결함 증명 VM: MIPS64.sol

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32비트에서 64비트로

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제어 흐름

• Pre-image에는 L1과 L2의 데이터가 모두 포함되며, 여기에는 블록 헤더, 트랜잭션, receipt, world state 노드 등의 정보가 들어 있습니다. Pre-image는 실제 L2 상태를 계산하는 derivation 프로세스의 입력으로 사용되며, 이렇게 계산된 실제 L2 상태는 분쟁 게임을 해결하는 데 사용됩니다.
• 상위 수준에서 보면, Fault Dispute Game은 현재 합의된 L2 상태가 무엇인지 효과적으로 판단하고, 처음으로 합의되지 않은 상태를 찾을 때까지 L2 상태를 따라 이동합니다. Pre-image가 어떻게 결정되고 PreimageOracle.sol 컨트랙트에 채워지는지는 MIPS64.sol 컨트랙트에 대한 이 레퍼런스 문서의 범위를 벗어납니다. 이 컨트랙트는 오프체인 Cannon 구현이 이미 채워 놓은 Pre-image를 소비하기만 하기 때문입니다.

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컨트랙트 상태

• 패킹된 VM 실행 상태
• 스레드 상태 witness
• 메모리 증명
• Pre-image

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패킹된 VM 실행 상태

1. memRoot - MIPS VM의 단일 64비트 메모리 공간을 나타내는 이진 merkle 트리의 merkle root 해시입니다.
2. preimageKey - PreimageOracle.sol 컨트랙트에서 읽을 Pre-image 데이터(해당하는 경우)를 고유하게 식별하는 키입니다.
3. preimageOffset - oracle에서 Pre-image를 읽을 때마다 최대 32바이트가 반환되지만, 64비트 MIPS의 word 크기는 8바이트입니다. 따라서 read syscall 중에는 Pre-image에서 최대 8바이트만 읽습니다. preimageOffset은 읽고 있는 Pre-image 내의 오프셋 역할을 하여, 명령어가 한 번에 최대 8바이트씩 Pre-image를 계속 읽을 수 있게 합니다.
4. heap - mmap syscall로 반환된 가장 최근 메모리 할당을 가리키는 포인터입니다.
5. llReservationStatus - 현재 Load Linked / Store Conditional 메모리 예약의 상태입니다. 예약이 없으면 0, 32비트(ll/sc) 예약이면 1, 64비트(lld/scd) 예약이면 2입니다.
6. llAddress - 마지막 ll 또는 lld 명령어가 예약한 가상 주소이며, 활성 예약이 없으면 0입니다.
7. llOwnerThread - 현재 메모리 예약을 소유한 스레드의 id이며, 활성 예약이 없으면 0입니다.
8. exitCode - VM의 UNIX 종료 상태 코드를 나타내는 uint8 값입니다.
9. exited - VM이 종료되었는지 여부를 나타내는 Boolean입니다.
10. step - 실행된 명령어의 총 개수를 셉니다.
11. stepsSinceLastContextSwitch - 마지막 컨텍스트 전환 이후 현재 스레드에서 실행된 명령어 수를 세며, 스케줄링 quantum 이후 스레드 선점을 강제하는 데 사용됩니다.
12. traverseRight - VM이 현재 오른쪽 스레드 스택을 순회하고 있는지 여부를 나타내는 Boolean입니다(아래 참고).
13. leftThreadStack - 왼쪽 스레드 스택 내용에 대한 해시 커밋먼트입니다.
14. rightThreadStack - 오른쪽 스레드 스택 내용에 대한 해시 커밋먼트입니다.
15. nextThreadID - clone syscall로 생성되는 다음 스레드에 할당할 id입니다.

