介紹

從與 Etherscan 上處理字節碼到防範 Solidity 中的各種代碼漏洞，區塊鏈開髮的 EVM 技術堆棧與許多開髮人員熟悉的 web2 技術堆棧有很大不衕，從而在 Solidity-EVM 技術棧與 Rust、C++ 或 Python 等主流語言之間産生了“差距”。隨著區塊鏈領域的不斷成熟，非常需要彌合開髮者之間的差距，併允許更加可組合的 web3 開髮。

在本文中，我們將介紹 Offchain Labs 的最新項目 Arbitrum Stylus，該項目在斯坦福區塊鏈周期間的區塊鏈應用斯坦福峰會 (BASS) 會議上亮相。 Arbitrum Stylus 是一個裡程碑式的項目，旨在通過統一 EVM 與 WASM 的執行環境來創建智能合約可組合性的新標準。首先，我們將討論該項目背後的一些動機，然後深入研究該項目的一些實現細節，最後討論該項目對 web3 領域的影響。

Arbitrum Stylus 的動機

Arbitrum Stylus 的開髮是爲了解決區塊鏈開髮中的兩個關鍵問題：（1）區塊鏈開髮的可訪問性，以及（2）智能合約的執行效率。

讓區塊鏈開髮變得更容易

Electric Capital 的開髮者報告。圖片來源 [1]。檢索日期：2023 年 10 月 20 日。

根據 Electric Capital 的開髮者報告，目前每月活躍的區塊鏈開髮者約爲 20,000 名 [1]。盡管這個數字在過去幾年中大幅增加，但仍然落後於使用 Rust 或 C++ 等主流通用語言的數百萬（或數千萬）開髮者數量級。隨著區塊鏈領域的不斷髮展，越來越需要簡化數百萬新智能合約開髮人員的入職流程。

實現這一目標的最佳方法之一是將智能合約開髮流程與現有主流語言（例如 Rust 或 C++）集成。這是許多非 EVM 生態繫統（例如 Solana 和 Cosmos）所採用的方法，Rust 已成爲這些生態繫統中事實上的智能合約語言。但到目前爲止，EVM 生態繫統主要依賴其自己獨特的編程語言 Solidity 來編寫智能合約。然而，Arbitrum Stylus 試圖通過允許區塊鏈開髮人員使用 Rust 等主流語言編寫智能合約，然後部署在 EVM 兼容的鏈上來改變這一現狀。

讓智能合約執行更高效

過去幾年，隨著去中心化應用程序的爆炸式普及，對鏈上計算的需求急劇增加，尤其是在以太坊網絡上。網絡需求的激增導緻g a s價格過高。這反過來又刺激了一繫列創新，以提高公共區塊鏈的交易吞吐量，而 Arbitrum 是該領域最著名的項目和生態繫統之一。其中包括旗艦産品 Arbitrum One L2鏈，以及 L2 Arbitrum Nitro 技術堆棧。

Arbitrum Stylus 是所有這些的自然擴展，也是 Arbitrum 工具包中的最新解決方案。與之前專註於優化交易的交易間效率（例如通過彙總進行批量交易）的解決方案相比，Stylus 專註於優化交易內部層麵——具體來説是每筆交易的執行方式。通過允許在 WebAssembly (WASM) 中執行合約，Stylus 合約的速度提高了一個量級、有望降低 Gas 費用，併且訪問內存的成本比使用 EVM [2] 便宜 100-500 倍。

Stylus：提供 WASM + EVM 可組合性

WebAssembly 和 Arbitrum Nitro

要理解爲什麽 Stylus 比傳統的 EVM 引擎更加高效和可組合，我們需要首先了解 WebAssembly 或 WASM 的作用。 WASM 是彙編語言的一種形式，這意味著它本質上是機器可讀的二進製代碼，而不是 Rust 或 C++ 等人類可讀的語言。相反，這些人類可讀的語言在執行之前需要一個“編譯器”將它們轉換爲機器可讀的“彙編語言”。

特別是 WASM，顧名思義，是一種針對 Web 瀏覽器優化的彙編語言，可提高主要基於 Javascript 的 Web 應用程序的執行速度。作爲一種可移植、模塊化且易於執行的彙編語言，WASM 允許開髮人員直接用各種主流語言（例如 Rust 或 C++）編寫代碼片段 [3]。

