Moteur Grand Âge WASM : vers un nouveau paradigme des contrats intelligents et des interactions inter-chaînes
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Moteur Grand Âge WASM : vers un nouveau paradigme des contrats intelligents et des interactions inter-chaînes
La portabilité et les hautes performances de Wasm en font une technologie clé dans le domaine de la blockchain.
Dédié à des analyses Web3 approfondiesAuteur : Mike@Foresight Ventures
TL;DR
WebAssembly (abrégé Wasm) est un format d'instructions binaire portable et haute performance pouvant s'exécuter dans les navigateurs Web. Conçu comme une cible de compilation universelle, il supporte plusieurs langages de programmation et fonctionne sur différentes plateformes.
La blockchain est une technologie de registre distribué décentralisée qui garantit la sécurité et la fiabilité des données grâce à la cryptographie et aux algorithmes de consensus. Elle permet d'enregistrer des transactions, de stocker des données et d'exécuter des contrats intelligents.
Des liens et cas d'utilisation existent entre Wasm et la blockchain :
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Contrats intelligents : Wasm peut servir d’environnement d’exécution pour les contrats intelligents, permettant leur fonctionnement sur diverses plateformes blockchain. Grâce à ses performances élevées et sa portabilité, Wasm rend l’exécution des contrats plus efficace et multiplateforme.
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Interopérabilité inter-chaînes : Wasm permet d’implémenter des interactions inter-chaînes. En compilant la logique de différentes blockchains en code Wasm, il devient possible d’exécuter une même logique sur plusieurs chaînes, assurant ainsi le transfert et l’échange de données entre elles.
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Calcul hors chaîne : Wasm peut effectuer des calculs en dehors de la blockchain, puis soumettre les résultats obtenus au réseau. Cela permet d’améliorer l’efficacité et la flexibilité du calcul tout en conservant la sécurité et la vérifiabilité des données.
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Confidentialité des données : Wasm peut protéger la confidentialité des données sur la blockchain. En compilant la logique de traitement des données sensibles en code Wasm et en l’exécutant sur la chaîne, on préserve la vie privée tout en garantissant la vérifiabilité des calculs.
En résumé, Wasm et la blockchain peuvent se combiner pour offrir des applications et services blockchain plus efficaces, sécurisés et flexibles. La portabilité et les hautes performances de Wasm en font une technologie clé dans ce domaine.
I. Qu'est-ce que WebAssembly ?
WebAssembly, développé par le W3C (World Wide Web Consortium), est une norme légère et efficace pour un ensemble d'instructions considérée comme une révolution pour le Web et les hautes performances, prenant en charge l'exécution multi-navigateurs. Cela signifie que différents langages de programmation tels que C/C++, Go ou Rust peuvent être compilés vers un format binaire standardisé, servant ainsi de remplaçant au JavaScript avec une efficacité proche du code natif dans les navigateurs.
WebAssembly, ou WASM pour faire court, est sécurisé en mémoire et indépendant de la plateforme, capable de se mapper efficacement sur tous types d'architectures processeur, offrant les avantages suivants :
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Efficacité : WASM dispose d’un ensemble complet de fonctionnalités linguistiques. En réalité, WASM est un format binaire compact et rapide à charger, dont l’objectif est d’exploiter pleinement les capacités matérielles afin d’atteindre une efficacité comparable à celle du code natif.
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Sécurité : WASM s’exécute dans un environnement isolé et sécurisé sur le plan mémoire, pouvant même être implémenté au sein des machines virtuelles JavaScript existantes. Dans un contexte Web, WASM respecte strictement la politique de même origine (same-origin policy) et les politiques de sécurité du navigateur. Lors de la compilation, l’interface de WASM est limitée ; la majorité des applications WASM ne peuvent pas accéder au réseau (car les sockets ne sont pas prises en charge), et seul un accès à une base de données locale est actuellement disponible. De nombreux problèmes de sécurité proviennent des accès mémoire lors de l’exécution, or WASM permet d’éviter ces accès illégaux dès la phase de compilation.
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Compatibilité : WASM a été conçu pour être sans version, testable en fonction des fonctionnalités disponibles, et rétrocompatible. Il peut être appelé par JavaScript, intégrer le contexte JavaScript, et appeler les fonctionnalités du navigateur comme n’importe quelle API Web. WASM peut non seulement fonctionner dans les navigateurs, mais aussi dans des environnements non-Web (tels que Node.js, Deno ou les objets connectés). Contrairement aux méthodes traditionnelles nécessitant plusieurs compilations, WASM ne requiert qu’une seule compilation pour fonctionner immédiatement — « plug-and-play ».
