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2022/02/20阅读:84主题:自定义主题1

深度解读波卡智能合约平台Gear:通往并行架构公链之路

本篇转载自:https://www.chaincatcher.com/article/2070284

摘要

2021 年 11 月,随着波卡主网正式开启平行链插槽拍卖,波卡生态顿时成为一股耀眼的新势力。其创始人 Gavin Wood 主张的“多链互联”在为区块链领域带来广阔想象空间的同时,也让包括 Acala、Moonbeam、Astar 等在内的波卡生态项目火热一时。

在众多波卡生态项目中,Gear 则是相对被低估的项目之一。作为波卡智能合约平台,在技术上支持异步编程和并行计算、WASM 虚拟机,据称 Gear 的运行速度大幅高于传统 EVM 链,其 TPS(每秒交易数量)可比以太坊和 BSC、Polygon 等 EVM 系公链高出几个数量级。Gear CEO Nikolay Volf 也明确表示,Gear 将支持 DApp 开发者使用 Rust、C、C++等主流开发语言部署智能合约,并推出适用于不同应用的模板和库,让开发者仅修改部分参数就能轻松地部署 DApp,尽可能增强其兼容性。

此外,Gear CEO Nikolay Volf 此前在波卡母公司 Parity Technologies 担任核心开发者,参与了 Parity 以太坊客戶端及 Substrate 框架的开发,并与波卡创始人 Gavin Wood 共事长达 6 年。

下面,链捕手将从应用场景、团队成员、技术方案、竞品分析、优劣势分析等角度,对 Gear 项目进行深度解读。

二、项目简介

1.应用场景

Gear 是波卡—Kusama 生态的智能合约平台,将于未来成为波卡的一条平行链。由于波卡中继链本身不支持 DApp 合约部署,开发者想要进入波卡网络,往往要在平行链上部署合约代码,或自行构建并启动一个区块链,接入波卡网络。后者需要质押大量的 DOT 代币以参与插槽竞拍,成本高昂,所以绝大多数开发者会选择在某条合适的平行链上部署其 DApp 程序代码。

作为一条平行链,Gear 充当了搭载 DeFi、DAO、NFT、供应链管理系统等多类别 DApp 的平台,为开发者提供各类基础设施,支持开箱即用式的创建流程,并使其所搭载的 DApp 获得来自波卡中继链的安全性保障。同时,若该项目所提出的并发式任务处理机制顺利投入使用,其运行速度可大幅超越波卡的其他平行链,进而成为波卡生态的最佳入口。 从本质来看,Gear 的定位是一条新公链

2.团队背景

联合创始人兼 CEO:Nikolay Volf

Nikolay Volf 是 Gear 的联合创始人兼首席执行官,自 2015 年以来在波卡母公司 Parity Technologies 担任核心开发者,并与波卡创始人 Gavin Wood 合作长达 6 年。在 Parity 工作期间,Volf 参与了 Parity 以太坊客戶端及 Substrate 框架的开发工作,并领导了 WASM 智能合约的初版实现。 联合创始人兼 CFO:Ilya Veller

Ilya Veller 是 Gear 的联合创始人兼首席财务官,曾在 Renaissance Capital、摩根士丹利及美国银行任职,与全球范围内的对冲基金及高净值人士合作长达 20 余年。在过去 20 年里,Ilya Veller 为各种项目筹集资金超 10 亿美元。 联合创始人兼开发主管:Alexander Bugorkov

Alexander Bugorkov 是 Gear 的开发主管,拥有在 Lyft、New Relic 和 Spotify 等知名科技公司工作的经验。 CTO:Petr Volynskiy

Petr Volynskiy 是 Gear 的首席技术官,拥有在多个领域进行产品开发及技术领导的丰富经验,涉及领域包括项目和业务流程管理的应用程序开发、系统架构、跨平台开发环境、Web 及移动端程序、操作系统、虚拟化和云端(SaaS、IaaS、PaaS)。

3.项目进展

2021 年 8 月,Gear 项目方正式对外公开该项目。

2021 年 9 月,Gear 项目方公开其 GitHub 代码库,并完成其测试网节点配置。

2021 年 11 月,Gear 重构了其标准库。

2021 年 12 月,Gear 完成 1200 万美元私募轮融资,Blockchange Ventures 领投,三箭资本、Web3 基金会和 Parity Technologies 的高管、Lemniscap、Distributed Globals、LAO、Mechanism Capital、Bitscale、Spartan Group LLC、HashKey 等参投。