隨著 Arbitrum的Nitro升級，因爲鏈上的所有爭議都在WASM中進行，這意味著Nitro擁有適用於任意WASM的有效欺詐繫統[2]。由於Arbitrum Nitro能夠爲任何WASM代碼提供欺詐證明，這意味著它可以爲任何編譯爲WASM的程序提供欺詐證明。

Arbitrum Stylus Arbitrum Stylus首先在Arbitrum Nitro繼承的WASM欺詐證明器之上，添加了一個基於領先的WASM引擎Wasmer的WASM執行引擎，該引擎比Geth執行EVM字節碼更快[2]。通過衕時具備執行引擎和證明引擎，這使得智能合約能夠完全使用WASM進行編寫、執行和證明。鑒於許多主流語言（如Rust和C++）能夠直接編譯成WASM，因此Arbitrum Stylus允許區塊鏈開髮者使用各種主流通用編程語言編寫、部署和執行智能合約。

將 EVM 與 Stylus EVM+ 進行比較。圖片來源 [2]。

EVM+ 引擎的一緻性 （Coherence in the EVM+ Engine）

Arbitrum Stylus 爲開髮人員提供了用 Rust 和其他 WASM 兼容語言編寫合約的額外選項，而不必犧牲在 Solidity 中編寫和執行智能合約的能力。通過擁有 EVM 和 WASM 兩個衕等的執行引擎，Stylus 還爲開髮人員提供了用 Solidity 編寫應用程序的一部分、用 Rust 編寫另一部分的選項。

然而，這提出了一個問題：Stylus VM 如何管理兩個不衕引擎之間的一緻性？它如何知道何時在 EVM 和 WASM VM 之間切換？

首先，Solidity 和其他基於 EVM 的合約被編譯成相衕的字節碼，然後像通常在純 EVM 引擎中一樣執行。基於 WASM 的智能合約，例如用 Rust 編寫的智能合約，將在合約開頭添加一個額外的“標頭”進行註釋。因此，當調用這些合約時，Stylus VM 能夠判斷哪些合約需要 EVM 引擎，哪些合約需要 WASM 引擎。這種設計還考慮到了很大程度的互操作性，用 WASM 編寫的合約可以調用用 Solidity 編寫的合約，反之亦然。這也是 Stylus 與其他採用 WASM 執行引擎的區塊鏈的主要區別：Stylus 確保 WASM 合約與 EVM 合約完全可組合和互操作，允許曏後兼容，併允許 WASM 合約利用 EVM 流動性。

查看 Stylus EVM 和 WASM 雙引擎的另一個角度是將區塊鏈視爲一個“世界狀態機”，它會經歷 EVM 中定義的某些狀態交易。在以太坊中，鏈上狀態通過 Trie-結構 或用於有效存儲和檢索數據的樹狀數據結構來錶示[4]。 Stylus 的 EVM 和 WASM 引擎都使用相衕的 Trie 結構來從“世界狀態機”讀取和寫入數據。兩個引擎都會産生一些給定的狀態變化來更新世界狀態；唯一的區別是他們如何計算這種狀態變化。

EVM+ 引擎的成本節省

之前，我們已經暗示過使用 WASM 引擎可以由於執行效率的提高而節省大量成本。我們現在可以研究一下這是如何實現的。爲此，我們考慮一條 ADD （加法）指令，例如 2 + 3。

在 EVM 中，我們需要執行以下步驟 [5]：

1. 支付gas費用，需要多次查找內存錶
2. 考慮跟蹤，即使禁用
3. 彈出模擬堆棧中的兩項
4. 將它們加在一起
5. 推送結果

我們可以看到，隻有第 4 步真正涉及這兩個整數的相加，而所有其他步驟都是 EVM 繫統中的“模版指令”，相對於計算本身而言，所有步驟都消耗大量的 Gas。

另一方麵，假設我們使用 WASM 來執行這個簡單的 ADD 操作。我們隻需要一步：

1. 執行單個 x86 或 ARM ADD 指令
   
   EVM ADD 和 WASM ADD 的比較。圖片來自：來源[7]。

我們可以在這裡看到，這比 EVM 添加便宜 150 倍。鑒於所有這些 Gas 節省，Stylus VM 甚至引入了一種新的“gas”子單位，稱爲“ink”，目前默認定義爲 1 Gas 的 1/10000，甚至可以由鏈所有者進行配置 [5]。

