簡單理解以太坊Layer 2新方案Arbitrum

2021-05-31 18:05:16

最近Uniswap和Sushiswap都在計劃使用Arbitrum的L2方案，這使得Arbitrum成為人們關注的以太坊L2方案。那么，如何簡單理解Arbitrum？

Arbitrum也是rollups系列的L2方案

以太坊Layer2方案有不少，其中最受關注的還是Rollups系列。

Arbitrum也是Rollups系列的解決方案。這些方案基本上是將安全放在以太坊鏈上，而將計算和存儲放在鏈下執行。簡單來說，參與者將其交易數據提交到以太坊鏈上，用戶可以查看交易，不過交易的計算和存儲在鏈外進行。Arbitrum會定期向以太坊發送包含Arbitrum上發生的完整狀態哈希，這個哈希作為結果放在鏈上，實現不可篡改和最終性。

相對來說，Arbitrum跟Optimistic Rollups在框架思路上近似，在結果驗證方面，都屬於欺詐證明範疇，而ZK Rollups則屬於加密有效性證明範疇。

在前提假設上，欺詐證明類Rollups假定提交鏈上的結果是可用的，而任何人都可以對Layer1的交易數據進行提取和執行，通過比較狀態，來檢查合約執行正確與否。加密證明類Rollups採用的是數學方法，通過零知識證明實現有效性，它本質上無法作假。由此，加密有效性證明屬於主動證明，而欺詐證明則屬於被動證明，當人們不同意結果時會出現爭議，需要仲裁。

從整體上看，ZK Rollups的安全性更高，且實現最終性更快，這意味着其提取時間更快，它更適合轉账等場景。而Optimistic Rollup和Arbitrum的方案都有挑战期，需要挑战期結束，才能最終確認，才能提幣，這是它的不足。不過，ZK Rollups要生成加密有效性證明，其計算成本很高，很昂貴，且落地成熟還需要一定的時間。

從長期看，ZK Rollpus有可能是最終的解決方案，但是ZK Rollups成熟和落地需要更長時間，而以太坊的擴展需求更為緊急，從這次智能鏈的崛起也能看出來。ZK Rollups的落地較慢，給予Optimistic Rollups 和Arbitrum機會。

因此，從中短期落地來看，欺詐證明類Rollups（Optimistic Rollups 和Arbitrum Rollups）有更快的落地機會。欺詐證明本身是“樂觀派”，預設所有提交者都是好人，除非被證明有罪。只要有一位驗證者存在，就可以提交欺詐證明，就是安全的。因此，存在一位誠實的驗證者這個假設就變很重要。只需要一位驗證者即可提交在线欺詐證明，有長達一周（或以上）的欺詐證明時間窗口，這也導致最終確認時間緩慢，提款時間過長。

總的來說，欺詐證明和加密有效性證明類的Rollups各有優缺點。ZK Rollups是非交互式的，通過數學的方法來解決問題，而Optimistic Rollups 和Arbitrum Rollups都是交互式的。從這個意義上，Optimistic Rollups 和Arbitrum Rollups是類似的，不過它們在具體路徑上也存在差別。

Arbitrum是多輪交互式的Rollups方案

從上述來看，Arbitrum和Optimistic同為欺詐證明範疇的Rollups方案，兩個方案的核心問題都是：如何驗證結果的正確性？會不會有人發送惡意的證明？因此，兩者都有挑战機制。驗證人可以向鏈上發送斷言，提出爭議。如果斷言為假，則會失去其質押的保證金資產。

Arbitrum和Optimistic之間的主要不同在於解決分歧的方式。當有驗證者向L1提交rollup區塊，有人認為不正確，這個時候怎么辦？

Arbitrum採用的是多輪互動協議來解決爭議，將規模大的爭議細分成小的爭議，直到找到最關鍵的那一步，然後再通過以太坊合約來確定它是否正確。通過拆分爭議，Arbitrum試圖實現更高效的解決方案。

Arbitrum中的參與者可以質押保證金，斷言某個狀態最終會被確認。如果斷言錯誤，用戶的質押保證金會罰沒。兩個用戶質押在不同的方塊上，這意味着只能其中一個是真的。為了防止有人攻擊，爭議的斷言者需要質押保證金資產，防止其作惡。

在剛开始的設計中，Arbitrum協議採用了一次處理一個爭議斷言的做法。由某個參與者提出爭議斷言，爭議斷言存在挑战期，在這個期間任何人都可以挑战該爭議斷言。如果沒有人挑战，那么，該爭議斷言將被視為有效。

不過這種單线推進模式存在瓶頸。一次激活一個爭議斷言，效率低下，VM進程受限。同時，作惡者可以故意通過挑战爭議斷言來延緩VM。即便需要付出質押資金，但也可以拖延。

因此，在新的設計中，Arbitrum可以同時處理多個爭議斷言，不是线性進行。作惡者減緩進程的實現難度更高。目前Arbitrum採用多個爭議斷言同時處理的方法，一個質押者一次一個斷言，不同的質押者則可以同時處理多個斷言。

隨着斷言被確認為有效，其VM的狀態也不斷向前推進。通常來說，人們會選擇誠實行為，因為這樣可以確保其質押保證金不會被罰沒。除非有惡意攻擊理由，人們沒有必要將其資產質押在錯誤的分支上。

