MIP-7

## 摘要

本提案提出了一种新的操作码 `EXTENSION` (`0xAE`)，可用于扩展 Monad 虚拟机的操作码级功能，同时最小化与以太坊执行层未来变更发生冲突的风险。它定义了扩展指令的编码方案，包括扩展选择器和两种编码立即数参数的样式，并与 [EIP-8163](https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-8163) 对齐，该提案在以太坊 L1 上保留了相同的操作码。

## 动机

目前，Monad 虚拟机中的字节码执行完全兼容以太坊：所有以太坊操作码均被支持，且 Monad 没有实现任何以太坊中不存在的额外操作码。然而，未来将会为 Monad 提出新功能，这些功能需要添加新的操作码。例如，早期版本的 [MIP-4](./MIP-4.md) 指定了添加一个操作码以检查 Monad 的储备余额机制的状态。虽然该提案拒绝了基于操作码的设计，转而支持预编译，但与该早期版本相关的设计决策促成了本提案的形成。

EIP-8163 在以太坊 L1 上专门保留了 `EXTENSION` (`0xAE`) 操作码，以使非 L1 EVM 链能够安全地实验扩展，而不必担心未来的不兼容性。本提案采用了这一保留策略。

## 规范

### 扩展操作码编码

`EXTENSION` 操作码 (`0xAE`) 后面必须紧跟一个 1 字节的扩展选择器。扩展选择器不得为 `0x5B` (`JUMPDEST`) 或在范围 `0x60`-`0x7F` (`PUSH1`-`PUSH32`) 内。在此排除范围内的扩展选择器必须导致异常停止，消耗所有剩余的 gas。

定义 **扩展操作码** 为 2 字节序列 `0xAE XX`。

在未来的提案为特定选择器分配含义之前，执行任何扩展操作码必须表现得好像执行了 `INVALID` (`0xFE`)。

### 参数编码

如果特定扩展需要立即数参数，未来的提案必须使用以下两种编码样式之一：

#### 限制范围的立即数

类似于 [EIP-8024](https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-8024)，参数字节直接跟在扩展操作码后面：

```
0xAE XX a1 a2 ...
```

每个参数字节不得为 `0x5B` 或在范围 `0x60`-`0x7F` 内。参数字节的数量是固定的，必须由定义扩展的提案指定。

#### PUSH 前缀的立即数

参数字节由一个跟在扩展操作码后面的 `PUSHx` 字节 (`0x60`-`0x7F`) 包围：

```
0xAE XX PUSHx b1 b2 ... bn
```

`PUSHx` 字节决定参数长度 (n = 操作码 − `0x5F`)。完整的字节范围 `0x00`-`0xFF` 可用。

在任一编码样式中，扩展操作码后跟错误编码的字节必须表现得好像执行了 `INVALID` (`0xFE`)。

## 理由

考虑了几种替代设计：

### 无扩展

在这个设计中，新的实现特定操作码简单地分配给现有 EVM 操作码空间中的未使用字节。这个设计从实现的角度来看很简单，但存在与未来以太坊升级冲突的风险。如果发生这种冲突，可能需要更复杂的解决方案，或者 Monad 将不得不接受与以太坊的永久不兼容。单个保留的扩展操作码大大降低了这种风险。

### 类似 `PUSH1` 的选择器编码

当前接受的引入多字节操作码的方法是以 `JUMPDEST` 分析保持的方式进行，遵循 [EIP-8024](https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-8024) 的先例。`JUMPDEST` 分析不受 `EXTENSION` 及其任一参数编码的影响。

该 MIP 的早期版本提议 `EXTENSION` 携带一个单字节的立即数操作数（结构上与 `PUSH1` 相同），形成一个两字节的 `0xAEXX` 指令，并在 `JUMPDEST` 分析中跳过 `XX` 字节。这与 `JUMPDEST` 分析保持相冲突，并妨碍跨链代码的可移植性。

### 基于栈

与其将扩展参数编码为立即数据，不如从栈中弹出实现特定的操作码。这样做的好处是上游兼容性更简单。该方法的主要缺点是性能：从栈中弹出一个 32 字节的字，解释为操作码并在其上调度将退出典型解释器设计的热路径。然而，值得注意的是，Monad VM 的本地代码编译器可以轻松内联假定的常见模式 `PUSH1 0xXX; EXTENSION`，且没有额外开销。

此外，基于栈的调度将允许操作码选择来自运行时数据或计算，防止对栈内容和扩展行为的静态分析，并阻碍 EVM 执行优化。

### 燃气费用

该 MIP 没有为单个扩展操作码提出燃气费用。任何无效或未定义的扩展操作码应与执行 `INVALID` 的费用相同（消耗所有燃气并回滚）。

### 立即数编码风格的选择

该 MIP 将立即数编码风格的选择留给特定选择器。受限范围的立即数紧凑且适合不需要完整字节范围的短参数。PUSH 前缀的立即数允许任意字节值，但需要额外的框架字节。

### 预编译

某些功能可以作为新的操作码或预编译实现：添加预编译从冲突的角度来看风险较小，但调用预编译会产生额外的 ABI 兼容性开销，这可能并不适用于所有功能。

## 向后兼容性

操作码 `0xAE` 在以太坊和 Monad 中目前都是无效的。由于 `JUMPDEST` 分析不受 `EXTENSION` 的影响，因此现有代码行为没有变化。

## 安全考虑

由于 `JUMPDEST` 分析不受 `EXTENSION` 的影响，Monad 和以太坊之间的跳转分析差异所带来的风险得以缓解。在两个链上，`0xAE` 后跟 `0x5B` 结果是 `0x5B` 仍然是一个有效的跳转目标。

## 参考文献

- [EIP-8163: 保留 EXTENSION (0xAE) 操作码](https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-8163)
- [EIP-8024: 向后兼容的 SWAPN, DUPN, EXCHANGE](https://eips.ethereum.org/EIPS/eip-8024)
- [Monad 初始规范](https://category-labs.github.io/category-research/monad-initial-spec-proposal.pdf)

## 版权

通过 [CC0](../LICENSE.md) 放弃版权及相关权利。