WASM（WebAssembly）入門ペアリング演算やってみた

WASM（WebAssembly）入門
ペアリング演算やってみた
2017/9/8
光成滋生

• WASM = ブラウザで高速なアプリケーションを実行す
るためのバイトコード、ツール
• 現在開発中（のため様々なものがよく変わる）
• 一次資料（http://webassembly.org/）が重要
• 少し歴史
• その昔のIEのActiveX（x86）
• 2000年ActionScript（Flash）
• 2010年ChromeでNaCl（x86/arm）
• 2013年Firefoxでasm.js（汎用）, ChromeでPNaCl（汎用）
• 2014年HTML5
• 2017年PNaClからWebAssemblyへ
• WebGL, WebGPU（Apple）, NXT（Google）
• deeplearn.js https://pair-code.github.io/deeplearnjs/
• WebDNN https://mil-tokyo.github.io/webdnn/ja/ 2 / 16
概要

• デザインゴール
• 高速で、安全で、well-defined
• ハードウェア, 言語, プラットフォームに依存しない
• open
• https://webassembly.github.io/spec/
• 仮想マシン
• スタックマシン
• レジスタはi32, i64, f32, f64, 将来SIMDも
• 通常の四則演算, 論理演算をサポート
• ビットを数える（popcnt）, clz, ctzがある
• 浮動小数→整数変換（ceil, floor, trunc, nearest）
• 分岐, min, max
• carry演算, 64x64→128bit乗算, 128/64bit除算がない
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WASMの仕様

• C/C++からWASM
• emscripten, emcc
• アセンブラ, 逆アセンブルなど各種変換
• WABT（https://github.com/WebAssembly/wabt/）
• wast2wasm, wasm2wast
• https://cdn.rawgit.com/WebAssembly/wabt/7e56ca56/demo/
wast2wasm/ （デモ）
• LLVMからWASM
• llc foo.ll -march=wasm32
• アセンブリコードをwastに変換（s2wasm）
• ClangからWASMの直接出力?
• いろいろあるが流動的なので本家を見て
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様々なツール

• wat（S式）をwast2wasmでwasmファイルにする
• ブラウザから見えるようにしてsquare.htmlを開く
• Firefox, Chrome, Edge（about:configで拡張JavaScript）対応
• AndroidのChromeもOK
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値を2乗するwat
;; square(i32 i) -> i32
(module
(func (export "square") (param $i i32) (result i32)
(i32.mul (get_local $i) (get_local $i))))
wast2wasm square.wat -o square.wasm

• square.wasmをfetchしてインスタンス化
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square.html
<html><head><script>
fetch('square.wasm')
.then(response => response.arrayBuffer())
.then(buffer => WebAssembly.compile(buffer))
.then(module => new WebAssembly.Instance(module))
.then(instance => {
let square = instance.exports.square
let button = document.getElementById('run')
let x = 15
button.value = 'square of ' + x + ' ='
button.addEventListener('click', function() {
document.getElementById('result').innerText = square(x)
})
})
</script></head><body>
<input type="button" id="run" value="loading WebAssembly"/>
<span id="result">0</span>
</body></html>

• Emscripten SDKのインストール
• main()つきCのソース
• buildしてブラウザで表示
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Cサンプル
git clone https://github.com/juj/emsdk.git
cd emsdk
./emsdk install sdk-incoming-64bit binaryen-master-64bit
./emsdk activate sdk-incoming-64bit binaryen-master-64bit
#include <stdio.h>
int add(int x, int y) { return x + y; }
int main() { printf("add %d¥n", add(3, 5)); }
emcc t.c -s WASM=1 -o t.html
emrun --no_browser --port 8080 .

• ペアリング暗号ライブラリmclをWASMで動かしたい
• https://github.com/herumi/mcl/
• 要OpenSSL + GMP（多倍長演算ライブラリ）+ LLVM
• OpenSSL
• ハッシュ関数だけなので自前のSHA1で代用して使わない
• あとでSHA2にする
• clock_gettime()がエラー
• gettimeofdayで代用
• GMP
• WASM用のがあったので試すがbuildできるが動かなかった
• LLVMは
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目標

