开启链游技术架构新序章 — 基于Arweave打造纯链上游戏
瓜田实验室W Labs
2022.09.22 17:01:05

作者:webb

文章来源:PemaDAO 社区和 W Labs 联合投稿


前言:GameFi的繁荣及衰落

2021-2022链游市场经历了高光时刻,我们看到了《Axie Infinity》单日收入超过《王者荣耀》、看到了《StepN》仅用四个月内达成30万日活用户,成为2022第一季度最火爆的加密应用、看到了用户争抢《Otherside》土地发售引发的天价gas费。

越来越多的资本进入链游赛道,仅2022年第一季度的融资规模就超过2021年半年的规模,6-8月中链游更是成为融资规模最大的赛道。同时上亿级别的融资越来越多,MetaApp完成1亿美元C轮融资,DigiDaigaku 母公司 Limit Break 已通过两轮融资筹集 2 亿美元。

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数据来自 mymetadata.io

但随着5月份加密市场整体的下跌,大部分项目都不可避免的进入死亡螺旋,无论是用户数量还是代币价格都呈断崖式下跌,Axie Infinity、StepN等明星项目也没有幸免,链游市场一蹶不振。

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数据来自 footprint.network

GameFi市场经过一轮牛熊的洗礼,带给了我们很多畅想的空间,也带给了我们很多问题去思考,无论是从经济模型上摆脱旁氏的束缚,还是从技术架构上完成去中心化的迭代,都有很大的探索空间。

本文将从技术角度出发,探索链游的终极形态 - “纯链上游戏” 是如何实现。

一、链游的技术困局

可以说NFT和Play 2 Earn模式是引爆上一波GameFi牛市的导火索。通过区块链和NFT可以赋予链游颠覆传统游戏的特性:

  • 拥有权:通过链上NFT,玩家真正“拥有”他们的装备,而不是属于游戏运营商。
  • 开放的市场:玩家可以在市场中自由交易他们的游戏资产,这也诞生了玩家疯狂追逐的Play 2 Earn模式。
  • 可组合性:玩家的装备、物品可以穿越多个游戏进行使用,想象一下你在魔兽世界获得的传奇装备可以在CS GO中使用的场景。Loot给我们做了很好的示范。

故事听起来很酷,但真实的情况并非如此

虽然游戏资产和NFT在玩家手中,但数值产出和保存却在中心化的游戏服务器上,项目方可以随意修改属性,甚至关闭服务器,玩家手中的NFT实际上只是一纸空文。

造成这种情况的技术原因有几个:

  1. 高昂的存储成本:存储是区块链上的稀缺资源,以太坊为主的所有公链,实际上都属于计算层,本质还是账本,设计之初就不善于做大量存储工作,项目方不可能将动辄数GB的游戏数据存储到链上。
  2. 高昂的计算成本:在链上进行计算要消耗gas费,玩家和项目方都无法承担游戏服务中高昂的计算费用。
  3. 无法忍受的响应时间:区块链从发起交易到打包出块要经历漫长的等待过程,快则几秒钟,慢则几分钟。这对于游戏这种需要低延时、高频交互的应用很不友好。

所以现在链游的技术架构以“资产上链,链下执行”为主,这种模式仅完成了资产去中心化,但代币的产生是在链下完成,通常在玩家交易前需要提取“提取”操作把游戏内的资产转移到链上。游戏计算和交互大部分也在链下的游戏服务器内进行,这种模式的链游去中心化程度还很低。

很多L2、游戏应用链着手解决计算成本问题,如Avax的subnet、专为游戏服务的IMX等,但都没有从根本上解决存储成本和响应时间问题。也有一些项目进行了纯链上游戏的探索,如Lssac(一款基于starknet的纯链上游戏),但是lssac是轻量级数值游戏,可玩性不高,对于高频交互、动辄10GB资源的3A游戏采用这种方式是不行的。

区块链底层基础设施的瓶颈,造成了现有链游的技术困局,人们被“困在”传统区块链的套子中。

如何才能破局呢?不妨跳出传统区块链 ,尝试一个全新的视角 — 用“非典型”区块链项目Arweave解决链游的技术困局!

