Einführung

Vom Kampf mit Bytecode auf Etherscan bis hin zum Schutz vor Code-Exploits aller Art in Solidity unterscheidet sich der EVM-Tech-Stack der Blockchain-Entwicklung für viele Entwickler erheblich von dem eines Web2-Tech-Stacks, wodurch eine „Lücke“ zwischen der Solidity-EVM-Technologie entsteht Stack und die Mainstream-Sprachen wie Rust, C++ oder Python. Da der Blockchain-Bereich immer ausgereifter wird, besteht ein großer Bedarf, diese Entwicklerlücke zu schließen und eine viel besser zusammensetzbare Web3-Entwicklung zu ermöglichen.

In diesem Artikel stellen wir das neueste Projekt von Offchain Labs vor, Arbitrum Stylus, das auf der Blockchain Applications Stanford Summit (BASS)-Konferenz während der Stanford Blockchain Week vorgestellt wurde. Arbitrum Stylus ist ein wegweisendes Projekt, das darauf abzielt, durch die Vereinheitlichung der Ausführungsumgebung des EVM mit der von WASM einen neuen Standard für die Zusammensetzbarkeit intelligenter Verträge zu schaffen. Zuerst werden wir einige der Beweggründe hinter diesem Projekt besprechen, bevor wir uns mit einigen Implementierungsdetails des Projekts befassen und schließlich die Auswirkungen des Projekts auf den Web3-Bereich besprechen.

Motivation für Arbitrum Stylus

Arbitrum Stylus wurde entwickelt, um zwei Schlüsselprobleme bei der Blockchain-Entwicklung anzugehen: (1) die Zugänglichkeit der Blockchain-Entwicklung und (2) die Ausführungseffizienz intelligenter Verträge.

Blockchain-Entwicklung zugänglicher machen

Entwicklerbericht von Electric Capital. Bild von Quelle [1]. Abgerufen am 20. Oktober 2023.

Laut dem Developer Report von Electric Capital gibt es derzeit rund 20.000 monatlich aktive Blockchain-Entwickler [1]. Obwohl diese Zahl in den letzten Jahren stark gestiegen ist, liegt sie immer noch um Größenordnungen hinter den Millionen (oder Dutzenden Millionen) Entwicklern, die Allzwecksprachen wie Rust oder C++ in den Mainstream integrieren. Da der Blockchain-Bereich weiter wächst, besteht ein zunehmender Bedarf, den Prozess für die Einbindung von Millionen neuer Smart-Contract-Entwickler zu rationalisieren.

Eine der besten Möglichkeiten, dies zu erreichen, ist die Integration des Smart-Contract-Entwicklungsprozesses in bestehende Mainstream-Sprachen wie Rust oder C++. Dies ist der Ansatz, den viele Nicht-EVM-Ökosysteme wie Solana und Cosmos übernommen haben, wobei sich Rust in diesen Ökosystemen de facto als intelligente Vertragssprache herausstellt. Das EVM-Ökosystem verlässt sich jedoch bisher hauptsächlich auf seine eigene Programmiersprache Solidity, um intelligente Verträge zu schreiben. Arbitrum Stylus möchte dies jedoch ändern, indem es Blockchain-Entwicklern ermöglicht, intelligente Verträge in Mainstream-Sprachen wie Rust zu schreiben und diese dann auf EVM-kompatiblen Ketten bereitzustellen.

Die Ausführung intelligenter Verträge effizienter gestalten

Da dezentrale Anwendungen in den letzten Jahren immer beliebter wurden, ist die Nachfrage nach On-Chain-Berechnungen, insbesondere im Ethereum-Netzwerk, dramatisch gestiegen. Dieser Anstieg der Netznachfrage hat zu exorbitanten Gaspreisen geführt. Dies wiederum hat zu einer Flut von Innovationen bei der Steigerung des Transaktionsdurchsatzes öffentlicher Blockchains geführt, und Arbitrum ist eines der bedeutendsten Projekte und Ökosysteme in diesem Bereich. Dazu gehören die Flaggschiff-Kette Arbitrum One L2 sowie der Arbitrum Nitro -Tech-Stack.

Arbitrum Stylus ist eine natürliche Erweiterung all dessen und die neueste Lösung im Arbitrum-Toolkit. Im Vergleich zu früheren Lösungen, die sich auf die Optimierung der intertransaktionalen Effizienz von Transaktionen konzentrieren (z. B. Batch-Transaktionen durch Rollups), konzentriert sich Stylus auf die Optimierung der intratransaktionalen Ebene – insbesondere auf die Art und Weise, wie jede Transaktion ausgeführt wird. Durch die Möglichkeit, Verträge in WebAssembly (WASM) auszuführen, sind Stylus-Verträge um eine Größenordnung schneller, versprechen niedrigere Gasgebühren und verfügen über einen Speicherzugriff, der bis zu 100-500-mal günstiger sein kann als die Verwendung des EVM [2].