然而，所有這些 Gas 節省都有一個警告，即首先需要 Gas 來激活 Stylus VM，目前設置爲 1.14 億 Gas 的固定費率。此外，調用 Stylus 程序本身目前大約需要 128-2048 個 Gas [5]。因此，僅僅爲了優化兩個整數的單個 ADD 操作而激活 WASM 環境可能不一定具有經濟意義。然而，對於內存密集型的智能合約來説，所有這些節省都會覆合，抵消這種“激活成本”。例如，在 EVM 中分配 3.8 MB RAM 的調用將花費約 3200 萬個 Gas，而在 Stylus WASM VM 中，這隻需要花費約 6.4 萬個 Gas，節省了 500 倍 [6]。由此推論，內存密集型應用程序在普通 EVM 上根本不可能實現，因爲很快就會遇到各種gas限製。然而，考慮到使用 WASM 運行時 RAM 會便宜幾個量級，這在 Stylus VM 中完全可能實現。

使用Stylus解鎖新用例

1. 內存密集型應用程序

如上所述，Arbitrum Stylus 最令人興奮的部分之一是它支持鏈上內存密集型應用程序。這開啟了一類全新的應用程序，例如生成式 AI NFT、高頻交易和鏈上游戲 [7]。事實上，Stylus VM 可能是一項裡程碑式的技術，它允許因高內存需求而臭名昭著的人工智能在鏈上計算上可行，併與 EVM 合約完全互操作。

2. Alt-VM 與 EVM 流動性的可組合性

此外，Stylus 的 EVM 兼容性以及允許基於 WASM 的合約與原生 Solidity 合約互操作的能力意味著這些 WASM 合約可以充分利用 EVM 上的大量流動性和用戶基礎。回想一下，我們之前提到過許多替代虛擬機（例如 Solana 和 Cosmos）使用 WASM 兼容語言（例如 Rust）來執行其智能合約。 Stylus 的 WASM 引擎意味著這些替代虛擬機中的開髮人員可以輕鬆地將其合約移植到 EVM 生態繫統，併立即利用 EVM 的流動性。

3. 通用庫、預編譯和調試基礎設施

Stylus 允許開髮者使用 Rust 和 C++ 等主流語言編寫智能合約的另一個優勢是，開髮者可以利用支持這些主流語言的大量通用庫，這些庫包含從鏈上計算到密碼學的所有內容文件 I/O 的原語。

更重要的是，開髮人員可以受益於爲這些主流語言構建的覆雜工具基礎設施。這不僅包括高級包管理器，還包括熟悉的調試基礎設施，例如 C/C++ 中的 GDB 工具包。所有這些都可能會大大提高 web3 的開髮熟悉度，併允許更簡單地進入區塊鏈開髮和 EVM 堆棧。

4. 將鏈上計算引入物聯網以實現 DePIN

隨著 WASM 執行效率的提高，Stylus VM 可能會打開將鏈上計算與物聯網 (IoT) 中的便攜式設備集成的大門——包括從交通信號燈到智能冰箱到智能手錶的所有設備。盡管 WASM 最初旨在用於瀏覽器環境，但其可移植、模塊化架構和高效執行使其非常適合需要小型且高效運行時的 IoT 設備 [8]。

因此，Arbitrum Stylus 的 WASM VM 非常適合去中心化物理基礎設施網絡 (DePIN) 的增長趨勢，該網絡尋求使用區塊鏈網絡和新穎的代幣激勵來維護從 WiFi 繫統到太陽能電池等物理基礎設施 [9] 。由於 DePIN 的大部分依賴於區塊鏈堆棧與物聯網設備的集成，Arbitrum Stylus 可以作爲一個重要的網關，允許這些設備高效運行基於 WASM 的計算，併通過 Arbitrum 生態繫統利用 EVM 流動性 [10]。

結論

在本文中，我們深入探討了Arbitrum Stylus的動機、實施和影響。通過使開髮人員能夠以多種主流語言編寫和部署智能合約，Stylus 使區塊鏈開髮變得更加容易和高效，將主流可組合性與 EVM 流動性相結合，以解鎖各種新穎的應用程序，尤其是那些內存密集型應用程序。因此，Stylus 可以説是定義下一代可組合智能合約的一個裡程碑式項目，成爲一個能夠模糊 web2 和 web3 開髮之間界限的平颱，以創建更高效​​、集成和高性能的區塊鏈開髮堆棧。

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註：Note: 本文是對 Offchain Labs 的 Rachel Bousfield 和《斯坦福區塊鏈評論》主編 Jay Yu 在接受採訪時的討論和想法的長篇探索。 Arbitrum Stylus 於 2023 年 9 月進行。

聲明：

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