2022 年 2 月,Gear 官方宣布将于 3 月编写白皮书,或将于近期发布测试网,并计划在 2022 年上线主网。

三、技术方案解读

WASM 虚拟机

为了在节点虚拟机(作用是在不同的节点设备上搭建相同的程序运行环境)及开发语言层面进行改善,以太坊之后的 EOS、NEAR 和 Substrate 框架及波卡中继链节点均采用 WASM 虚拟机,Gear 也是如此。不同于因以太坊团队的“闭门造车”而生的 EVM 和 Solidity 语言,WASM(WebAssembly)语言由谷歌、微软、W3C 等顶级科技公司共同研发多年,并于 2017 年 11 月被 Firefox、Chrome、Microsoft Edge、Safari 等四大网络浏览器支持。

相比于 EVM,WASM 虚拟机在标准化工作上发展已久,附带更完备、与大多数现代硬件架构兼容的指令集(用于和硬件设备互动),可将 Rust、C、C++ 等高级语言编译为机器码,接近于原生速度运行。Gear 的 CEO 表示,理论上,WASM 最高可比 EVM 快 10 倍。

由于支持编译 Rust 和 C、C++等主流语言,WASM 虚拟机的采用使得基于 Gear 的智能合约开发支持受众更广、更传统的编程语言(如 C 和 C++),便于将传统 IT 行业的程序员引入到区块链和 Web3 领域。再考虑到并行计算等传统计算机环境中拥有的功能,Gear 整体上将比以太坊及采用 EVM 的公链,及其他不支持并行模式的新公链更接近传统计算机环境。

并行任务处理与异步编程模式

制约当前公链 TPS(每秒交易数)的一大瓶颈,在于多数公链(尤其以太坊、BSC 和 Polygon 等 EVM 系公链)采用单线程(每一时刻只能处理一个任务)处理模式,这大大限制了区块链网络在时间层面进行扩展的可能性。

与绝大多数公链不同的是,Gear 在技术架构上直接做出了巨大改变。在其技术文档中,明确提出 Gear 网络节点将支持“并行处理”(在同一时刻运行多个任务)和“异步编程”(调用某函数功能的结果可延时返回),为此其采用了“并行处理流”和“消息传递通信模式”“Actor 通信模型”及“async/await 声明”

从理论层面讲,以上特性可以让 Gear 的 TPS 比普通公链高出几个数量级

Gear 所采用的被称作“消息传递通信”的交互模式,将每笔交易事件都视作不同用户间传递的“消息”来处理。这种交互模式在传统计算机领域已获得广泛采用,比古老的“共享内存模式”具有更好的性能。 (图片来源:Gear 技术文档)

同时,在 Gear 节点的虚拟机架构中,允许根据 CPU 内核数创建对应的“事件流”(可以理解为流水线),比如 CPU 有两个内核就可以创建两个流,将交易事件打包置入两个不同的事件流中,交由两个不同的 CPU 内核去执行。比如:原本有 100 个事件需要处理,若是只有一个事件流,由单个内核去执行,需要 100 秒;若是建立两个事件流,每个流包含 50 个事件,分别交由两个内核去执行,就只需要 50 秒。理论上来说,采取这种多内核并行工作的模式,最快可以将任务耗时缩短数倍。 (图片来源:Gear 技术文档)

但同时运行多个交易事件的场景可能诱发冲突,比如:事件 A 和事件 B 同时被不同的 CPU 内核执行,但这两个事件要调用的合约地址都是 C,那么此时事件 A 和 B 就会互相影响,干扰对方对合约 C 的代码调用,并产生类似“双重支付”的现象。

为了避免以上场景,Gear 的解决方案是将上文中的 A 和 B 放入同一个“事件流”,交由同一个 CPU 内核按先后顺序执行,这样就可以解决共享资源问题。

以此,Gear 节点可支持多线程(同一时刻执行多笔交易事件),并解决事件间相关联、彼此冲突的问题。通过这种形式,Gear 可大幅提高运行效率。

以上是 Gear 在交易事件处理模式上的改进。但一笔交易事件又可被拆解为多个步骤,或者说对多个合约程序的调用,因此,为了在更细分的结构上提升效率,Gear 还想法设法加快链上程序(智能合约)的代码执行速度,并改善开发者的编程体验。为此,Gear 直接支持“异步编程”模式。