De plus : le Web est la seule véritable plateforme universelle permettant d’accéder à votre application depuis n’importe quel appareil. Cela vous permet également de maintenir un unique dépôt de code, simplifiant les mises à jour et garantissant l’accès à tous les utilisateurs. WASM prend en charge les opérations entières 64 bits et 32 bits, correspondant directement aux instructions processeur. En supprimant les opérations à virgule flottante, il permet facilement d’obtenir une exécution déterministe, essentielle pour les algorithmes de consensus. Soutenu par l’infrastructure LLVM, WASM bénéficie des plus de dix ans d’optimisations apportées aux compilateurs LLVM. Développé activement par de grandes entreprises telles que Google, Apple, Microsoft, Mozilla et Meta, WASM est pris en charge au niveau du backend de leurs navigateurs respectifs.
La beauté de WASM réside dans son caractère magique : il peut s’exécuter partout, sans téléchargement ni installation, étant donné qu’il s’agit d’un format binaire. Un simple clic suffit à exécuter instantanément une application Web quand nécessaire. Il est plus sûr que le téléchargement et l’exécution directe d’un fichier binaire, car le navigateur intègre des mécanismes de sécurité empêchant tout code exécuté d’endommager votre système. Partager une application Web est tout aussi simple : les liens sont des chaînes cliquables pouvant être insérées n’importe où.
II. Pourquoi avons-nous besoin de WebAssembly ?
2.1 Web2
Grâce aux fonctionnalités intégrées des navigateurs et à l'interactivité offerte par le Web, celui-ci est passé d'un contenu statique hypertexte accompagné de petits scripts à une plateforme puissante et populaire, riche en applications impressionnantes. Toutefois, jusqu’à présent, les applications Web reposent principalement sur un même langage script (JavaScript), alors que ce dernier n’a jamais été initialement conçu pour remplir ces fonctions.
JavaScript était à l’origine un langage script simple destiné à ajouter une certaine interactivité aux pages Web, composées principalement de documents hypertextes légers. Il a été conçu pour être facile à apprendre et à écrire, sans viser particulièrement la rapidité d’exécution. Au fil des années, d’importantes améliorations des performances de l’analyse JavaScript dans les navigateurs ont permis des gains significatifs.
À mesure que JavaScript s’est accéléré, les possibilités d’exécution dans le navigateur se sont considérablement étendues. De nouvelles API ont permis l’apparition de graphismes interactifs, du streaming vidéo, de la navigation hors ligne, etc. Parallèlement, de plus en plus d’applications, autrefois limitées aux applications locales, ont migré vers le Web. Aujourd’hui, vous pouvez aisément modifier des documents ou envoyer des e-mails directement depuis votre navigateur. Toutefois, dans certains domaines, les performances de JavaScript restent un problème. Pensez aux logiciels que vous utilisez en dehors du navigateur : jeux, montage vidéo, rendu 3D ou production musicale. Ces applications exigent des calculs intensifs et des performances élevées. JavaScript peine à répondre à ces exigences.
Toutefois, remplacer complètement JavaScript n’est guère réaliste, et cela pourrait prendre des décennies, car tout l’internet en dépend. De plus, un grand nombre de personnes continuent activement à améliorer JavaScript. Certes, comparé à d’autres langages, JavaScript présente quelques faiblesses, notamment concernant null et ==, mais ces défauts ne justifient pas de remplacer toute la technologie.
Ainsi, WebAssembly ne remplacera pas JavaScript, mais cela ne signifie pas qu’il ne sera pas utilisé à l’avenir. En réalité, l’utilisation de WASM va s’étendre de plus en plus. Car WASM peut offrir une puissance de calcul importante aux pages Web, par exemple pour le traitement d’images ou les jeux. Avec WASM, on pourrait créer une version Web de Photoshop fonctionnant parfaitement, ou un jeu 3D dans le navigateur capable de tourner à 60 images par seconde voire plus. Les jeux sont particulièrement exigeants, car ils doivent simultanément gérer le traitement audio et vidéo, coordonner des effets physiques et de l’IA. La capacité de WASM à exécuter efficacement des jeux dans le navigateur ouvre la porte à de nombreuses autres applications.
L'image ci-dessus illustre la comparaison entre les flux de travail JavaScript et WASM, montrant que WASM est bien plus simple que JavaScript.
2.2 Web3
Machine virtuelle WASM
Dès 2018, l'écosystème Ethereum a commencé à discuter de l'utilisation d'une machine virtuelle WASM pour les contrats intelligents, estimant ses performances supérieures à celles de l'EVM. Gavin Wood, créateur de l'EVM, a affirmé la faisabilité du remplacement de l'EVM par WASM, et Vitalik a indiqué qu'Ethereum 2.0 serait mis à niveau vers des contrats Wasm (eWASM) afin de répondre à davantage de besoins de développement. Aujourd'hui, le développement des contrats Wasm a déjà pris forme.
