Introdução

Desde lutar com bytecode no Etherscan até proteger-se contra todo o tipo 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 pilha de tecnologia Solidity-EVM e as linguagens convencionais como Rust, C++ ou Python. À medida que o espaço blockchain continua a amadurecer, há uma grande necessidade de colmatar esta lacuna do programador e permitir um desenvolvimento web3 muito mais composável.

Neste artigo, apresentaremos o mais recente projeto da Offchain Labs, Arbitrum Stylus, revelado na conferência Blockchain Applications Stanford Summit (BASS) durante a Stanford Blockchain Week. Arbitrum Stylus é um projeto de referência que visa criar um novo padrão para a 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 dos detalhes de implementação do projeto e, finalmente, discutir o impacto do projeto no espaço web3.

Motivação para Arbitrum Stylus

O Arbitrum Stylus foi desenvolvido para resolver dois problemas-chave no desenvolvimento de blockchain: (1) a acessibilidade do desenvolvimento de blockchain e (2) a eficiência executiva dos contratos inteligentes.

Tornar o desenvolvimento de Blockchain mais acessível

Relatório do Desenvolvedor da Electric Capital. Imagem da Fonte [1]. Recuperado 20 de outubro 2023.

De acordo com o Developer Report da Electric Capital, existem atualmente cerca de 20.000 programadores de blockchain ativos mensais [1]. Embora este número tenha aumentado muito nos últimos anos, ainda está muito atrás dos milhões (ou dezenas de milhões) de programadores 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 programadores de contratos inteligentes.

Uma das melhores maneiras de fazer isso é através da integração do processo de desenvolvimento de contratos inteligentes com linguagens convencionais existentes, como Rust ou C++. Esta é a abordagem que muitos ecossistemas não-EVM, como Solana e Cosmos adotaram, com o Rust a emergir como a linguagem de contrato inteligente de facto nesses ecossistemas. O ecossistema EVM, até agora, depende principalmente da sua própria linguagem de programação distinta Solidity para escrever contratos inteligentes. A Arbitrum Stylus, no entanto, procura mudar isto permitindo que os programadores de blockchain escrevam contratos inteligentes em linguagens convencionais como o Rust e depois implementem em cadeias compatíveis com EVM.

Tornar a Execução de Contratos Inteligentes mais Eficiente

Nos últimos anos, à medida que as aplicações descentralizadas explodiram em popularidade, tem havido um aumento dramático da procura de computação em cadeia, especialmente na rede Ethereum. Este aumento na procura da rede levou a preços exorbitantes do gás. Isso, por sua vez, estimulou uma série de inovações no aumento do rendimento transacional de blockchains públicos, e o Arbitrum é um dos projetos e ecossistemas mais proeminentes neste espaço. Isto inclui a cadeia emblemática Arbitrum One L2, bem como a pilha tecnológica Arbitrum Nitro.

Arbitrum Stylus é uma extensão natural de tudo isso e a mais recente solução no kit de ferramentas do Arbitrum. Em comparação com as soluções anteriores, que se concentram na otimização da eficiência intertransacional das transações (como transações em lotes através de rollups), a Stylus concentra-se na otimização do nível intra-transacional — especificamente, como cada transação é executada. Ao permitir que os contratos sejam executados no WebAssembly (WASM), os contratos Stylus são uma ordem de grandeza mais rápidos, prometendo taxas de gás mais baixas, bem como ter acesso a memória que pode ser até 100-500x mais barato do que usar o EVM [2].

Caneta: Fornecimento de composição WASM + EVM

WebAssembly e Arbitrum Nitro

Para perceber porque é que o Stylus é muito mais eficiente e composível do que um motor EVM tradicional, precisamos primeiro entender o papel do WebAssembly, ou WASM. O WASM é uma forma de linguagem assembly, o que significa que é essencialmente código binário legível por máquina, em vez de linguagens legíveis por humanos, como Rust ou C++. Em vez disso, estas linguagens legíveis por humanos precisam de um “compilador” para as transformar em “linguagens de montagem” legíveis por máquina antes de serem executadas.

O WASM em particular, como o próprio nome sugere, é uma linguagem assembly optimizada para navegadores web, para aumentar a velocidade de execução de aplicações Web baseadas principalmente em JavaScript. Por ser uma linguagem de montagem portátil, modular e facilmente executável, o WASM permite aos programadores escrever diretamente trechos de código numa variedade de linguagens convencionais, como Rust ou C++ [3].