Stylus: Bereitstellung von WASM + EVM-Zusammensetzbarkeit

WebAssembly und Arbitrum Nitro

Um zu verstehen, warum Stylus so viel effizienter und besser zusammensetzbar ist als eine herkömmliche EVM-Engine, müssen wir zunächst die Rolle von WebAssembly oder WASM verstehen. WASM ist eine Form der Assemblersprache, was bedeutet, dass es sich im Wesentlichen um maschinenlesbaren Binärcode handelt und nicht um menschenlesbare Sprachen wie Rust oder C++. Stattdessen benötigen diese für Menschen lesbaren Sprachen einen „Compiler“, der sie vor ihrer Ausführung in maschinenlesbare „Assemblersprachen“ umwandelt.

Insbesondere WASM ist, wie der Name schon sagt, eine für Webbrowser optimierte Assemblersprache, um die Ausführungsgeschwindigkeit von hauptsächlich Javascript-basierten Webanwendungen zu erhöhen. Da es sich um eine portable, modulare und einfach ausführbare Assemblersprache handelt, ermöglicht WASM Entwicklern das direkte Schreiben von Codefragmenten in einer Vielzahl gängiger Sprachen wie Rust oder C++ [3].

Da mit dem Nitro-Upgrade von Arbitrum alle Streitigkeiten in der Kette in WASM ausgetragen werden, bedeutet dies, dass Nitro über ein funktionierendes Betrugssystem für jedes beliebige WASM verfügt [2]. Und da Arbitrum Nitro in der Lage ist, Betrugsnachweise für jeden WASM-Code bereitzustellen, bedeutet dies, dass es Betrugsnachweise für jedes Programm liefern kann, das bis hinunter zu WASM kompiliert wird.

Arbitrum Stylus fügt in erster Linie eine WASM-Ausführungs-Engine zusätzlich zu diesem bestehenden WASM-Betrugsnachweis hinzu, der von Arbitrum Nitro geerbt wurde und auf einer der führenden WASM-Engines namens Wasmer basiert, die Code viel schneller ausführt als Geth EVM-Bytecode ausführt [2]. Mit einer Ausführungs-Engine und einer Proof-Engine können Smart Contracts vollständig in WASM geschrieben, ausgeführt und geprüft werden. Da viele gängige Sprachen wie Rust und C++ direkt in WASM kompiliert werden können, ermöglicht Arbitrum Stylus wiederum Blockchain-Entwicklern das Schreiben, Bereitstellen und Ausführen von Smart Contracts in einer Vielzahl gängiger Allzwecksprachen.

Vergleich des EVM mit Stylus EVM+. Bild von Quelle [2].

Kohärenz in der EVM+ Engine

Arbitrum Stylus bietet Entwicklern die zusätzliche Option, Verträge in Rust und anderen WASM-kompatiblen Sprachen zu schreiben, ohne auf die Möglichkeit verzichten zu müssen, Smart Contracts in Solidity zu schreiben und auszuführen. Durch die zwei gleichwertigen Ausführungs-Engines EVM und WASM bietet Stylus Entwicklern auch die Möglichkeit, einen Teil ihrer Anwendung in Solidity und einen anderen Teil in Rust zu schreiben.

Dies wirft jedoch eine Frage auf: Wie verwaltet die Stylus VM die Kohärenz zwischen den beiden verschiedenen Engines? Woher weiß es, wann zwischen EVM und der WASM-VM gewechselt werden muss?

Zunächst werden Solidity und andere EVM-basierte Verträge in denselben Bytecode kompiliert und dann wie normalerweise in einer reinen EVM-Engine ausgeführt. WASM-basierte Smart Contracts, wie sie beispielsweise in Rust geschrieben werden, werden am Anfang des Vertrags durch einen zusätzlichen „Header“ mit Anmerkungen versehen. Wenn diese Verträge aufgerufen werden, kann die Stylus VM somit erkennen, welche Verträge die EVM-Engine und welche Verträge die WASM-Engine erfordern. Dieses Design sorgt auch für ein hohes Maß an Interoperabilität, da in WASM geschriebene Verträge Aufrufe an in Solidity geschriebene Verträge senden können und umgekehrt. Dies ist auch der Hauptunterschied zwischen Stylus und anderen Blockchains, die WASM-Ausführungs-Engines übernommen haben: Stylus stellt sicher, dass WASM-Verträge vollständig mit EVM-Verträgen zusammensetzbar und interoperabel sind, was Abwärtskompatibilität ermöglicht und WASM-Verträge die EVM-Liquidität nutzen können.