2.3 Comment l'EVM a-t-elle été conçue ? Pourquoi est-elle inefficace ?
Architecture surdimensionnée
Les ordinateurs classiques disposent d’un jeu d’instructions acceptant uniquement des entrées de 32 ou 64 bits. L’EVM est différente et particulière : c’est un ordinateur 256 bits, conçu intentionnellement pour manipuler plus facilement les algorithmes de hachage d’Ethereum, qui produisent explicitement des sorties de 256 bits.
Cependant, les ordinateurs réels exécutant les programmes EVM doivent diviser les mots de 256 bits selon leur architecture native pour exécuter les contrats intelligents, rendant ainsi tout le système très inefficace et peu pratique.
En outre, si vous souhaitez implémenter un algorithme complexe comme SHA256 à l’aide des OPCODES basiques d’Ethereum, bonne chance ! Pour résoudre le problème élevé du coût en gas induit par l’exécution de programmes complexes via le jeu d’instructions, Ethereum a introduit le concept de précompilations, en intégrant directement les programmes dans l’EVM contre une consommation fixe de gas. Une précompilation notable est l’algorithme de hachage d’Ethereum lui-même, car son implémentation dans la machine virtuelle entraînerait des frais extrêmement élevés lors des appels de contrat.
Bloated precompiles
Le problème des précompilations est qu’elles augmentent constamment la lourdeur et la complexité de la machine virtuelle, sans régler le problème fondamental : la conception inefficace et grossière du jeu d’instructions et des spécifications actuels.
Et si nous pouvions définir une nouvelle spécification et un nouveau jeu d’instructions capables d’implémenter efficacement ces programmes complexes sans recourir à des précompilations, simplement via des instructions de base ? C’est ici que WASM intervient.
2.4 Comparaison entre EVM et machine virtuelle WASM
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Vitesse : WASM vise à fournir une vitesse d’exécution supérieure à celle de l’EVM. L’EVM peut rencontrer des problèmes d’efficacité lors de la compilation et de l’exécution des contrats intelligents, tandis que WASM améliore la vitesse de chargement et les capacités de traitement en convertissant directement le code compilé.
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Précompilations : L’EVM dépend des contrats précompilés pour exécuter efficacement les calculs cryptographiques, mais cela peut entraîner des risques de hard fork. WASM élimine cette dépendance, permettant aux développeurs de créer des contrats intelligents efficaces et rapides.
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Frais de transaction : une machine virtuelle Wasm plus rapide permettrait une augmentation massive du débit transactionnel, réduisant ainsi fortement les coûts de déploiement de contrats et les frais de transaction. On peut dire que les contrats Wasm résolvent efficacement les problèmes actuels d’Ethereum liés aux frais élevés et à la congestion des transactions.
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Flexibilité et interopérabilité : Wasm élargit la gamme de langages disponibles aux développeurs de contrats intelligents, en supportant tout langage haut niveau compatible WASM (comme Rust, C++, JavaScript, etc.) pour écrire une logique métier complexe. Cela signifie que vous pouvez écrire des contrats intelligents dans le langage que vous maîtrisez, y compris ink! basé sur Rust, ou Ask! basé sur AssemblyScript.
L’équipe EWASM travaille à l’intégration de WebAssembly dans Ethereum, afin de rendre la couche d’exécution plus efficace et plus simple, adaptée à une plateforme de calcul entièrement décentralisée. WASM a déjà été adopté comme standard par de nombreux autres projets, dont Dfinity et EOS, qui l’utilisent pour renforcer leur couche d’exécution.
2.5 Stylus (Arbitrum)
Le projet Stylus, sur le réseau de deuxième couche Arbitrum d’Ethereum, introduit une machine virtuelle WebAssembly (WASM) pour améliorer les performances d’exécution des contrats intelligents. Les contrats peuvent s’exécuter plus rapidement que ceux en Solidity, tout en réduisant les coûts en gaz. Cela facilite la création de contrats intelligents hautes performances sur le réseau Arbitrum, avec prise en charge actuelle des compilations C, C++ et Rust.
Support des précompilations personnalisées : Stylus prend également en charge les précompilations personnalisées (precompiles), permettant aux développeurs de déployer leurs propres modules précompilés en Rust ou C++ sur le réseau Arbitrum. Cela permet d’introduire de nouveaux algorithmes cryptographiques ou fonctionnalités spécifiques directement sur la chaîne, sans attendre une mise à jour protocolaire. Par exemple, une précompilation pour le calcul tensoriel pourrait réduire le coût de l’inférence, utile pour le machine learning sur chaîne.