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스레드 상태와 스레드 스택

1. threadID - 고유한 스레드 식별자입니다.
2. exitCode - 스레드의 종료 상태 코드입니다.
3. exited - 스레드가 종료되었는지 여부를 나타내는 Boolean입니다.
4. pc - 프로그램 카운터로, 온체인에서 실행할 MIPS 명령어가 들어 있는 메모리 위치를 가리킵니다.
5. nextPC - 다음 프로그램 카운터입니다. branch 또는 jump 명령어의 경우 다음 명령어가 pc + 4가 아닐 수 있습니다. nextPC는 사실상 MIPS ISA의 branch delay slot을 구현합니다.
6. lo - 특정 곱셈 및 나눗셈 명령어(또는 이 레지스터에 저장하는 특수 move 명령어)의 하위 비트를 저장하는 특수 목적 레지스터입니다.
7. hi - 특정 곱셈 및 나눗셈 명령어(또는 이 레지스터에 저장하는 특수 move 명령어)의 상위 비트를 저장하는 특수 목적 레지스터입니다.
8. registers - MIPS ISA의 범용 레지스터를 나타내는 32개의 64비트 값 배열입니다.

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상태 해시

• Valid (0)
• Invalid (1)
• Panic (2) 또는
• Unfinished (3)

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메모리 증명

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상태 계산

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함수

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oracle

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stateVersion

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step

1. stateData 변수를 검증하고 (메모리 내) VM 실행 State struct로 언패킹한 다음, 스레드 witness를 언패킹하여 활성 스레드 스택 커밋먼트와 대조해 검증합니다.
2. 활성 스레드가 종료된 경우 스레드 스택에서 pop하고, 스케줄링 quantum을 초과한 경우 스레드를 선점합니다. 두 경우 모두 명령어를 실행하지 않고 step을 소비합니다.
3. 그렇지 않으면, 첫 번째 메모리 증명을 사용하여 활성 스레드의 프로그램 카운터(pc)에 위치한 명령어를 읽습니다.
4. MIPS 명세에 따라 MIPS 명령어를 해석하고 실행하며, syscall과 Load Linked / Store Conditional 명령어는 전용 handler로 디스패치합니다.
5. 결과를 레지스터 또는 메모리에 쓰고(해당하는 경우), 스레드 스택에서 활성 스레드의 커밋먼트를 업데이트한 후, 새 상태 해시를 반환합니다.

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handleSyscall

• Pre-image 통신: read 및 write(아래에서 설명).
• 메모리 관리: mmap(고정된 heap 한도 내에서 heap 포인터로부터 bump 할당) 및 brk(고정된 program break 반환).
• 스레드 관리: clone(메모리는 공유하지만 자체 스택 포인터와 레지스터를 가진 새 스레드 생성), exit(현재 스레드 종료. 마지막 스레드인 경우 VM 종료), exit_group(VM 종료), gettid, sched_yield 및 nanosleep(현재 스레드 양보), 그리고 스레드 동기화에 사용되는 futex wait/wake 작업.
• 기타: fcntl(파일 디스크립터 플래그만), clock_gettime(step 카운터로부터 결정론적 clock 도출), getpid, getrandom(step 카운터로부터 도출한 결정론적 의사 난수 바이트로 메모리를 채움), eventfd2(non-blocking 모드만).

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syscall read

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syscall write

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handleRMWOps

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스레드 스택 관리

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outputState

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명령어 실행: MIPS64Instructions.sol