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

O Arbitrum Stylus adiciona principalmente um motor de execução WASM em cima deste comprovador de fraude WASM existente herdado do Arbitrum Nitro, baseado num dos principais motores WASM chamado Wasmer, que executa código muito mais rápido do que o Geth executa bytecode EVM [2]. Com um motor de execução e um motor de prova, isto permite que os contratos inteligentes sejam completamente escritos, executados e provados no 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 programadores de blockchain escrevam, implementem e executem contratos inteligentes numa grande variedade de linguagens convencionais de uso geral.

Comparar o EVM com o Stylus EVM+. Imagem da Fonte [2].

Coerência no motor EVM+

O Arbitrum Stylus fornece aos programadores a opção extra de escrever contratos em Rust e outras linguagens compatíveis com WASM, sem ter de sacrificar a capacidade de escrever e executar contratos inteligentes no Solidity. Por ter dois motores de execução co-iguais do EVM e do WASM, a Stylus também oferece aos programadores a opção de escrever parte da sua aplicação no Solidity e outra parte no Rust.

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

Em primeiro lugar, o Solidity e outros contratos baseados em EVM são compilados no mesmo bytecode e depois executados como normalmente fariam num motor EVM puro. Os contratos inteligentes baseados no WASM, como os escritos em Rust, por exemplo, serão anotados por um “cabeçalho” extra no início do contrato. Assim, quando esses contratos são chamados, a Stylus VM é capaz de dizer quais contratos exigem o motor EVM e quais contratos exigem o motor WASM. Este design também é responsável por um grande grau de interoperabilidade, onde os contratos escritos em WASM podem fazer chamadas para contratos escritos em Solidity, e vice-versa. Esta é também a principal maneira pela qual a Stylus difere de outras blockchains que adotaram motores de execução WASM: A Stylus garante que os contratos WASM são completamente composáveis e interoperáveis com os EVM, permitindo a compatibilidade com as anteriores e os contratos WASM para explorar a liquidez do EVM.

Outra perspectiva para olhar para o motor duplo da Stylus de EVM e WASM é ver a blockchain como uma “máquina de estado mundial” que sofre certas transações de estado, conforme definido no EVM. No Ethereum, o estado na cadeia é representado através de uma estrutura TRIE, ou uma estrutura de dados semelhante a uma árvore usada para armazenar e recuperar dados de forma eficiente [4]. Ambos os motores 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.

Poupança de custos do motor EVM+

Anteriormente, já demos a entender que usar o motor WASM pode permitir economias substanciais de custos devido ao aumento da eficiência de execução. Podemos agora examinar como isso é conseguido. Para isso, vamos considerar uma única instrução ADD, digamos para 2 + 3.

No EVM, teríamos de seguir os seguintes passos [5]:

1. Pague pelo gás, exigindo várias pesquisas de uma tabela na memória
2. Considere o rastreio, mesmo se estiver desativado
3. Retirar dois itens da pilha simulada
4. Junte-os
5. Empurre o resultado

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

Por outro lado, suponha que utilizámos WASM para esta operação simples de ADD. Só precisamos 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 isto é 150x mais barato que o ADD EVM. Dada toda esta poupança de gás, a Stylus VM introduziu até uma nova subunidade de “gás”, chamada “tinta”, atualmente definida por defeito como 1/10000 de 1 gás, e até configurável pelo proprietário da cadeia [5].

Há, no entanto, uma ressalva a todas estas poupanças de gás, ou seja, requer gás para ativar o Stylus VM em primeiro lugar, atualmente definido para uma taxa fixa de 114 milhões de gás. Além disso, chamar um programa Stylus em si requer atualmente cerca de 128-2048 gás [5]. Assim, ativar o ambiente WASM apenas para otimizar uma única operação ADD para dois inteiros pode não fazer necessariamente sentido economicamente. No entanto, para contratos inteligentes que consomem muita memória, todas essas economias serão agravadas, compensando esse “custo de ativação”. 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 poupança de 500x [6]. Um corolário disso é que as aplicações com uso intensivo de memória simplesmente não são possíveis no EVM de baunilha, uma vez que rapidamente se depara com todos os tipos de limites de gás. No entanto, isso torna-se completamente possível na VM Stylus, dadas as ordens de magnitude, a RAM mais barata passa a usar um tempo de execução WASM.