為了實現無須信任的特性，在Arbitrum的設計中，任何一個誠實參與者可以推進VM正確性和進展。如果一個參與者總是在正確的分支上質押，TA會贏得所有的爭議斷言。如果其他人不同意，只會失去其質押保證金。只有誠實參與者一起，才能免遭懲罰。

簡單理解以太坊Layer 2新方案Arbitrum

（Alice和Bob質押在不同分支上，來自Arbitrum的Ed Felten）

如果上圖中的Alice斷言證明為正確，那么Bob質押的保證金資產會失去，而Alice則獲益。

在單輪互動的Rollups中，斷言包括每個調用結果，挑战者指向斷言中具有錯誤結果的特定調用。鏈上合約模擬被挑战的調用並檢查是否有錯。如果有錯，則整個斷言被取消，其斷言者失去質押的保證金。如果挑战窗口期過後，沒有成功的挑战，則斷言被接受，並具有最終性。

而在多輪互動的Rollups中，也有挑战時間窗口期，斷言者和挑战者之間存在多輪交互，鏈上合約作為裁判，由它來決定誰是錯誤。多輪交互設計的主要考慮在於，盡可能減少解決爭議的鏈上工作。通過在挑战者和斷言者之間的多輪交互最大程度減少鏈上的工作量。

單輪交互和多輪交互本質上是對鏈上成本和解決爭議時間的平衡。單輪和多輪交互式Rollups都需要寫入所有對合約的調用及其數據上鏈，不同的地方在於它們需要將什么作為斷言一部分提交到鏈上。單輪交互模式要求模擬鏈上的完整調用，從成本上考慮的話，它會更加貴一些。而多輪交互可以通過細分，可以將爭議範圍縮小，且向鏈上寫入的數據相對更少些，使得其在鏈上執行成本更低。不過，它也並非沒有缺點，它的確定增加了輪次，增加了時間。

此外，Arbitrum多輪交互模式可能會面臨延遲攻擊。由於系統是無須信任的。惡意攻擊者可以延緩進程，當然，他們這么做也有代價，就是其質押保證金會被罰沒。還需要注意的是，惡意行為者無法阻止誠實的參與者持續構建誠實的分支，也無法阻止誠實參與者在誠實分支上獲得最終的確認。他們能做的事是通過在錯誤分支上進行質押保證金，並延緩鏈上對誠實分支的確認。他們可以制造多個爭議斷言，如果誠實參與者足夠多，它們可以同時應對這些爭議斷言，並捕獲攻擊者的質押保證金。也就是說，誠實參與者越多，攻擊者就需要越多的質押資產來進行延緩攻擊，攻擊的難度就越大。

此外，在多輪交互的Rollups中，可以實現有效的“斷言”會成為“無須信任的最終性”，任何人可以確信其最終確認是不可避免的。為了確保自己的最終確認，用戶可以參與到協議中來捍衛斷言，即便是單獨行動，也可以推動其最終確認的發生。

如果沒有挑战，多輪和單輪交互的確認速度類似，如果有人挑战，多輪爭議耗費的時間會更長一些。在這個方面，單輪交互有優勢。單輪交互不會允許確認延緩攻擊，而多輪交互的好處在於更小的鏈上數據，可以處理突破以太坊gas limit的合約（計算和存儲）。

欺詐證明類的Rollups在最終確認方面存在一定的時間周期。因此，通過Arbitrum的轉账沒有辦法像ZK Rollps方案一樣達成快速的最終性。其可能的解決方案是，通過第三方的介入。第三方可以將其資金立即轉給用戶，但用戶也需要支付一筆提前提取費用。一般而言，第三方認為未確定的轉账一定會實現，第三方會在誠實的結果上進行保證金質押。由於任何人都可以將資金轉給需要快速提取的用戶。那么，這樣也存在一個市場，會導致費用處於均衡，不會過高或過低。

Arbitrum的EVM兼容性

Arbitrum試圖跟以太坊完全兼容，兼容EVM，無須重寫程序。跟以太坊完全兼容，這個在智能鏈上我們看到了威力。這是它能夠順利嵌入以太坊當前生態的最重要的舉措。

dApp开發者使用Solidity語言編寫其智能合約，這些智能合約編譯成Arbitrum VM，可以在Arbitrum Rollups上運行。

Arbitrum的進展

Arbitrum技術目前推出Arbitrum One。Arbitrum合約在以太坊主網上部署，已經开始接納項目，目前處於主網測試階段。按照Arbitrum的說法，目前有超過250個團隊申請進入，它向所有开發者开放。接下來的幾周時間，可以看到越來越多的DeFi項目會進入Arbitrum生態。

目前一些以太坊生態的重要參與者，例如Etherscan等也在支持Arbitrum One鏈。

以太坊與L2的落地

有意思的是，Arbitrum沒有原生代幣，採用ETH作為燃料，所有費用使用ETH支付，這對於ETH來說，也是好事，暫且不說未來它對ETH有多大需求。

就目前來說，以太坊的可擴展需要長短期結合的打法，來滿足其快速成長的需求，尤其是DeFi和NFT爆發性增長的需求。從長期看，L2可能是ZK Rollups獲勝，但由於其高昂的成本和落地的滯後，可能需要較長時間來消化。而Arbitrum和Optimistic Rollups可能更早落地，雖然其提取時間長，但並非無解。此外，在實踐中成長，也可能會誕生新靈感。

除了L2的逐步落地，隨着EIP-1559在今年7月份的可能推出，以及年底可能的PoS，2021年的以太坊注定是不尋常的一年。