二、Arweave与SCP存储共识范式

大多数人对Arweave的了解开始于这波NFT的牛市,Arweave作为去中心存储承载了大量NFT的图片内容。人们喜欢把Arweave与Filecoin做比较,显然大名鼎鼎的IPFS协议和Filecoin的热度更高。但深入了解Arweave后你会发现: 其实Arweave能做的远不止存储这么简单!

永久存储与极简的设计理念:经济博弈

Arweave 是一条为“永久存储”数据服务的区块链,通过独特的共识机制和经济博弈保证矿工对数据进行永久保存。

Arweave的有一个理论基础,就是每年存储的成本都是按照30%左右速率下降,成本下降是一个收敛的曲线。那么进行两百年或者更久远的存储收费将是一个常数。所以Arweave可以做到一次付费,永久存储。

IPFS是去中心存储中最知名的项目,始于2014年,2015年全球发布,Filecoin作为IPFS的激励层,直到2020年7月主网才上线。这么硬核的一只团队都要开发如此之久,可见Filecoin的工程化难度之大。这源自于Filecoin使用了一套非常复杂的系统来保节点对数据的存储,并且为此创建了两个数据市场、两套激励机制、两套定价机制。

真的需要这么复杂吗?Arweave的团队选择了截然不同的技术路线 —— 极简化的设计,利用经济博弈保证矿工对区块的存储

Arweave采用一种叫做Blockweave(区块坊)的结构。与传统区块链结构不同,Blockweave中的区块除了指向上一个区块外,还指向一个随机的历史区块,称之为回忆区块(recall block)

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Blockweave结构

基于Blockweave结构设计出SPoRA共识,在经典的PoW共识之上,矿工要想生成新的区块,还需提供一个回忆区块的存储证明。回忆区块的选择是完全随机的,这就激励矿工去存储更多的历史区块,来提高出块的概率。特别是一个稀缺的历史区块,因为稀缺区块的竞争压力小,出块的概率会更高。简单的说矿工的出块概率 = 拥有随机回忆区块的概率 * 第一个找到 hash 的概率

在Arweave中矿工不需要对所有区块进行下载,但独特的设计激励了矿工去多存储数据, 并且存储稀有的数据, 实现了数据的永久存储。

杀手锏:SCP存储共识范式

除了永久存储之外,Arweave的简洁设计还使之具备承载计算层的能力。这也使得Arweave有潜力成为Web3中最重要的基础设施。

Arweave上运行的dapp采用SCP模式,即Storage-based Consensus Paradigm,基于存储的共识范式。dapp并不直接运行在Arweave上,Arweave只存储用户发送的交易指令,而计算在上层进行,这些计算层就像Arweave上的L2。在L2中将用户所有的输入从Arweave上下载并且按顺序执行,就得到了最终的计算结果。更进一步的,如果将程序运行的源代码也上传到Arweave,那么任何客户端都可以基于源代码和输入执行出最终结果,并且都是一致的,无需信任的。我们把这种模式形容为图灵机纸带

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通过SCP构建应用给了开发者极高的自由度。开发者可以使用熟悉的任何语言,无论是Java、Solidity、Python,只要获得标准化的输入,都可以构建出同样的结果。

一个很酷例子就是前端应用,我们把静态前端页面存储到Arweave上,通过浏览器即可直接打开运行,例如Uniswap已经将历史页面放到Arweave上,用户可以通过地址直接访问历史版本的Uniswap网站,并且整个过程都是可信的,前端页面即是即是合约!

到此链游困局的三个难题都解开了:

  • 存储成本:基于Arweave的永久存储非常便宜,目前存储1GB的数据只需要3美元左右,可以说在Arweave上存储应用的成本比租借AWS服务器更便宜。
  • 计算成本:SCP的模式中,Arweave并不负责计算,计算是每个应用服务自己进行,所以根本没有计算成本问题!
  • 响应时间:用户直接访问的是应用层服务,由于计算层是应用服务自己负责,所以响应时间可以做到和传统web服务一样。

三、基于SCP的游戏架构

服务架构:每个游戏服务都是一个L2

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基于SCP的游戏服务架构

基于Arweave的游戏架构中,游戏服务类似Arweave上的一个L2层,负责接收、执行玩家的指令,并将这些指令有序的上传到Arweave上。指令序列一旦打包到Arweave上就具备了不可篡改性,在任何时候都可以基于这些序列构建出游戏最终状态。