• getInstructionDetails(2783f688 기준)는 첫 번째 메모리 증명을 사용하여 pc에 있는 32비트 명령어(MIPS64에서도 명령어 폭은 4바이트로 유지됨)를 읽고 opcode와 function 필드를 분리합니다.
• execMipsCoreStepLogic(2783f688 기준)은 레지스터 피연산자를 가져오고, jump, branch, HI/LO 명령어를 디스패치하며, 명령어를 실행하고 결과를 저장합니다.
• executeMipsInstruction(2783f688 기준)은 ALU 결과와 메모리 load/store 값을 계산합니다. 유효하지 않거나 지원되지 않는 명령어는 revert를 발생시킵니다.
• handleBranch(2783f688 기준)는 branch opcode를 처리하며, 해당 명령어에 대한 MIPS 명세를 따릅니다.
• handleHiLo(2783f688 기준)는 hi 및 lo 레지스터와 상호작용하는 곱셈, 나눗셈, move opcode를 처리하며, doubleword 변형(dmult, dmultu, ddiv, ddivu)과 doubleword variable shift도 포함합니다.
• handleJump(2783f688 기준)는 J-type opcode를 처리하며, 해당 명령어에 대한 MIPS 명세를 따릅니다.
• handleRd(2783f688 기준)는 지정된 레지스터에 값을 저장하는 작업을 처리하며, 값의 저장 여부를 결정하는 조건 플래그를 사용합니다.
• signExtend(2783f688 기준)는 값을 현재 표현하는 비트 수가 주어졌을 때 uint64 값에 대해 부호 확장을 수행하며, 2의 보수로 표현된 부호 있는 값의 부호 확장의 일반적인 절차를 따릅니다. MIPS64에서는 32비트 산술 결과가 64비트로 부호 확장되므로, 이 헬퍼가 광범위하게 사용됩니다.

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메모리 접근: MIPS64Memory.sol

• internal pure readMem(2783f688 기준) 함수는 8바이트 정렬된 64비트 주소와 calldata 내 메모리 증명의 오프셋이 주어지면, 메모리 증명을 사용하여 리프 노드를 검증한 다음 읽을 특정 8바이트 값을 반환하는 헬퍼 함수입니다. 리프 노드는 32바이트이므로, 64비트 MIPS 아키텍처 때문에 readMem은 최대 8바이트만 읽습니다. 리프 노드와 59개의 형제 노드가 주어졌을 때의 검증은 merkle 트리 포함 여부를 검증하는 표준 로직을 따릅니다. 주소는 두 노드를 함께 해싱하는 순서를 결정하는 경로로 사용됩니다. 트리의 최상단에 도달하여 merkle root가 계산되면, 계산된 root를 VM 실행 State struct에 저장된 merkle root와 비교합니다. 정렬되지 않았거나 sub-word인 읽기의 경우 8바이트 word 내에서 올바른 sub-word 위치를 선택하는 것은 후속 로직(MIPS64Instructions.sol의 selectSubWord 참고)의 몫입니다.
• internal pure writeMem(2783f688 기준) 함수는 8바이트 정렬된 64비트 주소, calldata 내 메모리 증명의 오프셋, 쓸 64비트 값이 주어지면 VM 메모리의 새 merkle root를 계산하는 헬퍼 함수입니다. 새 merkle root 계산은 새 값이 리프의 대상 8바이트를 대체한다는 점을 제외하면 readMem 함수와 동일한 로직을 따릅니다. writeMem은 새 merkle root를 계산하는 데 사용되는 증명을 검증하지 않는다는 점에 유의하십시오.

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Step calldata 레이아웃

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일반적인 비트 연산 활용 사례

1. 숫자에서 특정 비트를 분리하는 작업은 & 연산자(Yul에서는 and(x,y))로 수행할 수 있으며, 이를 bitmask 생성이라고도 합니다.
2. 두 숫자의 비트를 결합하는 작업은 | 연산자(Yul에서는 or(x, y))로 수행할 수 있습니다.
3. 모듈로 연산은 다음 비트 연산으로 표현할 수 있습니다: x % y = x & (y - 1), ex. x % 4 = x & 3. 이는 부호 없는 정수에 대해서만 동일하다는 점에 유의하십시오.
4. 밑이 2인 값을 사용한 곱셈은 다음 비트 연산으로 표현할 수 있습니다: x * y = x << z, where y = 2^z 예: x * 8 = x << 3, where 8 = 2^3

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지원되는 MIPS 명령어 표

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더 읽어 보기

• Cannon 개요
• Cannon FPVM 명세
• MIPS IV ISA 명세
• MIPS Assembly Wiki Book
• Linux MIPS n64 syscall 번호
• Yul 명령어
• Solidity ABI 인코딩 명세