Interopérabilité avec l’EVM : Stylus assure l’intégration avec l’écosystème Ethereum existant grâce à son interopérabilité avec la machine virtuelle Ethereum (EVM). Cela signifie que les contrats Stylus peuvent interagir avec les contrats EVM existants et partager le même état global.
Fonction de réentrance (Reentrancy) : contrairement à CosmWasm, le SDK Rust de Stylus introduit la fonctionnalité de réentrance, que les développeurs peuvent activer manuellement. Cela rend les contrats plus flexibles dans leurs interactions, mais exige une gestion prudente de l’état pour garantir la sécurité.
Étant donné l’essor de l’écosystème Arbitrum, Stylus constitue probablement l’intégration WASM la plus significative à ce jour, renforçant aussi la compétitivité d’Arbitrum dans le domaine des zkRollups.
2.6 Gear (Polkadot)
Le protocole Gear développe une technologie pouvant être déployée sous forme de parachain Polkadot, servant d’outil pour héberger des contrats intelligents. Comme Polkadot, Gear utilise le framework Substrate. Cela simplifie la création de blockchains dédiées à des applications spécifiques. Substrate fournit de nombreuses fonctionnalités prêtes à l’emploi, permettant aux développeurs de se concentrer sur la création de moteurs personnalisés au-dessus du protocole.
Autrefois, le coût de lancement d’une blockchain était élevé, mais Gear permet aux développeurs d’applications décentralisées de se concentrer sur leur projet plutôt que de construire et gérer une blockchain complète depuis zéro.
Le moteur principal du protocole Gear est le module de contrat intelligent. Dans ce cas, tout contrat intelligent est un programme WebAssembly compilé à partir de différents langages (comme Rust, C, C++, etc.). Pour les développeurs extérieurs au monde crypto, le seuil d’entrée est bas, car ils peuvent construire des contrats intelligents dans un environnement familier. Cela rend l’exploration des langages de programmation de contrats plus accessible.
L’architecture des contrats intelligents de Gear repose sous le capot sur le modèle d’acteurs (actor model), offrant les fonctionnalités suivantes :
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mémoire persistante pour les programmes immuables
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traitement asynchrone des messages
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une surface API minimale, intuitive et suffisante pour le contexte blockchain
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un modèle d’agent de communication entre composants sur chaîne offrant une meilleure composable, une compatibilité accrue avec l’exécution parallèle et le sharding.
Chaque programme dispose d'une quantité fixe de mémoire, que Gear permet de contrôler. Un programme ne peut lire ou écrire que dans sa propre mémoire, sans accéder à l’espace mémoire d’un autre programme. Chaque programme possède un espace mémoire indépendant, permettant un traitement parallèle des informations sur les nœuds Gear.
2.7 CosmWasm (Cosmos)
CosmWasm est une plateforme moderne et puissante de contrats intelligents basée sur Wasm, facilement intégrable dans Cosmos-SDK. Cela illustre l’un des principaux atouts de CosmWasm : les contrats écrits avec CosmWasm sont nativement intégrés au protocole IBC (Inter-Blockchain Communication), permettant aux développeurs et utilisateurs d’accéder à un futur multi-chaînes. Actuellement, seul Rust est supporté.
Avantages de CosmWasm
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Sécurité : utilisation du langage Rust pour améliorer la sécurité des contrats intelligents.
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Interopérabilité inter-chaînes : prise en charge du protocole IBC (Inter-Blockchain Communication) dans l’écosystème Cosmos.
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Performance : comparé à l’EVM traditionnelle (machine virtuelle Ethereum), CosmWasm démontre dans certains cas une efficacité supérieure et des frais de transaction plus bas.
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Convivialité pour les développeurs : les caractéristiques de sécurité de type et de mémoire de Rust permettent de réduire certains types d’erreurs dans les contrats intelligents.
Défis et limites
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Courbe d’apprentissage : comparé à des langages plus courants comme Solidity, Rust peut présenter une courbe d’apprentissage plus abrupte pour les débutants. CosmWASM doit supporter davantage de langages compilés pour espérer une adoption massive.
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Écosystème et outils : bien qu’en croissance, l’écosystème et les outils de développement de CosmWasm restent encore limités par rapport à des plateformes matures comme Ethereum.
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Part de marché et notoriété : dans le domaine des plateformes de contrats intelligents, CosmWasm reste moins connue qu’Ethereum ou Binance Smart Chain, ce qui limite sa capacité à attirer développeurs et utilisateurs.