Desbloquear Novos Casos de Utilização com Stylus

1. Aplicações com uso intensivo de memória

Como discutido acima, uma das partes mais interessantes da Arbitrum Stylus é a sua habilitação de aplicações com uso intensivo de memória na cadeia. Isto desbloqueia toda uma nova classe de aplicações, tais como NFTs generativos de IA, negociação de alta frequência e jogos on-chain [7]. Na verdade, a Stylus VM pode ser uma tecnologia de referência que permite que a IA, notória 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 com EVM da Stylus e a capacidade de permitir que contratos baseados em WASM sejam interoperáveis com contratos Solidity nativos significa que esses contratos WASM podem explorar totalmente a enorme liquidez e base de usuários no EVM. Recorde-se que já mencionamos anteriormente que muitas VMs alternativas, como Solana e Cosmos, usam linguagens compatíveis com WASM, como o Rust, para executar os seus contratos inteligentes. O motor WASM da Stylus significa que os programadores destas VMs alternativas podem facilmente portar os seus contratos para o ecossistema EVM e tirar imediatamente partido da liquidez do EVM.

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

Outra vantagem do Stylus permitir que os programadores utilizem linguagens convencionais como Rust e C++ para escrever os seus contratos inteligentes é que os programadores podem fazer uso da enorme quantidade de bibliotecas de uso geral que suportam estas linguagens convencionais que contêm tudo, desde computação em cadeia a primitivas criptográficas e E/S de ficheiros.

Mais importante ainda, os programadores podem beneficiar de uma infra-estrutura de ferramentas sofisticada criada para estas linguagens convencionais. Isto não inclui apenas gestores de pacotes avançados, mas também uma infra-estrutura de depuração familiar, como o kit de ferramentas GDB em C/C++. Tudo isso provavelmente aumentará muito a familiaridade de desenvolvimento da web3 e permitirá um processo de integração muito mais simples no desenvolvimento de blockchain e na pilha EVM.

4. Trazendo a computação em cadeia para a IoT para DePin

Com o aumento da eficiência de execução do WASM, a Stylus VM poderá abrir a porta para integrar a computação em cadeia com dispositivos portáteis na Internet das Coisas (IoT) — incluindo tudo, desde semáforos a frigoríficos inteligentes e smartwatches. Embora o WASM tenha sido originalmente concebido para ambientes de browser, a sua arquitectura modular e portátil e execução eficiente tornaram-no perfeito para dispositivos IoT, que exigem tempos de execução pequenos e eficientes [8].

Assim, a VM WASM da Arbitrum Stylus é um ajuste natural para a tendência crescente das Redes Descentralizadas de Infraestrutura Física (DePin), que procuram 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 de blockchain com dispositivos IoT, o Arbitrum Stylus pode servir como uma porta de entrada importante para permitir que esses dispositivos executem eficientemente a computação baseada em WASM e possam explorar a liquidez EVM através do ecossistema Arbitrum [10].

Conclusão

Ao longo deste artigo, explorámos em profundidade a motivação, implementação e impacto do Arbitrum. Caneta. Ao permitir que os programadores escrevam e implementem contratos inteligentes numa grande variedade de linguagens convencionais, o Stylus torna o desenvolvimento de blockchain mais acessível e eficiente, combinando a capacidade de composição convencional com a liquidez EVM para desbloquear uma vasta gama de novas aplicações, especialmente aquelas que consomem muita memória. Assim, a Stylus é indiscutivelmente um projeto de referência na definição da próxima geração de contratos inteligentes composáveis, tornando-se uma plataforma capaz de desfocar os limites entre o desenvolvimento web2 e web3 para criar uma pilha de desenvolvimento blockchain mais eficiente, integrada e com desempenho.

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1. Este artigo foi reimpresso do [STANFORD BLOCKCHAIN CLUB]. Todos os direitos autorais pertencem ao autor original [Rachel Bousfield; Jay Yu]. Se houver objeções a esta reimpressão, contacte a equipa do Gate Learn, e eles tratarão disso imediatamente.
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