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作者：Yiping, IOSG Ventures

本文為IOSG原創(chuàng)內(nèi)容，僅做行業(yè)學習交流之用，不構(gòu)成任何投資參考。如需引用，請注明來源，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系IOSG團隊獲取授權(quán)及轉(zhuǎn)載須知。本文所提及所有項目均不構(gòu)成推薦及投資建議。

隨著像 zkSync 和 StarkNet 這樣的 ZKRUs 推出主網(wǎng)，Layer2格局正在迅速演變。傳統(tǒng)上，OPRUs 如 Arbitrum 是首個進入市場的，因而擁有更強大的生態(tài)系統(tǒng)。與之相反，ZKRUs 在技術(shù)上有所突破，提供更高的吞吐量和更低的費用。

近幾個月，更多的活動從Layer1遷移到了Layer2，以尋求更快、更便宜的交易。以太坊的TVL過去一年中從近 400 億美元降至 200 億美元。然而，Layer2的 TVL 呈現(xiàn)出不同的畫面，巨大的增長表明Layer2的采用正在加速。

Arbitrum 憑借超過 50% 的Layer2 TVL 市場份額領先，盡管 ZKRUs 也付出了努力。Arbitrum 的先發(fā)優(yōu)勢使其能夠保持主導地位。

分析每日交易數(shù)量顯示，像 zkSync 和 StarkNet 這樣的 ZKRUs 在吞吐量上略微超過 OPRUs。然而，Arbitrum 的生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢依然存在，盡管在每日 TPS 上稍微落后。

OPRUs 出現(xiàn)的時間比 ZKRUs 長。然而，ZKRUs 正在推出他們的主網(wǎng)，并從其他生態(tài)系統(tǒng)吸引用戶。作為 OPRU 領域的領導者，Arbitrum 預計將通過他們的新更新來對抗 ZKRUs 的崛起。

Arbitrum：Stylus

隨著開發(fā)者優(yōu)化零知識技術(shù)和成本，由于其可擴展性優(yōu)勢，ZKRUs 可能會繼續(xù)獲得市場份額。但是，Arbitrum 的網(wǎng)絡效應提供了盡管有競爭壓力也能保持穩(wěn)健的能力。通過像 Stylus 這樣的創(chuàng)新解決方案，Arbitrum 可以用獨特的技術(shù)能力補充其領導地位，并繼續(xù)在Layer2競賽中保持領先。

簡而言之，Stylus 是一個為 Arbitrum 設計的革命性新智能合約環(huán)境，它允許開發(fā)者用像 Rust、C++ 和 Solidity 這樣的編程語言編寫高效、互操作的程序。

它向區(qū)塊鏈開放了通用計算，并歡迎使用不同技術(shù)棧的開發(fā)者。

WASM

Stylus 通過添加一個與現(xiàn)有的以太坊虛擬機（EVM）并行運行的 WebAssembly（WASM）虛擬機來工作。編寫在可以編譯為 WASM 的語言的智能合約可以以比 Solidity 快 10 倍或更多的速度原生執(zhí)行，大幅降低燃氣費用。EVM 依然完全功能性，所以現(xiàn)有的 Solidity 合約仍然如同今天一樣正常運行。兩個 VMs 同步操作，允許用不同編程語言編寫的合約相互調(diào)用，同時還能修改相同的底層區(qū)塊鏈狀態(tài)。

自定義預編譯

此外，Stylus 也支持自定義預編譯（Precompiles）。

預編譯是 Ethereum 和 Arbitrum 上用于非常高效地執(zhí)行特定加密或?qū)嵱煤瘮?shù)的底層模塊。例如，有用于 ECDSA 簽名驗證和計算 SHA256 哈希的預編譯。

要添加新的預編譯需要所有驗證者協(xié)調(diào)升級 EVM，因此門檻很高。而使用 Stylus，開發(fā)者可以輕松地部署他們自己用 Rust 或 C++ 編寫的預編譯。

例如，一個團隊可以使用用 C 語言編寫的加密庫，并未經(jīng)修改地將其部署到 Arbitrum。這將允許這些加密原語以超快的本地速度執(zhí)行。

其他合約可以調(diào)用這個 Stylus “預編譯”，就像它們調(diào)用原生預編譯一樣，來利用該加密技術(shù)。所有的燃氣計量和欺詐證明都會自動工作。