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Défis de maintenance et de mise à jour : bien que CosmWasm offre la possibilité de mettre à jour les contrats, la gestion de la maintenance et des mises à jour reste complexe et doit être soigneusement traitée pour éviter les failles de sécurité.
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Problèmes de compatibilité : pour les projets habitués à l’EVM ou d'autres environnements de contrats intelligents, la migration vers CosmWasm peut poser des difficultés de compatibilité.
2.8 ZK-WASM
Outre la machine virtuelle WASM, une technologie émergente récente, ZKWASM, a été inventée par Delphinus Labs, qui a publié le code de ZK-WASM sur GitHub. ZKWASM permet aux développeurs de vérifier la correction d’un calcul déjà exécuté sans avoir à le réexécuter. En exploitant ZKWASM, les développeurs peuvent utiliser librement divers langages de programmation pour créer des applications ZKP. Ces applications peuvent s’exécuter sans heurts dans les navigateurs Web.
Le concept de ZKWASM découle de ZKSNARK, un hybride de SNARG et de preuve à connaissance nulle. Habituellement, pour utiliser ZKSNARK, il faut écrire un programme dans un langage de circuit arithmétique ou un langage adapté aux circuits, comme Pinocchio, TinyRAM, Buffet/Pequin, Geppetto, xJsnark, ZoKrates, etc. Cela crée une barrière pour les programmes existants, les empêchant d’utiliser pleinement ZKSNARK. Mais il existe une autre approche : utiliser ZKSNARK non pas au niveau du code source, mais au niveau du bytecode de la machine virtuelle, puis implémenter une machine virtuelle compatible ZKSNARK. Delphinus Labs a choisi cette dernière méthode, en intégrant l’ensemble de la machine virtuelle WASM dans un circuit ZKSNARK. Ainsi, les applications WASM existantes peuvent s’exécuter directement sur ZKWASM sans modification. Les fournisseurs de cloud peuvent donc prouver à tout utilisateur que les résultats de calcul ont été obtenus honnêtement, sans divulguer d’informations privées.
ZKWASM offre divers cas d’usage, par exemple générer des preuves ZK pour certaines opérations dans le navigateur et les envoyer sur la blockchain, rendant ainsi les actions web vérifiables sur la chaîne. Autres exemples : oracles, calcul hors chaîne, automatisation, pont entre Web2 et Web3, génération de preuves pour le machine learning et le traitement de données, jeux et applications sociales. À mesure que son adoption croît, zkWASM étendra les possibilités du Web3 et intégrera davantage de développeurs Web2 dans ce paysage transformatif.
Grâce à l’implémentation de ZKWASM par Delphinus Lab, les développeurs peuvent exploiter la puissance des preuves à connaissance nulle pour renforcer la sécurité et la confidentialité de leurs applications, ouvrant la voie à un écosystème numérique plus fiable et décentralisé.
III. Conclusion
L’avenir des performances Web et de la couche d’exécution des plateformes de contrats intelligents est prometteur. Non seulement les dApps bénéficieront de meilleures performances, mais l’intégration de WASM rendra le développement de contrats intelligents plus accessible aux développeurs familiers avec des langages robustes comme Rust ou Go, sans qu’ils aient besoin d’apprendre en détail Solidity ou d’autres langages spécifiques à la blockchain pour développer des applications utiles sur Ethereum. Selon Evans Data Corporation, il existe près de 27 millions de développeurs dans le monde. Ce chiffre augmente régulièrement — d’environ 3 % l’an dernier — et devrait dépasser 28,7 millions en 2024. En revanche, les développeurs actifs sur blockchain sont inférieurs à 30 000, soit environ un millième du total. Bien que ce nombre progresse, l’apprentissage d’un nouveau langage de contrat intelligent reste un obstacle à l’entrée dans la blockchain.
Mais de plus en plus de blockchains commencent à supporter WebAssembly comme bytecode pour les contrats intelligents compilés. WASM apporte à la blockchain bien plus que de l’efficacité, de l’interopérabilité et des scénarios d’usage étendus : c’est une clé libératrice pour les développeurs, abaissant le seuil d’entrée dans la blockchain. Imaginez un avenir proche où les développeurs Web2 souhaitant explorer la blockchain pourront utiliser leurs langages familiers — Python, C++, JavaScript — pour développer de grandes applications sur chaîne, maximisant ainsi la valeur du réseau décentralisé. Abaisser d’abord la barrière pour les créateurs (développeurs), puis pour les utilisateurs, c’est le chemin vers l’adoption massive.
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