这种模式下,客户端只负责记录操作并发送到游戏服务,并不执行任何计算;游戏服务收集玩家操作并进行排序然后执行,并且把执行结果发送给客户端。我们把客户端类比成“视频播放器”,只要将服务器返回的结果表现出来即可。比如玩家跑、跳、攻击操作序列发送到游戏服务器,服务器计算出玩家到了什么位置,对怪物造成了多少伤害,再广播给视野内的所有客户端,客户端同步执行这个序列,这样所有在线玩家都达到了同步状态。

在理想情况下,游戏服务也是一组去中心化的节点,交易验证、交易排序、执行都经过共识,这样比单一节点可信度和安全性都要高。缺点是在计算和响应速度上肯定比不上单节点服务。

这种类型的架构适合实时性要求不是很高的游戏,比如回合制游戏(Axie)、卡牌游戏(SkyWeaver)、经营类游戏(sunflower)、剧情类游戏等。

P2P与帧同步技术的应用

对于实时性要求高的游戏,例如MOBA游戏(王者荣耀)、ACT游戏、FPS游戏(吃鸡)等类型的游戏,可以把高实时性需求拆分到上层执行并快速返回结果,同时将操作序列上传游戏服务器进行验证,最终结果以游戏服务为准,操作序列由服务器进行上链。

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高实时性、低实时性计算分离

1. P2P技术的应用

高实时性游戏通常会有“开房间”操作,例如王者荣耀和吃鸡,每局游戏匹配一定数量的玩家,并在游戏中进行局部交互。我们可以这种游戏中的高频操作和低频操作分开。

当几个玩家进入一局游戏,将这些玩家用P2P网络直接连接,进行实时高速通信,玩家客户端之间同步操作序列并进行计算,操作序列只要在参与玩家之间共识即可。同时这些玩家的操作序列会发送到游戏服务上,游戏服务进行执行并进行结果校验,最终结果以游戏服务为准。发现玩家作弊或者执行错误时,将正确序列发送到客户端,客户端可以重放操作并纠正结果。

这些操作就要求所有客户端和游戏服务具有相同的时间标尺这就用到了传统游戏的帧同步技术

2. 帧同步技术的应用

帧同步是在游戏中应用很广泛的技术,用于MOBA、射击这类需要强实时性游戏中。基本原理就是相同输入 + 相同的时机 = 相同的结果。这和SCP范式非常的相似,具有很好的融合性。

相同输入问题已经由Arweave解决,我们在游戏中还需解决相同时机问题。

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首先服务器向各个客户端下发时间种子,保证客户端时间与服务器保持一致。客户端和服务器把时间切分成相同时间片,一个时间片叫做一帧。粒度可能是每秒50帧、每秒80帧,每秒切分的帧数越多控制越精细,但由于人的反应速度有限,所以没必要进行太细粒度切分。

客户端把玩家的操作填充到某一帧中发送到游戏服务,服务器根据各个客户端发送的操作序列进行计算,最终获得状态结果。

在链游中我们也可以使用帧同步技术,先由服务器将时间同步到各个客户端,客户端在P2P的网络内广播格子操作序列,并同步给服务器,最终各个客户端和服务器计算出的状态结果应该是一致的,服务器也会把这个序列同步到Arweave上。当出现分歧时以服务器计算结果为准,进行修正。

这种指令占用的空间非常小,不会花费太多的存储费用。Arweave每一个交易都没有最大的限制,一个交易可以存1KB也可以存1GB甚至10GB。现在很多AR的交易一笔交易就是2GB,也就说可以处理2000万条指令。

NFT与代币发行

链游发行NFT和代币已经成为标配,虽然Arweave上已经有PST代币标准(类似以太的ERC20)和NFT发行能力,但由于Arweave不具备以太坊一样的计算能力,所以需要在游戏服务内进行代币发行、结算、交易等。

之前提到Arweave上每个游戏都以L2的方式运行,如果每个游戏都在自己的L2上进行NFT和代币的创建会有一些问题:

  • 重复造轮子:每个游戏项目都要维护相同的功能,例如NFT、代币的发行及交易逻辑。
  • 降低可组合性:每个游戏实现方式不同,很难相互兼容。
  • 增大安全风险:除了游戏外,游戏项目组还要维护代币、NFT发行、交易的代码,这部分代码如何处理不好会使用户损失资产。

所以我们希望有一个专业的L2,负责NFT、代币的发行与交易,以降低游戏开发成本、提高安全性、带给用户更好更统一的交易体验。整个架构就变成了下面的样子:

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NFT L2 和 Game L2架构图

NFT L2集成NFT发行、token发行、转账、交易等功能。游戏开发商只需要访问NFT L2提供的接口,就可以快速构建出去中心经济系统,对于NFT发行、token发行这种基础操作委托给NFT L2执行。这样游戏开发商可以更专注于游戏玩法开发、经济模型设计等差异化的游戏功能。

天然的跨链属性

基于Arweave的这种模式还带给了我们一大好处 — 资产跨链。Arweave用于存储共识数据,所有存储的AR上的数据我们都可以认为是可信的、不可篡改的,因此Arweave上发行的token、NFT可以无需信任的转移到其他公链。

只需要把各个链上的地址映射到NFT L2上,NFT L2可以无差别对待所有其他链的地址,在转账过程中可以直接将以太坊地址资产发送到Solana地址上,只在Arweave上生成一条记录即可。

例如在everPay(基于Arweave的SCP范式钱包应用 https://everpay.io/)上进行一笔跨链转账:

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上图将以太坊地址的usdc发送到Arweave地址上,并且无需手续费。

这种设计还方便构建NFT交易所等上层设施,NFT L2将作为Arweave生态中Gamefi基础设施赋能游戏服务。

游戏存储与更新

Arweave上的存储价格非常便宜,目前存储1GB的数据只需要3美元左右,我们完全可以将所有的游戏内容都放到链上,包括游戏资源、执行程序、配置文件等。如同现有的web2游戏一样,玩家在进行游戏前先下载游戏内容。

对于大型游戏和web游戏,可以先下载部分资源,并根据游戏内容实时下载其他资源。这需要在玩家与Arweave节点之间建立一条高速的数据加载通道,在传统web2中这一工作由CDN完成。当然在Arweave生态中,也需要这样的缓存层帮助用户快速拉取数据,缓存层可以直接将Arweave内容缓存在本地,并为用户提供高速下载通道,或者将数据拉取到离用户最近的Arweave节点进行存储。

同样的道理,游戏的更新内容也放到Arweave上待用户拉取即可。

总结

现有链游的技术架构以“资产上链,链下执行”为主,这种模式仅完成了资产去中心化,去中心化程度很低,玩家手中的资产只是一纸空文,项目方仍可随意修改数值。造成这种情况的技术原因有三个:高昂的存储成本、高昂的计算成本、无法忍受的响应时间

利用Arweave构建的纯链上游戏,可以很好的解决上述的问题。Arweave上的应用基于SCP存储共识范式,就像图灵机纸带,Arweave上只记录游戏输入输出,计算交给应用层处理,所以没有计算成本问题和响应时间问题。帧同步技术和这种模式有天然的兼容性,可以在游戏中应用。

这种模式中每个游戏服务都是一个Arweave的L2层。需要一个专用的NFT L2层作为基础设施,为各个游戏提供NFT发行、代币发行、资产交易等经济功能。

写在最后

我们相信游戏将会是Web3中一块重要的拼图,完全去中心的纯链上游戏将是链游发展的终极形态。现在的链游还处于非常初级阶段,在技术和模式上还有很长的路需要走,需要我们不断的探索、创新,无论是经济模型还是技术架构。基于Arweave和SCP存储共识范式已经给我们打开了新世界的大门,一场底层技术的变革已经悄然发生,它们的表演才刚刚开始!

参考资料:

《传统游戏进军链游GameFi的探索之路》

CoinMarketCap x Footprint Analytics: 2022年GameFi行业报告

Arweave 的潜力是复兴亚历山大图书馆,而非 Filecoin 替代品

Foresight Ventures:读懂Arweave,Web3.0的关键基础设施

链上怎么跑游戏程序

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