這使得團隊能夠在沒有任何特殊鏈支持的情況下，原型自定義加密、特殊的基于配對的曲線和其他新型原語。以太坊研究者甚至可以通過在 Arbitrum 上以 Stylus 預編譯的形式部署它們，先行迭代 EIP 提案。

通過賦予開發(fā)者在鏈上原生地引入新的加密原語的能力，Stylus 大大拓展了可以構(gòu)建的內(nèi)容的范圍。預編譯不再僅限于 EVM 支持的功能。

Stylus 的工作原理

在深入探討 WASM 在區(qū)塊鏈宇宙中的更廣泛角色之前，理解 Arbitrum 如何協(xié)調(diào) EVM 和 WASM 的共存是至關(guān)重要的。這不僅僅是擁有兩個獨立的引擎；這是一種增強兩者優(yōu)勢的協(xié)同關(guān)系。

Arbitrum 的獨特架構(gòu)允許 EVM 和 WASM 之間進行無縫和同步的操作，這要歸功于其統(tǒng)一的狀態(tài)、跨 VM 調(diào)用和兼容的經(jīng)濟模型。

用 Solidity 或其他 EVM 語言編寫的智能合約會像往常一樣編譯為 EVM 字節(jié)碼。當執(zhí)行時，這些合約在 EVM 上運行，就像它們今天一樣。

對于編譯為 WASM 的語言，例如 Rust、C++ 和 C，工作流程是：

• 開發(fā)者使用現(xiàn)成的 WASM 編譯器，如 Clang 或 Rustc，將他們的智能合約編譯為 WASM。
• WASM 字節(jié)碼以壓縮形式上傳到 Arbitrum 鏈。
• 合約所有者調(diào)用 `ArbWasm` 預編譯的 `compileProgram` 方法，該方法為 WASM 進行安全工具設置，對其進行Gas成本計量，并將其編譯為針對驗證器硬件優(yōu)化的本地代碼。
• 當合約被調(diào)用時，它在像 Wasmer 這樣的 WASM 運行時上運行，比 EVM 快得多，從而節(jié)省了Gas Fee。

WASM 計量在每個基本塊之前收取Gas，而不是像 EVM 那樣按操作碼收費。這更為高效，確保合約不會失控。

EVM 與 WASM

這兩個虛擬機（VM）同步運行，允許它們在共享相同的全局狀態(tài)的同時互相調(diào)用。一個交易可能部分在 EVM 中執(zhí)行，部分在 WASM 中執(zhí)行，并且結(jié)果無縫地組合在一起。

等一下，兩個 VM 怎么能無縫地和同步地工作呢？

Polkadot 通過 XVM 實現(xiàn)這一點。與 Polkadot 不同，WASM 和 EVM 出于幾個關(guān)鍵原因可以在 Arbitrum 上無縫地和同步地工作：

• 單一狀態(tài)：兩個 VM 都訪問相同的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)Trie。一個 VM 中的合約可以讀/寫到另一個 VM 中的合約相同的位置。這提供了對鏈狀態(tài)的統(tǒng)一視圖。
• 跨 VM 調(diào)用：當一個交易與 EVM 合約交互時，Geth 處理它并提供一個結(jié)果。如果 EVM 合約隨后調(diào)用了一個 WASM 程序，WASM VM 接管以計算該部分的結(jié)果。
• 共享上下文：像區(qū)塊數(shù)據(jù)、發(fā)送者地址等系統(tǒng)信息對兩個 VM 都是可用的。一個 WASM 合約可以像 Solidity 合約一樣獲取區(qū)塊號。
• 單一共識：驗證者運行兩個 VM 以驗證交易并就正確的鏈狀態(tài)達成共識。爭議將調(diào)用統(tǒng)一的欺詐證明系統(tǒng)。
• 兼容的經(jīng)濟學：像Gas計量這樣的概念延伸到各個 VM，確保在任一環(huán)境中都有適當?shù)挠嬎愠杀竞唾Y源。

對于欺詐證明，驗證者會在 EVM 和 WASM 執(zhí)行中進行細分（bisect），以必要時識別任何無效的步驟。WASM 的結(jié)構(gòu)允許系統(tǒng)保證終止并強制證明的有效性。

區(qū)塊鏈 | WASM

Arbitrum 并不是唯一認識到 WebAssembly（WASM）變革潛力的平臺。Polkadot 和 Cosmos 也都將 WASM 整合到了他們的生態(tài)系統(tǒng)中，每個平臺都提供了一組獨特的優(yōu)勢和功能。

