开启链游技术架构新序章 — 基于 Arweave 打造纯链上游戏 By W Labs Potter &PermaDao

September 22nd, 2022

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。

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。

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。

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：

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。
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。
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！

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 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）

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。

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

基于SCP的游戏架构

服务架构：每个游戏服务都是一个 L2

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。

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。

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 Token 发行

链游发行 NFT 和 Token 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 Token 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, Token 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 Token, 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：

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：

everpay上的跨链转账

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、Token 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：