Introdução

Desde a luta com bytecode no Etherscan até a proteção contra todos os tipos de explorações de código no Solidity, a pilha de tecnologia EVM de desenvolvimento de blockchain é bastante diferente daquela de uma pilha de tecnologia web2 para muitos desenvolvedores, criando assim uma “lacuna” entre a tecnologia Solidity-EVM stack e as linguagens convencionais, como Rust, C++ ou Python. À medida que o espaço blockchain continua a amadurecer, há uma grande necessidade de preencher essa lacuna entre desenvolvedores e permitir um desenvolvimento web3 muito mais combinável.

Neste artigo, apresentaremos o mais recente projeto do Offchain Labs, Arbitrum Stylus, revelado na conferência Blockchain Applications Stanford Summit (BASS) durante a Stanford Blockchain Week. Arbitrum Stylus é um projeto marcante que visa criar um novo padrão para composição de contratos inteligentes através da unificação do ambiente de execução do EVM com o do WASM. Primeiro, discutiremos algumas das motivações por trás deste projeto, antes de mergulhar em alguns detalhes de implementação do projeto e, finalmente, discutir o impacto do projeto no espaço web3.

Motivação para a caneta Arbitrum

A Arbitrum Stylus foi desenvolvida para resolver dois problemas principais no desenvolvimento de blockchain: (1) a acessibilidade do desenvolvimento de blockchain e (2) a eficiência de execução de contratos inteligentes.

Tornando o desenvolvimento de Blockchain mais acessível

Relatório do desenvolvedor da Electric Capital. Imagem da fonte [1]. Recuperado em 20 de outubro de 2023.

De acordo com o Developer Report da Electric Capital, existem atualmente cerca de 20.000 desenvolvedores de blockchain ativos mensalmente [1]. Embora esse número tenha aumentado muito nos últimos anos, ainda está muito atrás dos milhões (ou dezenas de milhões) de desenvolvedores que dominam linguagens de uso geral, como Rust ou C++. À medida que o espaço blockchain continua a crescer, há uma necessidade crescente de agilizar o processo de integração de milhões de novos desenvolvedores de contratos inteligentes.

Uma das melhores maneiras de fazer isso é integrando o processo de desenvolvimento de contratos inteligentes com as principais linguagens existentes, como Rust ou C++. Esta é a abordagem que muitos ecossistemas não-EVM adotaram, como Solana e Cosmos, com Rust emergindo como a linguagem de contrato inteligente de fato nesses ecossistemas. O ecossistema EVM, até agora, depende principalmente de sua própria linguagem de programação distinta, Solidity, para escrever contratos inteligentes. A Arbitrum Stylus, no entanto, busca mudar isso permitindo que desenvolvedores de blockchain escrevam contratos inteligentes em linguagens convencionais como Rust e depois implantem em cadeias compatíveis com EVM.

Tornando a execução inteligente de contratos mais eficiente

Nos últimos anos, à medida que a popularidade das aplicações descentralizadas explodiu, houve um aumento dramático na demanda por computação on-chain, especialmente na rede Ethereum. Este aumento na procura da rede levou a preços exorbitantes do gás. Isto, por sua vez, estimulou uma onda de inovação no aumento do rendimento transacional de blockchains públicos, e o Arbitrum é um dos projetos e ecossistemas mais proeminentes neste espaço. Isso inclui a principal rede Arbitrum One L2, bem como a pilha de tecnologia Arbitrum Nitro .

Arbitrum Stylus é uma extensão natural de tudo isso e a solução mais recente do kit de ferramentas da Arbitrum. Em comparação com soluções anteriores, que se concentram na otimização da eficiência intertransacional das transações (como lotes de transações por meio de rollups), a Stylus se concentra na otimização do nível intratransacional – especificamente, como cada transação é executada. Ao permitir que os contratos sejam executados em WebAssembly (WASM), os contratos Stylus são muito mais rápidos, prometendo taxas de gás mais baixas, além de ter acesso à memória que pode ser até 100-500x mais barato do que usar o EVM [2].

Stylus: Fornece capacidade de composição WASM + EVM

WebAssembly e Arbitrum Nitro

Para entender por que o Stylus é muito mais eficiente e combinável do que um mecanismo EVM tradicional, precisamos primeiro entender a função do WebAssembly, ou WASM. WASM é uma forma de linguagem assembly, o que significa que é essencialmente um código binário legível por máquina, em vez de linguagens legíveis por humanos, como Rust ou C++. Em vez disso, essas linguagens legíveis por humanos precisam de um “compilador” para transformá-las em “linguagens assembly” legíveis por máquina antes de serem executadas.

WASM em particular, como o próprio nome sugere, é uma linguagem assembly otimizada para navegadores da web, para aumentar a velocidade de execução de aplicativos da Web baseados principalmente em Javascript. Por ser uma linguagem assembly portátil, modular e facilmente executável, o WASM permite que os desenvolvedores escrevam diretamente trechos de código em uma variedade de linguagens convencionais, como Rust ou C++ [3].