• 当初の期待
• mclはLLVMビットコードを出力
• x86/x64/arm/arm64専用コードはllcが生成（or Xbyak）
• -march=wasm32すればよいだけと思っていた
• 現時点での制限
• 64bit整数より大きい整数を扱えない
• 本来のLLVMはi256（256bit整数）などが使える
• 内部で自動的に64bit x 4（32bit x 8）の演算に変換される
• 32bit×32bit→64bit乗算しかない
• そもそもcarry演算命令が無いのでCで書いてもそんなに変わ
らないのでは（最適化コンパイラを信じれば）
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当てが外れたLLVM for WASM
Unsupported: %z = mul i128 %x, %y
LLVM ERROR: Binary operator type not yet supported for integer types larger
than 64 bits

• WASM仕様再掲
• carry演算, 64x64→128bit乗算, 128/64bit除算がない
• add/subは64bit単位で加算
• x + y < yならcarry発生として繰り上げ
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多倍長演算部分をCで再実装
template<class T>
T addN(T *z, const T *x, const T *y, size_t n) {
T c = 0;
for (size_t i = 0; i < n; i++) {
T xc = x[i] + c;
if (xc < c) {
z[i] = y[i];
} else {
xc += y[i];
c = y[i] > xc ? 1 : 0;
z[i] = xc;
} }
return c; }

• 32x32→64, 64/32→32を使って実装
• 結構めんどい & 遅い（せっかくの64bit環境が…）
• 将来WASMがサポートすれば1命令にできる
• とりあえず出来た
• https://github.com/herumi/mcl/blob/master/include/mcl/vint.
hpp
• pure C++
• 四則演算と論理演算サポート
• 巾乗
• mod pにおける逆元
• gcd, Legendreシンボル
• 素数判定
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64 x 64→128, 128 / 64→64

• CPU : Core i7-7500U 2.7GHz（Skylake）
• native : gcc 5.4.0
• emcc : clang 4.0.0（emscripten 1.37.15）
• -DMCL_USE_VINT -DMCL_VINT_64BIT_PORTABLE
• Vint w/ 64-bit mulは64 x 64→128乗算を使うか/使わないか
• 将来WASMが対応すれば切り替えられる
• ので今はwastを直接書いてがんばらない
• demo for Broswer
• http://herumi.github.io/mcl/demo/pairing.html
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性能
Xbyak LLVM Vint w/
64-bit mul
Vint wo/
64-bit mul
Firefox
55
Chrome 61 Edge
msec 0.35 0.50 1.37 2.3 3.19 3.42 5.48

• モジュール化オプションとexportする関数を指定
• -s WASM=1 -s "MODULARIZE=1" -s
"EXPORTED_FUNCTIONS=[$(EXPORTED_MCL)]"
• EXPORTEDMCLはヘッダファイルから関数を自動抽出した
• ついでにJS用プロトタイプ宣言用ファイルも生成
• int, pointerは全てnumberに（stringもあるが今回は避けた）
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JSから呼び出す
// bn.h
void mclBnFr_setInt(mclBnFr *y, int64_t x);
int mclBnFr_setStr(mclBnFr *x, const char *buf,
size_t bufSize, int ioMode);
// exported-mcl.js
mclBnFr_setInt =
mod.cwrap('mclBnFr_setInt', 'null', ['number', 'number', ])
_mclBnFr_setStr = mod.cwrap('mclBnFr_setStr',
'number', ['number', 'number', 'number', 'number', ])

• moduleインスタンスを作るsetupWASM
• stackやheapの面倒を見てくれる
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moduleインスタンスを作る
function setupWasm(fileName, nameSpace, setupFct) {
var mod = {}
fetch(fileName)
.then(response => response.arrayBuffer())
.then(buffer => new Uint8Array(buffer))
.then(binary => {
mod['wasmBinary'] = binary
mod['onRuntimeInitialized'] = function() {
setupFct(mod, nameSpace)
}
Module(mod)
})
return mod
}

• mod._malloc()の返り値はexportされた関数に渡せる
• mod._free()する必要あり
• destructorのないJSではちょっと辛い
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heapを使う

• moduleインスタンスのRuntimeを使う
• stackSave/stackRestoreでstackの保存と復元
• mod.HEAP8にstackAllocで取得した位置を利用する
• _malloc, _freeを使ってもよい
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JSのstringをCのconst char*に変換
// bufはstring
gen_setStr = function(func) {
return function(x, buf, ioMode) {
if (ioMode == null) { ioMode = 0 }
var stack = mod.Runtime.stackSave()
var pos = mod.Runtime.stackAlloc(buf.length)
for (var i = 0; i < buf.length; i++) {
mod.HEAP8[pos + i] = buf.charCodeAt(i)
}
r = func(x, pos, buf.length, ioMode)
mod.Runtime.stackRestore(stack)
}
}

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