在传统编程模式中,代码需要按顺序从上到下一行一行“同步”执行,顺序靠前的代码指令执行完毕,才会执行顺序靠后的下一行代码,有着严明的次序之分。这种模式有其弊端,比如调用某个指令功能(如下图中的 printf)后,系统会等待该指令执行完。若是该指令长时间未执行完,耗时很长,后面的代码都必须排队等候,这会拖延整个程序的执行。在“兵贵神速”的区块链世界,这无疑会让系统的 TPS 下降。 为此,Gear 采用了“异步编程”的模式,程序(智能合约)在执行一个指令时,可以继续执行下一个指令,而不必处于“等待”状态。之前所执行的指令功能可以在未来返回响应结果。比如,Gear 上的某个智能合约,在代码段中包含调用多个其他合约(A、B、C)的指令,若为传统“同步”模式,要调用完 A 后才调用 B,B 用完后是 C;若采用“异步”模式,相同的时间段内,几乎立即对合约 A、B、C 同时调用,无需耗时等待调用过程的完毕,这样就可以缩短合约代码的执行时间。从本质来看,“异步编程”就是让智能合约的不同代码指令实现“并发执行” (图片来源:CSDN)

如前文所述,Gear 通过支持“并行计算”和“异步编程”的机制,在同一时间内处理多个交易事件,大幅提高效率,但这会带来其他隐患。比如,用户 A 发起一笔交易,调用链上程序 B;B 在执行时又要调用程序 C 和程序 D,而程序 C 和程序 D 又要调用一个相同的程序 E;按照“并行”和“异步”的模式,若是 C 和 D 同时执行,就会在同一时间调用 E,这会造成资源调度上的冲突,造成混乱。

以上情形中的调用程序(合约)必须要有确定的先后顺序,对此,Gear 采用了 Actor 模型解决这一问题

Actor 模型于 1973 年被提出,是一种支持并发的逻辑模型,最初专为由大量独立微处理器组成的高并行计算机开发,目前在传统计算机编程中已获得较为广泛的采用。在区块链的应用场景中,Actor 模型会将不同的智能合约归类为不同的 Actor 实体,每个 Actor 实体都拥有各自的邮箱(mailbox),按照先后次序接收与其相关的消息(交易事件),进而按照事件的次序更改自己的数据状态。每个 Actor 实体每次只处理一个事件,这就可以消除共享状态,避免多个事件同时影响 Actor 实体。同时,不同的 Actor 实体间可以互相发送消息,以互相调用,这正对应着区块链上合约之间互相调用的场景。 (图片来源:CSDN)

可以这样理解:Actor 实体便是添加了自己的“交易事件队列”的智能合约。上文中所提到的,同时运行中的合约 C 和 D 共同调用合约 E 的情形下,C 和 D 各自的调用申请会按照发起的时间点(可能非常接近,但足以区分),依照先后次序被放入合约 E 自己的 mailbox 消息队列中,然后 E 会按先后次序分别执行完 C 和 D 的调用请求(比如先执行完 c 的请求后再执行 D 的),这样一来,冲突就被化解了。可以说,Actor 逻辑模型正契合智能合约的特征(拥有独自的状态和存储空间)。

通过使用 Actor 模型,Gear 上的开发者在智能合约开发中,可实现代码指令的“异步编程”与“异步执行”(实质为并发执行)。在此基础上,Gear 可以支持 Rust 语言原生的异步编程功能,如 Futures 和 async/await 等关键语法,这是 Solidity 语言长期以来所不具备的功能。异步编程将很大程度改写智能合约代码的编写范式,并为开发者带来巨大便利。

综上所述,结合“并行处理”和“异步编程”这两个最重要的独特功能,Gear 可以比传统公链更快速的处理交易事件,更快的运行链上程序,使其 TPS 获得大幅提升

四、竞品情况

由于 Gear 本身定位为波卡平行链,其竞品为波卡生态其他的平行链,如:Moonbeam、Astar、Acala、Parallel、Clover 等。本文将主要对比这些平行链(主网已投入使用)的相关信息。

1.Moonbeam

Moonbeam 是波卡上的 EVM 兼容链,定位为兼容以太坊的波卡智能合约平台。通过其 EVM 兼容性,开发者能够以最少的更改,将现有的 Solidity 智能合约和 DAPP 部署到 Moonbeam 上,再通过 Moonbeam 与中继链的互通,实现整个波卡生态的互通。

团队方面,Moonbeam 开发团队 purstake 创始人为美国人 Derek Yoo,曾在办公社交软件 FOZE 母公司任职 CTO 达 12 年,后又曾任该公司 CPO(首席产品官)。 2019 年 5 月,Derek Yoo 创建了 Purstake 公司。该公司曾参与 Substrate 框架的开发,主要负责 Frontier 模块。

融资方面,2020 年 9 月,Moonbeam 开发团队 PureStake 完成140 万美元种子轮融资,Hypersphere Ventures 领投;2021 年 3 月,该团队完成600 万美元战略轮融资,CoinFund 领投,Binance Labs、IOSG Ventures、ParaFi、Coinbase Ventures、分布式资本等机构参投。

