一文簡單理解 Arbitrum

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(曳起橋與打傘女士,梵高)

最近UniswapSushiswap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。那麼,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,之前藍狐筆記介紹過Optimisitc Rollups和Zk Rollups,可以參考文章《一文讀懂ZK Rollup和Optimistic Rollup:以太坊重要的擴充套件方向》。

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,而將計算和儲存放在鏈下執行。簡單來說,參與者將其交易資料提交到以太坊鏈上,使用者可以檢視交易,不過交易的計算和儲存在鏈外進行。Arbitrum會定期向以太坊傳送包含Arbitrum上發生的完整狀態雜湊,這個雜湊作為結果放在鏈上,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的交易資料進行提取和執行,透過比較狀態,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,透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,這意味著其提取時間更快,它更適合轉賬等場景。而Optimistic Rollup和Arbitrum的方案都有挑戰期,需要挑戰期結束,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,而以太坊的擴充套件需求更為緊急,從這次智慧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線上欺詐證明,有長達一週(或以上)的欺詐證明時間視窗,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是非互動式的,透過數學的方法來解決問題,而Optimistic Rollups 和Arbitrum Rollups都是互動式的。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是多輪互動式的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?會不會有人傳送惡意的證明?因此,兩者都有挑戰機制。驗證人可以向鏈上傳送斷言,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,這個時候怎麼辦?

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,然後再透過以太坊合約來確定它是否正確。透過拆分爭議,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,使用者的質押保證金會罰沒。兩個使用者質押在不同的方塊上,這意味著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。

在剛開始的設計中,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,爭議斷言存在挑戰期,在這個期間任何人都可以挑戰該爭議斷言。如果沒有人挑戰,那麼,該爭議斷言將被視為有效。

不過這種單線推進模式存在瓶頸。一次啟用一個爭議斷言,效率低下,VM程序受限。同時,作惡者可以故意透過挑戰爭議斷言來延緩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,不是線性進行。作惡者減緩程序的實現難度更高。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。

隨著斷言被確認為有效,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。

Alice和Bob質押在不同分支上,來自Arbitrum的EdFelten)

如果上圖中的Alice斷言證明為正確,那麼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,斷言包括每個呼叫結果,挑戰者指向斷言中具有錯誤結果的特定呼叫。鏈上合約模擬被挑戰的呼叫並檢查是否有錯。如果有錯,則整個斷言被取消,其斷言者失去質押的保證金。如果挑戰視窗期過後,沒有成功的挑戰,則斷言被接受,並具有最終性。

而在多輪互動的Rollups中,也有挑戰時間視窗期,斷言者和挑戰者之間存在多輪互動,鏈上合約作為裁判,由它來決定誰是錯誤。多輪互動設計的主要考慮在於,儘可能減少解決爭議的鏈上工作。透過在挑戰者和斷言者之間的多輪互動最大程度減少鏈上的工作量。

單輪互動和多輪互動本質上是對鏈上成本和解決爭議時間的平衡。單輪和多輪互動式Rollups都需要寫入所有對合約的呼叫及其資料上鍊,不同的地方在於它們需要將什麼作為斷言一部分提交到鏈上。單輪互動模式要求模擬鏈上的完整呼叫,從成本上考慮的話,它會更加貴一些。而多輪互動可以透過細分,可以將爭議範圍縮小,且向鏈上寫入的資料相對更少些,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多輪互動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程序,當然,他們這麼做也有代價,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。他們能做的事是透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。他們可以製造多個爭議斷言,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,在多輪互動的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,使用者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。

如果沒有挑戰,多輪和單輪互動的確認速度類似,如果有人挑戰,多輪爭議耗費的時間會更長一些。在這個方面,單輪互動有優勢。單輪互動不會允許確認延緩攻擊,而多輪互動的好處在於更小的鏈上資料,可以處理突破以太坊gas limit的合約(計算和儲存)。

欺詐證明類的Rollups在最終確認方面存在一定的時間週期。因此,透過Arbitrum的轉賬沒有辦法像ZK Rollps方案一樣達成快速的最終性。其可能的解決方案是,透過第三方的介入。第三方可以將其資金立即轉給使用者,但使用者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賬一定會實現,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使用者。那麼,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相容性

Arbitrum試圖跟以太坊完全相容,相容EVM,無須重寫程式。跟以太坊完全相容,這個在智慧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開發者使用Solidity語言編寫其智慧合約,這些智慧合約編譯成Arbitrum VM,可以在Arbitrum Rollups上執行。

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,已經開始接納專案,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,它向所有開發者開放。接下來的幾周時間,可以看到越來越多的DeFi專案會進入Arbitrum生態。

目前一些以太坊生態的重要參與者,例如Etherscan等也在支援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,以太坊的可擴充套件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,隨著EIP-1559在今年7月份的可能推出,以及年底可能的PoS,2021年的以太坊註定是不尋常的一年。

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