Com a atualização do Nitro do Arbitrum , como todas as disputas na cadeia são disputadas no WASM, isso significa que o Nitro tem um sistema de fraude funcional para qualquer WASM arbitrário [2]. E como o Arbitrum Nitro é capaz de fornecer provas de fraude para qualquer código WASM, isso significa que ele pode fornecer provas de fraude para qualquer programa que compile até WASM.

O Arbitrum Stylus adiciona principalmente um mecanismo de execução WASM em cima deste provador de fraude WASM existente herdado do Arbitrum Nitro, baseado em um dos principais mecanismos WASM chamado Wasmer, que executa código muito mais rápido do que Geth executa bytecode EVM [2]. Com um mecanismo de execução e um mecanismo de prova, isso permite que contratos inteligentes sejam totalmente escritos, executados e comprovados em WASM. Dado que muitas linguagens convencionais, como Rust e C++, são capazes de compilar diretamente no WASM, é assim que o Arbitrum Stylus permite que os desenvolvedores de blockchain escrevam, implantem e executem contratos inteligentes em uma ampla variedade de linguagens convencionais de uso geral.

Comparando o EVM com a Stylus EVM+. Imagem da fonte [2].

Coerência no motor EVM+

Arbitrum Stylus oferece aos desenvolvedores a opção extra de escrever contratos em Rust e outras linguagens compatíveis com WASM, sem ter que sacrificar a capacidade de escrever e executar contratos inteligentes em Solidity. Por ter dois mecanismos de execução iguais, EVM e WASM, o Stylus também oferece aos desenvolvedores a opção de escrever parte de seu aplicativo em Solidity e outra parte em Rust.

Isto, no entanto, levanta uma questão: como a Stylus VM gerencia a coerência entre os dois motores diferentes? Como ele sabe quando alternar entre EVM e WASM VM?

Primeiramente, o Solidity e outros contratos baseados em EVM são compilados no mesmo bytecode e depois executados como normalmente fariam em um mecanismo EVM puro. Contratos inteligentes baseados em WASM, como aqueles escritos em Rust, por exemplo, serão anotados por um “cabeçalho” extra no início do contrato. Assim, quando esses contratos são chamados, a VM Stylus é capaz de dizer quais contratos requerem o mecanismo EVM e quais contratos requerem o mecanismo WASM. Este design também é responsável por um grande grau de interoperabilidade, onde contratos escritos em WASM podem fazer chamadas para contratos escritos em Solidity e vice-versa. Esta é também a principal diferença entre o Stylus e outros blockchains que adotaram mecanismos de execução WASM: o Stylus garante que os contratos WASM sejam completamente combináveis e interoperáveis com os EVM, permitindo compatibilidade com versões anteriores e contratos WASM para aproveitar a liquidez do EVM.

Outra perspectiva para olhar para o mecanismo duplo de EVM e WASM da Stylus é ver o blockchain como uma “máquina de estado mundial” que passa por certas transações de estado conforme definido no EVM. No Ethereum, o estado on-chain é representado por uma estrutura Trie, ou uma estrutura de dados semelhante a uma árvore usada para armazenar e recuperar dados de forma eficiente [4]. Os mecanismos EVM e WASM da Stylus usam a mesma estrutura Trie para ler e gravar dados de e para a “máquina de estado mundial”. Ambos os motores produzem alguma mudança de estado para atualizar o estado mundial; a única diferença é como eles calculam essa mudança de estado.

Economia de custos do mecanismo EVM+

Anteriormente, já sugerimos que o uso do mecanismo WASM pode permitir economias substanciais de custos devido ao aumento da eficiência de execução. Podemos agora examinar como isso é alcançado. Para fazer isso, vamos considerar uma única instrução ADD, digamos, para 2 + 3.

No EVM, precisaríamos seguir os seguintes passos [5]:

1. Pague pela gasolina, exigindo múltiplas pesquisas em uma tabela na memória
2. Considere rastrear, mesmo se estiver desativado
3. Estourar dois itens da pilha simulada
4. Adicione-os juntos
5. Empurre o resultado

Podemos ver que apenas a Etapa 4 realmente envolve a adição desses dois números inteiros, enquanto todas as outras etapas são “instruções padronizadas” dentro do sistema EVM que custam quantidades exorbitantes de gás em relação ao cálculo em si.

Por outro lado, suponha que usamos WASM para esta operação simples de ADD. Precisamos apenas de um passo:

1. Execute uma única instrução x86 ou ARM ADD

Comparação de EVM ADD e WASM ADD. Imagem da fonte [7].

Podemos ver aqui que isso é 150x mais barato que o acréscimo EVM. Dadas todas essas economias de gás, a Stylus VM até introduziu uma nova subunidade de “gás”, chamada “tinta”, atualmente definida por padrão como 1/10000 de 1 gás, e até mesmo configurável pelo proprietário da cadeia [5].