Polkadot 允許用戶用 WASM 開發(fā)智能合約，并支持兩種語言：一種嵌入式 DSL 的 AssemblyScript 和類似于 Rust 的 Ink!。

另一方面，Cosmos 使用 CosmWasm 作為其智能合約運行時，允許開發(fā)者用 Rust 編寫合約。

在深入研究區(qū)塊鏈行業(yè)為何如此接受 WASM 之前，有必要先了解 Cosmos 和 Polkadot 突出的具體優(yōu)勢：

Cosmos 強調(diào) WASM 的以下優(yōu)勢：

• 與 Rust 庫的兼容性
• 多樣化的開發(fā)者社區(qū)
• 增強的安全性，包括防止重入攻擊
• 易于測試
• 高性能

Polkadot 的 WASM 運行時具有這些特點：

• 高性能
• 與 EVM 的互操作性
• 平臺不可知性
• 緊湊的二進制大小
• 同時支持 Rust 和 AssemblyScript（TypeScript 風格）

盡管 Polkadot、Cosmos 和 Arbitrum 共享 WASM 提供的一些共同優(yōu)勢，但每個平臺也都有其自己獨特的屬性。

這些主要區(qū)塊鏈平臺對 WASM 的廣泛采用證明了其在行業(yè)中日益增長的重要性，這使得理解為何這項技術(shù)正在迅速成為現(xiàn)代區(qū)塊鏈架構(gòu)基石變得至關(guān)重要。

為什么選 WASM

WASM 是什么

為了理解區(qū)塊鏈和 WebAssembly（WASM）之間的協(xié)同作用，首先必須了解 WASM 是什么以及其發(fā)展背后的推動力。

WebAssembly 是一種二進制指令格式，使代碼能夠在 Web 瀏覽器內(nèi)以接近本機速度執(zhí)行。它作為一系列編程語言（包括 C 和 Rust）的編譯目標，旨在快速、高效且安全。WASM 有效地彌合了基于 Web 和系統(tǒng)級編程之間的鴻溝，從而提高了 Web 性能和功能。

“Web” 在 WebAssembly 中突出了其在 JavaScript 環(huán)境（通常在瀏覽器中找到）中運行的能力。在這些設置中，開發(fā)者可以完全訪問 WASM API，并且具有全面的 Web API 支持，賦予他們相當大的控制 Web 行為的能力。

WASM 歷史

遵循“一次編寫，到處運行”的原則，WASM 出現(xiàn)作為一組長期挑戰(zhàn)的有力解決方案。截至 2016 年，許多程序通過領域特定語言（DSL）引入新功能，這通常涉及維護、效率和安全之間的權(quán)衡。有越來越多的需求尋求一種解決方案，該方案可以在不影響這些方面的前提下，為無數(shù)服務器提供新功能。

評估了各種現(xiàn)有解決方案的不足：

- 系統(tǒng)虛擬機

• 頻繁啟動和關(guān)閉帶來過多的開銷
• 缺乏代碼可見性以確保安全
• 對性能需求過于抽象

- 容器

• 缺乏代碼可見性以確保安全
• 由于高級抽象而效率低下
• 頻繁操作帶來顯著的開銷

- 語言級虛擬機

• 需要頻繁修改以確保安全
• 嵌入式 VM，如 V8，資源密集型
• 適應新語言到安全模型緩慢
• 仍然過于抽象

- 指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）

• 難以有效沙箱
• 以前的 Google 項目從其轉(zhuǎn)向 WASM
• 缺乏成熟的實現(xiàn)

到 2018 年，WASM 開發(fā)獲得了動力，重點是在各種架構(gòu)、服務器、嵌入式硬件上運行，甚至支持多種語言。與 Java 不同，WASM 的設計沒有妥協(xié)安全性。到 2019 年，引入了一個組件模型以提升 WASM 模塊，實現(xiàn)跨語言互操作性。這允許了像一次編寫 HTTP 庫并在多種語言中使用它這樣的解決方案。

至今，WASM 擁有一系列功能，并在云原生場景（包括區(qū)塊鏈）中越來越多地被采用。其優(yōu)點包括：

• 高性能
• 緊湊的二進制大小
• 跨平臺可攜帶性
• 支持多種語言，如 C/C++、Rust、AssemblyScript 等
• 在 JavaScript 引擎中執(zhí)行
• 帶有內(nèi)存和 CPU 限制的強大沙箱
• 極快的啟動時間，通常在毫秒或更短時間內(nèi)