Eine andere Perspektive, die Dual-Engine von Stylus aus EVM und WASM zu betrachten, besteht darin, die Blockchain als eine „Weltzustandsmaschine“ zu betrachten, die bestimmte Zustandstransaktionen durchläuft, wie in der EVM definiert. In Ethereum wird der On-Chain-Status durch eine Trie-Struktur oder eine baumartige Datenstruktur dargestellt, die zum effizienten Speichern und Abrufen von Daten verwendet wird [4]. Sowohl die EVM- als auch die WASM-Engine von Stylus verwenden dieselbe Trie-Struktur, um Daten in die „Weltzustandsmaschine“ zu lesen und aus dieser zu schreiben. Beide Engines erzeugen eine bestimmte Zustandsänderung, um den Weltzustand zu aktualisieren. Der einzige Unterschied besteht darin, wie sie diese Zustandsänderung berechnen.

Kosteneinsparungen der EVM+ Engine

Zuvor haben wir bereits angedeutet, dass der Einsatz der WASM-Engine aufgrund der höheren Ausführungseffizienz erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen kann. Wir können nun untersuchen, wie dies erreicht wird. Betrachten wir dazu einen einzelnen ADD-Befehl, beispielsweise für 2 + 3.

Im EVM müssten wir die folgenden Schritte ausführen [5]:

1. Bezahlen Sie für Gas, was mehrere Nachschlagevorgänge in einer In-Memory-Tabelle erfordert
2. Erwägen Sie die Rückverfolgung, auch wenn diese deaktiviert ist
3. Platziere zwei Elemente des simulierten Stapels
4. Fügen Sie sie zusammen
5. Schieben Sie das Ergebnis

Wir können sehen, dass nur Schritt 4 wirklich die Addition dieser beiden ganzen Zahlen beinhaltet, während alle anderen Schritte „Standardanweisungen“ innerhalb des EVM-Systems sind, die alle im Verhältnis zur Berechnung selbst exorbitante Mengen an Gas kosten.

Nehmen wir andererseits an, wir hätten WASM für diesen einfachen ADD-Vorgang verwendet. Wir brauchen nur einen Schritt:

1. Führen Sie einen einzelnen x86- oder ARM ADD-Befehl aus

Vergleich von EVM ADD und WASM ADD. Bild von Quelle [7].

Wir können hier sehen, dass dies 150x günstiger ist als die EVM-Zugabe. Angesichts all dieser Gaseinsparungen hat Stylus VM sogar eine neue Untereinheit von „Gas“ namens „Tinte“ eingeführt, die derzeit standardmäßig als 1/10000 von 1 Gas definiert ist und sogar vom Kettenbesitzer konfiguriert werden kann [5].

Allerdings gibt es bei all diesen Gaseinsparungen einen Vorbehalt: Für die Aktivierung des Stylus VM ist überhaupt Gas erforderlich, das derzeit auf einen festen Wert von 114 Millionen Gas eingestellt ist. Darüber hinaus dauert der Aufruf eines Stylus-Programms selbst derzeit etwa 128-2048 Gas [5]. Daher ist die Aktivierung der WASM-Umgebung nur zur Optimierung für eine einzelne ADD-Operation für zwei Ganzzahlen möglicherweise nicht unbedingt wirtschaftlich sinnvoll. Bei speicherintensiven Smart Contracts summieren sich jedoch alle diese Einsparungen und gleichen diese „Aktivierungskosten“ aus. Beispielsweise würde ein Aufruf, der 3,8 MB RAM in der EVM zuweist, etwa 32 Millionen Gas kosten, während dies in der Stylus WASM-VM nur etwa 64.000 Gas kosten würde, was einer 500-fachen Einsparung entspricht [6]. Dies hat zur Folge, dass speicherintensive Anwendungen auf dem Vanilla EVM einfach nicht möglich sind, da man schnell an allerlei Gaslimits stößt. Dies wird jedoch in der Stylus VM vollständig möglich, da der RAM durch die Verwendung einer WASM-Laufzeit um Größenordnungen billiger wird.

Mit Stylus neue Anwendungsfälle erschließen

1. Speicherintensive Anwendungen

Wie oben erläutert, ist einer der aufregendsten Aspekte von Arbitrum Stylus die Möglichkeit, speicherintensive Anwendungen in der Kette zu ermöglichen. Dies erschließt eine völlig neue Klasse von Anwendungen, wie generative KI-NFTs, Hochfrequenzhandel und On-Chain-Gaming [7]. In der Tat könnte Stylus VM eine bahnbrechende Technologie sein, die es der für ihren hohen Speicherbedarf berüchtigten KI ermöglicht, in der Kette rechentechnisch realisierbar zu sein und vollständig mit EVM-Verträgen kompatibel zu sein.

