置する必要があります。 同時に、データ（状態）は古いバージョンから転送する必要があります。 接触状態は外部からアクセスできないため、これは必ずしも簡単ではありません。 また、契約に最初に状態にアクセスする機能がない場合、転送はほとんど不可能になります。 州と同様に、事前に準備された機能がなければ、契約からの資金を移すことはできません。

これらの問題を解決するために、 Joule契約はいくつかの個別の契約に分割されています。



Jouleエコシステムは、次の契約で構成されています。

• Joule-契約の登録と呼び出しの主要なロジックを実装する契約
• プロキシ-Jouleの機能にアクセスするための、フロントコントローラーの機能との契約。 プロキシは登録、呼び出しを受け入れ、登録された契約からの呼び出しはそのアドレスから発信されます。 ユーザー側のJouleとの対話は（ユーザーの役割に関係なく） Proxyを介して行われます。
• Vault-呼び出しを補償するための資金のリポジトリ。
• 登録 - 登録を含む一連のレコードを保存する契約。
• インデックス -新しい契約を挿入するレジスタ内の場所をすばやく見つけるための契約。
• 状態 -基本的なストレージ機能を実装する契約。 インデックスおよび登録契約で使用されます 。

このアーキテクチャにより、データを失うことなくJouleロジックを変更できます。 データを転送またはコピーする必要はありません。 資金を転送するメカニズムを作成する必要はありません（ハッカー攻撃に対して脆弱である可能性があります）。

プロキシコントラクトを使用すると、外部開発者向けのJouleシステムとの統合が簡単になります。 Jouleで変更が発生した場合、契約の住所を変更する必要はありません。 登録された契約で、呼び出しがJouleからのものであることを確認する方が簡単です。

使用する

このパートでは、結果のシステムの使用方法について説明します。

マイニング

アドレスを持ち、電話をかけるのに十分な資金を持つネットワークユーザーは、 Jouleで資金を増やすことができます。

これを行うには、適切なタイミングでJoule （ invokeまたはinvokeOnceメソッド ）を呼び出してトランザクションを作成するだけで十分です。 トランザクション中に、 Jouleは 、契約の登録時に予約された呼び出し元に報酬を転送します。

呼び出しが行われるべき瞬間は、 getTopメソッドを使用して簡単に決定できます。 このメソッドは、 ジュールのキューの現在の状態を返します：最も近いコールの時間、最小ガス、各契約の報酬額、およびその他の値。

マイナーによって示されるトランザクションごとのガスの量は、最も近い契約のinvokeGasフィールドで指定された値以上でなければなりません。 ガスは予備で割り当てることができます-未使用のガスは返還されます（資金は引き落とされません）。 実行キューに呼び出しの準備ができているいくつかのコントラクトがある場合があります。 この場合、すべての契約のガスの合計に等しいガスを設定することをお勧めします。 次に（ invokeメソッドの場合）、1つのトランザクションで複数のコントラクトが呼び出され、マイナーはそれぞれの報酬を受け取ります。

契約を登録するときに、開発者はガスのコストの推定値を設定します（ただし、少なくとも指定された値以上）。 電話をかけるには、鉱夫はそのようなガスの値を選択して、トランザクションが他のトランザクション（存在する場合）よりも速く通過するようにしますが、報酬の金額よりも高くはありません。 ガスコストの値と報酬の量は、 getTopメソッドを使用して見つけることができます。

コールが成功した場合、 JouleはInvokedイベントを公開します。これにより、成功したすべてのコールを検索し、報酬の正確な金額を確認できます。

契約の登録

何らかの目的で、指定された時間に契約の呼び出しを受信する必要がある場合、この問題の最善の解決策はJouleです。

特定の時間の契約呼び出しを登録するには、次のパラメーターを指定してregisterメソッドを呼び出す必要があります。

• 住所 -呼び出される契約の住所。
• タイムスタンプ -呼び出しが行われるUNIXタイムスタンプ形式の時点。 Jouleは、この時点までに呼び出しが行われないことを保証するだけであることを理解することが重要です。
• GasLimit-コールに提供される最大ガス値。 値にマージンを指定することをお勧めします。そうすることで、ガスが不足して契約の呼び出しがエラーで終了することはありません。
• GasPrice-契約を呼び出すためのガスの推定コスト。

トランザクションでは、 登録コールとともに、コールに報いるために金額をエーテルで転送する必要があります。 正確な金額は、 getPriceメソッドを使用して見つけることができます。 超過額が送金された場合、残高は発呼者に返還されます。

コントラクトはcheckメソッドを実装する必要があります。 時期尚早の呼び出しが契約のロジックに違反したり、脆弱性を作成したりする可能性がある場合は、呼び出しがJouleからのものであることを確認する必要があります。 契約がすでにオンラインであり、 チェックメソッドを追加する方法がない場合、目的のメソッドを実装し、ターゲットコントラクトを呼び出す中間コントラクトを使用できます。 次に、 Jouleに登録するときに、中間契約の住所を示す必要があります。

登録が成功した場合、 Jouleは登録済みイベントを公開します。これにより、すべての登録を確認できます。

両方のタイプの相互作用は、 Ethereumネットワーククライアントを介して、 ParityまたはGeth（Mist）などのコントラクトを使用して直接実装できます。

また、便宜上、 JouleにはWebインターフェイスがあり、 メタマスクなどの拡張機能がインストールされたブラウザーのみを使用して、 MEWを介して電話をかけたり契約を登録したりできます。

おわりに

その結果、スマートコントラクトのプラットフォーム制限を回避できるソリューションになります。ユーザーの直接参加なしに、指定された時間にコントラクトを呼び出すことができます。

Jouleコードはgithubで入手できます。