WASM 社區(qū)繼續(xù)努力實現(xiàn)跨語言的更大集成和性能。

了解 WASM 的歷史演變?yōu)槲覀兲峁┝擞袃r值的背景，用于了解其在各種設置（包括像 Stylus 這樣的區(qū)塊鏈項目）中的當前和潛在角色。這一背景讓我們在探索有關(guān) WASM 在區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)的問題和疑慮時，具備了細致的理解。

Stylus Q&A

語言支持

WASM 的發(fā)展歷程揭示了為什么 Stylus 是 Arbitrum 生態(tài)系統(tǒng)的一個令人興奮的補充，但它也突出了一些局限性和疑慮。其中一個疑慮就是語言支持。雖然 Stylus 確實擴大了 Arbitrum 開發(fā)者社群以包括像 C++ 和 Rust 這樣的語言，但它在接納流行語言如 JavaScript 和 Python 方面還有所不足。

雖然有初步的項目旨在將 Python 和 JavaScript 帶到 WASM，但由于垃圾收集和性能問題的挑戰(zhàn)，這些努力尚未準備好廣泛采用。

語言兼容性

目前，Stylus 支持 C/C++ 和 Rust SDK，與這些語言的工具鏈無縫集成。開發(fā)者甚至可以在構(gòu)建智能合約時整合第三方庫，比如原生加密實現(xiàn)。做這樣的事的主要限制是相關(guān)的 gas 費用。

雖然 Rust SDK 還處于初級階段，Rust 和 C SDK 都有一些缺失的功能。例如，C SDK 不支持 ABI 導出函數(shù)，而修飾符在兩個 SDK 中都還未得到支持。

目前，沒有本地 Stylus 測試環(huán)境，但開發(fā)者可以直接在 SDK 內(nèi)運行測試。對于部署智能合約，目前只有測試網(wǎng)是唯一的選項，并且它還不支持智能合約驗證。目前正在進行努力，以將各種 ERC 代幣和 **[Uniswap V2](https://twitter.com/evmcheb/status/1697537852522049990)** 引入 Stylus 生態(tài)系統(tǒng)。

語言選擇的困境

在領域特定語言（DSL）、嵌入式 DSL（eDSL）和通用語言之間做選擇需要在低級控制和高級抽象之間權(quán)衡。開發(fā)全新的 DSL 需要在工具鏈和生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)上做出重大投資。與此相反，作為通用語言的子集，eDSL 允許更容易地與現(xiàn)有工具集成，并有更低的學習曲線。例如，在像 JavaScript 或 Python 這樣的流行語言中創(chuàng)建 eDSL 將是有益的。

通用語言需要使用 SDK，這引入了額外的工具，增加了冗長性，并減少了代碼的表達性，同時伴隨著更長的 API 調(diào)用和對象操作。

在語言選擇和 eDSL 開發(fā)之間找到正確的平衡可能是吸引更廣泛開發(fā)者社區(qū)的關(guān)鍵，同時提供用戶友好的工具。根據(jù)當前數(shù)據(jù)顯示，頂級加密開發(fā)者社區(qū)仍集中在以太坊周圍。然而，利用 Rust 進行智能合約的平臺，如 Polkadot、Cosmos 和 Solana，也在獲得關(guān)注，并在其開發(fā)者社區(qū)中快速增長。

性能

WASM 顯著提高了執(zhí)行速度并減小了包大小。雖然 Stylus 還未在主網(wǎng)上部署，但其他網(wǎng)絡的基準測試可以作為有用的參考。觀察到的執(zhí)行時間快了4-8倍，編譯后的大小減少了大約50%。

Stylus 目前對其合約設有大小限制，未壓縮時上限約為 128KB。這一限制使得將大型智能合約從其他語言（如 Solidity）移植過來變得具有挑戰(zhàn)性。在 Stylus 代碼庫中，該限制如下所述：

值得注意的是，WASM 在啟動和關(guān)閉時會產(chǎn)生一些開銷。對于輕量級操作，EVM 實際上可能比 WASM 更具成本效益。

與 EVM 的互操作性

EVM 和 WASM 共享相同的存儲槽和狀態(tài)樹，這有助于 Stylus 與 EVM 的互操作性。這是通過在 WASM 中實現(xiàn)的 EVM API 來實現(xiàn)的，使用流行的 Host I/O 模式。支持的 EVM API 的全面列表表明互操作性得到了全面支持。