目前,Moonbeam 链上原生协议主要包括:DEX 平台,如 StellaSwap 和 BeamSwap、Zenlink 等;Yield 类项目 Pickle 和 Astral Financial;期权做市类项目 Polkamarkets;跨链桥 cBridge 和 Connext。

截止 2 月 15 日,Moonbeam 总锁仓量 TVL 约为 1.8 亿美元,StellaSwap 占有 45.74%的锁仓份额。Moonbeam 在 Kusama 的先行网 Moonriver 总锁仓量超过 2.1 亿美元。 (图源:Defi Llama)

Moonbeam 的链上数据大致如下,目前该平台已处理超105 万笔转账,其代币 GLMR 在波卡生态的持币地址数达到10 万多 (图源:SubScan)

2.Astar(原 Plasm)

Astar 的定位是多链、多虚拟机智能合约平台,可同时支持 EVM 和 WASM 虚拟机,在支持原以太坊上 DApp 开发者的同时,可拓展至 Solidity 生态以外的开发者。同时,Astar 具有独特的“DApp Staking”激励机制,其为了吸引 DApp 的部署,将每个区块奖励的 50%分发给 DApp 项目开发者和提名者,50%分配给 POS 质押节点。该机制旨在为开发者提供更明确的长期营收路径,增强其积极性。

目前,Astar 已进行跨链桥开发,将支持以太坊、BSC、Polygon、Avalanche、Dfinity、Cosmos 等。其同时支持 Layer2 生态,已实现 OVM 解决方案(Optimistic Virtual Machine),可帮助 Layer2 网络进行资产转移和信息交互。按照其愿景,Astar 致力成为包含各种复杂开发环境、支持多种类型 DApp 智能合约平台。

团队方面,Astar 的开发公司 Stake Technologies 是一家 2018 年成立于日本的公司,创始人为渡边创太,拥有日本互联网行业的资源。2021 年,Astar 生态受到微软日本的“Microsoft For Startups”计划支持,获得了包括 Azure 等微软服务和微软全球网络等基础设施支持。

融资方面,Astar(原 Plasm)近一年先后获得 3 轮融资,累计融资额达到 3440 万美元,投资机构包括 Binance Labs、Polychain Capital、HashKey Capital、Alameda Research 等。

Astar 在今年 1 月正式上线主网,目前其链上协议主要包括 DEX 平台 ArthSwap、PolkaEx 和跨栏桥 cBridge。截止 2 月 15 日,Astar 总锁仓量 TVL 约为 4.8 亿美元,其中,参与 Astar dApps Staking 激励计划的锁仓金额为 4.4 亿美元,占有 Astar 全网锁仓份额的 90.57%。Astar 在 Kusama 上的先行网 Shiden 总锁仓量约为 1500 万美元。 (图源:Astar Network)

Astar 的链上数据大致如下,目前该平台已处理近65 万笔转账,其代币 ASTR 在波卡生态的持币地址数达到约6 万 (图源:SubScan)

3.Acala

Acala 的定位是服务于波卡 DeFi 生态的底层基础设施,同时支持 EVM 和 WASM 虚拟机,且面向用户构建了完整的 DeFi 应用程序,包括抵押借贷的稳定币系统、释放质押资产流动性协议和 DEX 等核心基础设施。由于支持 EVM,Acala 面向开发者提供了兼容以太坊智能合约的模块,提供一系列开箱即用的 DeFi 组件,帮助开发者在 Acala 应用层上构建各类程序,如 NFT、DEX 等。

团队方面,Acala 开发团队由去中心化金融协议 Laminar 团队和 Polkawallet 团队联合发起,还有部分成员来自 Web3 基金会。团队 CEO 为苏锐涛(Ruitao Su),毕业于奥克兰大学,此前是 Centrality 的首席技术官。CTO 为陈锡亮(Bryan Chen),毕业于奥克兰大学,是 Substrate 代码库的主要贡献者和波卡大使;COO 为 Bette Chen,毕业于奥克兰大学,负责区块链协议和 DApp 产品研发。

融资方面,Acala 在 2020 年 3 月完成 150 万美元种子轮融资,Polychain 领投,Hashkey、KR1 等参投;同年 8 月,Acala 完成 700 万美元 A 轮融资,Pantera Capital 领投,ParaFi Capital、1confirmation、Arrington XRP Capital、Coinfund、DCG 等参投。2021 年 3 月,Acala 获得 Coinbase Ventures 投资,金额未披露。