Há, no entanto, uma ressalva para todas estas poupanças de gás, nomeadamente, em primeiro lugar, é necessário gás para activar a Stylus VM, actualmente definida para uma taxa fixa de 114 milhões de gás. Além disso, chamar um programa Stylus atualmente consome cerca de 128-2048 gás [5]. Assim, ativar o ambiente WASM apenas para otimizar uma única operação ADD para dois números inteiros pode não fazer necessariamente sentido do ponto de vista econômico. No entanto, para contratos inteligentes que utilizam muita memória, todas estas poupanças serão agravadas, compensando este “custo de activação”. Por exemplo, uma chamada que aloca 3,8 MB de RAM no EVM custaria ~32 milhões de gás, enquanto na VM Stylus WASM isso custaria apenas ~64 mil gás, proporcionando uma economia de 500x [6]. Um corolário disso é que aplicações com uso intensivo de memória simplesmente não são possíveis no EVM vanilla, já que rapidamente se depara com todos os tipos de limites de gás. No entanto, isso se torna completamente possível na VM Stylus, dada a ordem de magnitude mais barata que a RAM se torna usando um tempo de execução WASM.

Desbloqueando novos casos de uso com Stylus

1. Aplicativos com uso intensivo de memória

Conforme discutido acima, uma das partes mais interessantes do Arbitrum Stylus é a habilitação de aplicativos on-chain com uso intensivo de memória. Isso desbloqueia uma classe totalmente nova de aplicações, como NFTs de IA generativos, negociação de alta frequência e jogos em cadeia [7]. Na verdade, a Stylus VM pode ser uma tecnologia de referência que permite que a IA, conhecida pelas suas elevadas exigências de memória, seja computacionalmente viável na cadeia e seja totalmente interoperável com contratos EVM.

2. Composição Alt-VM com Liquidez EVM

Além disso, a compatibilidade do EVM da Stylus e a capacidade de permitir que contratos baseados em WASM sejam interoperáveis com contratos nativos do Solidity significa que esses contratos WASM podem aproveitar totalmente a enorme liquidez e a base de usuários do EVM. Lembre-se de que mencionamos anteriormente que muitas VMs alternativas, como Solana e Cosmos, usam linguagens compatíveis com WASM, como Rust, para executar seus contratos inteligentes. O mecanismo WASM da Stylus significa que os desenvolvedores dessas VMs alternativas podem transferir facilmente seus contratos para o ecossistema EVM e aproveitar imediatamente a liquidez do EVM.

3. Bibliotecas de uso geral, pré-compilações e infraestrutura de depuração

Outra vantagem do Stylus, que permite aos desenvolvedores usar linguagens convencionais como Rust e C++ para escrever seus contratos inteligentes, é que os desenvolvedores podem fazer uso de grandes quantidades de bibliotecas de uso geral que suportam essas linguagens convencionais que contêm tudo, desde computação em cadeia até criptografia. primitivas para arquivo de E/S.

Mais importante ainda, os desenvolvedores podem se beneficiar de uma infraestrutura de ferramentas sofisticada criada para essas linguagens convencionais. Isso não inclui apenas gerenciadores de pacotes avançados, mas também infraestrutura de depuração familiar, como o kit de ferramentas GDB em C/C++. Tudo isso provavelmente aumentará muito a familiaridade com o desenvolvimento do web3 e permitirá um processo de integração muito mais simples no desenvolvimento de blockchain e na pilha EVM.

4. Trazendo computação on-chain para IoT para DePIN

Com o aumento da eficiência de execução do WASM, o Stylus VM pode abrir a porta para integrar a computação on-chain com dispositivos portáteis na Internet das Coisas (IoT) – incluindo tudo, desde semáforos a geladeiras inteligentes e smartwatches. Embora o WASM tenha sido originalmente planejado para ambientes de navegador, sua arquitetura modular e portátil e sua execução eficiente tornaram-no perfeito para dispositivos IoT, que exigem tempos de execução pequenos e eficientes [8].

Assim, o WASM VM da Arbitrum Stylus é um ajuste natural para a tendência crescente de Redes Descentralizadas de Infraestrutura Física (DePIN), que buscam usar redes blockchain e novos incentivos de token para manter a infraestrutura física, de sistemas WiFi a baterias movidas a energia solar [9] . Como grande parte do DePIN depende da integração da pilha blockchain com dispositivos IoT, o Arbitrum Stylus poderia servir como um gateway importante para permitir que esses dispositivos executem com eficiência a computação baseada em WASM e aproveitem a liquidez EVM por meio do ecossistema Arbitrum [10].

Conclusão

Ao longo deste artigo, exploramos em profundidade a motivação, implementação e impacto do Arbitrum. Caneta. Ao permitir que os desenvolvedores escrevam e implantem contratos inteligentes em uma ampla variedade de linguagens convencionais, a Stylus torna o desenvolvimento de blockchain mais acessível e eficiente, combinando capacidade de composição convencional com liquidez EVM para desbloquear uma ampla gama de novos aplicativos, especialmente aqueles que consomem muita memória. Assim, Stylus é indiscutivelmente um projeto de referência na definição da próxima geração de contratos inteligentes combináveis, tornando-se uma plataforma capaz de confundir os limites entre o desenvolvimento web2 e web3 para criar uma pilha de desenvolvimento de blockchain mais eficiente, integrada e de alto desempenho.

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