自定義預編譯合約

這個方面尤為令人興奮，因為它代表了未知的領域。自定義預編譯合約有潛力以更低的執(zhí)行成本將額外的加密原語引入鏈上。它們還可以通過引入張量計算作為預編譯合約來降低推理成本。然而，目前似乎還沒有與自定義預編譯合約相關(guān)的現(xiàn)有代碼。雖然 EVM 組件存在預編譯合約，但它們不是熱插拔的。

這個功能可能仍在開發(fā)中，利用 WASM 的能力。EVM 可以調(diào)用用 WASM 編寫的函數(shù)，然后將其編譯為機器代碼。

可重入功能

與 CosmWasm（采用沒有可重入功能的 Actor 模型）相反，Stylus 的 Rust SDK 默認情況下關(guān)閉了可重入功能作為一個功能標志。開發(fā)者有選擇手動啟用此功能的選項。

激活可重入功能將需要進行一些 API 調(diào)整。特別是在調(diào)用過程中刷新存儲緩存等安全預防措施方面，開發(fā)者需要小心謹慎。

洞見

Stylus 開放了一些在僅使用 EVM 時太耗費 gas 的新用例，如高性能加密、游戲和 AI。它還允許自定義預編譯合約，使開發(fā)者可以添加自己的加密和其他基礎功能，而無需等待升級。在過去，我們看到一些非以太坊生態(tài)系統(tǒng)采用了 WASM，如 Cosmos 和 Polkadot。這是以太坊社區(qū)首次采用 WASM?？傮w而言，Stylus 代表了智能合約開發(fā)的重大進化，將有助于以太坊和 Arbitrum 實現(xiàn)擴容，同時與所有現(xiàn)有應用保持互操作性。

將 Stylus 集成到 Arbitrum 的Layer2 SDK 可為第三層開發(fā)者提供更大的靈活性。他們現(xiàn)在可以將以前超過 gas 限制的密集計算移到鏈上，從而打開新的可能性。開發(fā)者不再僅限于使用 Solidity，如果 Rust 或 C++ 更符合他們的需要和專長，也可以選擇這些語言。自定義預編譯合約允許無縫地將首選的加密、實用程序和其他助手函數(shù)遷移到鏈上以獲得最佳性能。以適應每個用例的語言直接編寫低級邏輯會導致更加流暢的開發(fā)。開發(fā)者可以專注于核心產(chǎn)品功能，而不是為了避免 gas 成本而采取權(quán)宜之計。通過消除語言和 gas 限制，Stylus 使第三層構(gòu)建者能夠從一開始就使用適合其領域的正確工具，構(gòu)建最高效的用戶體驗。

Stylus 也證明了 Arbitrum 有能力進行大規(guī)模革新，并且集成新的虛擬機。Ed Felten, Co-founder & Chief Scientist of Arbitrum & Offchain Labs 提到 Arbitrum 基于業(yè)界熱門工具和編程語言開發(fā)。他們可以更加迅速地編寫測試以及在原用系統(tǒng)之上開發(fā)新功能。OP 在 ZK 化的道路上走的更遠，已經(jīng)逐漸走向了混合 Rollup 的思路。Optimism 目前和 Risc0 合作，使用 Zeth 為 OPRU 生成零知識證明。使用這套解決方案，Optimism 并不用對 OPRU 進行額外的修改。如果你對 Zeth 感興趣，可以看我之前寫的[推特](https://x.com/glazecl/status/1709947992168710174?s=20)。

我們非常期待在 Arbitrum 上看到 AI 應用。目前，在鏈上進行機器學習非常耗費 gas，使得開發(fā)成本高昂。零知識 ML 可以降低成本，但也會為開發(fā)者帶來顯著的額外復雜性。如果我們能通過 Stylus 實現(xiàn)張量操作作為自定義預編譯合約，并以一小部分的成本原生執(zhí)行它們，那么就會為高性能的在鏈上機器學習打開新的可能性。通過讓開發(fā)者用他們熟悉的語言（如 Python）快速構(gòu)建和部署 ML 算法作為易于集成的預編譯合約，Arbitrum 可以推動 DeFi、GameFi 等領域的下一代 AI 創(chuàng)新。Stylus 的性能和靈活性將使我們能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新的 ML 架構(gòu)，而不是 gas 優(yōu)化。我們期待看到社區(qū)的創(chuàng)造力應用于這一新興范式。