Acala 在今年 1 月开通转账功能,并在 2 月 10 日开启百万 ACA 奖励计划,以激励其链上 DEX 平台 Acala Swap 的发展。截至 2 月 15 日,Acala 在 Kusama 上的先行网 Karura 总锁仓量约为 4500 万美元。

Acala 的链上数据大致如下,目前该平台已处理近49 万笔转账,其代币 ACA 在波卡生态的持币地址数达到14 万 (图源:SubScan)

4.Parallel Finance

Parallel Finance 的定位是一条主打 DeFi 的平行链,推出多种 DeFi 产品,目前采用 WASM 虚拟机,其名为 Leverage Staking(杠杆抵押)的服务已在先行网 Heiko 投入使用,允许用户将质押的资产借出,以同时获取质押和借贷的双重利息。Parallel—Heiko 还支持 Auction Loans(拍卖借贷),允许用户以固定或浮动利率或根据项目借款的数额来决定未来所占份额的比率,以此将自己的 DOT 或者 KSM 借给插槽拍卖的众贷参与者。

团队方面,Parallel Finance 项目大约启动于 2021 年 4 月,发起者为八维资本的创始人阮宇博,团队其他成员有 Facebook、JPMorgan 或 Sushi、TrueFi、Mina 等公司任职背景。

融资方面,Parallel Finance 去年共完成 3 轮融资,累计融资额为 2000-3000 万美元之间,投资机构包括 Polychain Capital 领投,Slow Ventures、Lightspeed Venture Partners、Blockchain Capital 和 Alameda Research,Pantera Capital、、红杉资本和 Founders Fund 等。

目前,Parallel Finance 总锁仓量 TVL 约为 6 亿美元,基本集中于其插槽拍卖众贷业务板块。

Parallel Finance 链上数据大致如下,目前该平台已处理近4 万笔转账,其代币 PARA 在波卡生态的持币地址数达到约3 万 (图源:SubScan)

5.Clover

Clover Finance 的定位是波卡生态的EVM 兼容链,为基于 Substrate 的应用程序创建一站式兼容 EVM 框架,以降低开发人员的门槛和成本。以太坊和 BSC 等 EVM 系公链的项目可以简单地将智能合约迁移到 Clover 上。

针对以太坊的高 Gas 费,Clover 设计了免费经济模型,每笔交易直接从交易的资产中收取交易费,用户将不必额外存储 ETH、BNB、HT 等专用于支付 Gas 的代币,大幅降用户使用门槛;同时,Clover 针对开发者有 Gas 分配模型,重新设定了 Gas 分配参数,将 Gas 费直接发送给网络维护者和 DApp 开发者,为智能合约开发者创造被动收入。

团队方面,Clover 项目开始于 2020 年 11 月,项目负责人&联创 Viven Kirby 曾担任前微软 ERP 软件开发技术负责人和架构师,及许多区块链项目的核心开发者。技术负责人&联创 Burak Keçeli 曾担任支付产品 GatePay 的技术负责人和跨境支付产品 Staqq 创始人。运营主管&联创 Norelle Ng 曾是 Bithumb Global 的合伙人和 Amber Group 的客户关系主管。

融资方面,2021 年 2 月,Clover Finance 完成300 万美元种子轮融资,Polychain、Hypersphere、Bithumb Global 和 Divergence Ventures 领投。2021 年 5 月,Clover Finance 获得火币创新实验室投资。

Clover Finance 的链上数据如下,目前该平台已处理 36 笔转账,其代币 CLV 在波卡生态的持币地址数为 32。 (图源:SubScan)

五、总结

作为开发者进入波卡生态的新入口,Gear 在技术主张和团队背景上让人耳目一新,但区块链特殊的业务逻辑与运行机制使其天生“敌视”并行多线程的工作方式,这对高举“并行计算”旗号的 Gear 团队无疑是巨大的障碍;同时,由于以太坊系的 EVM 虚拟机与 Solidity 语言本身近乎于“大而不倒”,面对波卡生态上因兼容 EVM 而获得以太坊系开发者青睐的 Moonbeam、Acala 和 Astar,Gear 仍面临着严峻考验。

注:特别感谢波卡生态开发者、Patract CTO @Aten老师和以太坊生态开发者@一只帅狗在本文完成过程中的技术解答,作者在此表示感谢

参考文献:

《gear-technical》

《The advantage of Gear technology》

《Gear Technologies Raises $12M to Boost Smart-Contract Development on Polkadot》

《Patract CTO Aten | 未来合约平台的展望,如何突破现有瓶颈?》

《Gear:波卡生态 Wasm 智能合约平台 | PW AMA》

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