2. Alt-VM-Zusammensetzbarkeit mit EVM-Liquidität

Darüber hinaus bedeutet die EVM-Kompatibilität von Stylus und die Fähigkeit, die Interoperabilität von WASM-basierten Verträgen mit nativen Solidity-Verträgen zu ermöglichen, dass diese WASM-Verträge die enorme Liquidität und Benutzerbasis des EVM vollständig nutzen können. Denken Sie daran, dass wir bereits erwähnt haben, dass viele alternative VMs wie Solana und Cosmos WASM-kompatible Sprachen wie Rust verwenden, um ihre Smart Contracts auszuführen. Dank der WASM-Engine von Stylus können Entwickler dieser alternativen VMs ihre Verträge problemlos auf das EVM-Ökosystem übertragen und sofort von der Liquidität der EVM profitieren.

3. Allzweckbibliotheken, Vorkompilierungen und Debugging-Infrastruktur

Ein weiterer Vorteil von Stylus, der es Entwicklern ermöglicht, Mainstream-Sprachen wie Rust und C++ zum Schreiben ihrer Smart Contracts zu verwenden, besteht darin, dass Entwickler die riesigen Mengen an Allzweckbibliotheken nutzen können, die diese Mainstream-Sprachen unterstützen, die alles von On-Chain-Berechnungen bis hin zu Kryptographie enthalten Grundelemente für Datei-E/A.

Noch wichtiger ist, dass Entwickler von einer ausgefeilten Tooling-Infrastruktur profitieren können, die für diese Mainstream-Sprachen entwickelt wurde. Dazu gehören nicht nur erweiterte Paketmanager, sondern auch bekannte Debugging-Infrastruktur, wie etwa das GDB-Toolkit in C/C++. All dies wird wahrscheinlich die Entwicklungsvertrautheit von web3 erheblich erhöhen und einen viel einfacheren Einstiegsprozess in die Blockchain-Entwicklung und den EVM-Stack ermöglichen.

4. On-Chain-Berechnung für DePIN in das IoT integrieren

Mit der erhöhten Ausführungseffizienz von WASM könnte Stylus VM die Tür für die Integration von On-Chain-Berechnungen mit tragbaren Geräten im Internet der Dinge (IoT) öffnen – darunter alles von Ampeln über intelligente Kühlschränke bis hin zu Smartwatches. Obwohl WASM ursprünglich für Browserumgebungen gedacht war, ist es aufgrund seiner portablen, modularen Architektur und effizienten Ausführung perfekt für IoT-Geräte geeignet, die kurze und effiziente Laufzeiten erfordern [8].

Somit passt die WASM-VM von Arbitrum Stylus perfekt zum wachsenden Trend dezentraler physischer Infrastrukturnetzwerke (DePIN), die darauf abzielen, Blockchain-Netzwerke und neuartige Token-Anreize zu nutzen, um die physische Infrastruktur aufrechtzuerhalten, von WiFi-Systemen bis hin zu solarbetriebenen Batterien [9] . Da ein Großteil von DePIN auf der Integration des Blockchain-Stacks mit IoT-Geräten basiert, könnte Arbitrum Stylus als wichtiges Gateway dienen, das es diesen Geräten ermöglicht, WASM-basierte Berechnungen effizient auszuführen und über das Arbitrum-Ökosystem auf EVM-Liquidität zuzugreifen [10].

Abschluss

In diesem Artikel haben wir die Motivation, Implementierung und Wirkung von Arbitrum eingehend untersucht. Stift. Indem es Entwicklern ermöglicht, intelligente Verträge in einer Vielzahl gängiger Sprachen zu schreiben und bereitzustellen, macht Stylus die Blockchain-Entwicklung sowohl zugänglicher als auch effizienter und kombiniert die gängige Zusammensetzbarkeit mit EVM-Liquidität, um eine breite Palette neuartiger Anwendungen freizuschalten, insbesondere solche, die speicherintensiv sind. Daher ist Stylus wohl ein Meilenstein bei der Definition der nächsten Generation zusammensetzbarer Smart Contracts und wird zu einer Plattform, die in der Lage ist, die Grenzen zwischen Web2- und Web3-Entwicklung zu verwischen, um einen effizienteren, integrierten und leistungsfähigeren Blockchain-Entwicklungsstapel zu schaffen.

Haftungsausschluss:

1. Dieser Artikel wurde von [STANFORD BLOCKCHAIN CLUB] nachgedruckt. Alle Urheberrechte liegen beim ursprünglichen Autor [Rachel Bousfield；Jay Yu]. Wenn Sie Einwände gegen diesen Nachdruck haben, wenden Sie sich bitte an das Gate Learn- Team, das sich umgehend darum kümmern wird.
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