一文了解 Arbitrum 與 Optimism 的爭議解決有何不同?

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來源|insights.deribit.com

作者 |Benjamin Simon

所有 rollups 都遵循類似的基本架構和內部邏輯。儘管如此,正如我們在這個迷你文章系列的第一部分所說,Optimistic Rollups 和零知識 Rollups 之間的單一區別 (即兩者的審查過程不同的運作方式) 造成了在其他方面的大量差異,如兩者在安全性、可用性以及 EVM 相容性方面的區別。

在每個 rollup 型別中都有類似的情況。雖然作為主流的 Optmistic Rollups 解決方案 ArbitrumOptimism 有很多共同點,但是將兩者區別開來的不僅僅是使用者對兩個方案的忠誠度。而是,他們各自解決爭議的方法產生了一些在效能方面的權衡。鑑於這兩個方案都旨在為以太坊提供完整的擴容功能,因此這些權衡值得討論。

早期的時候

首先介紹一下每個專案的簡要歷史背景。碰巧的是,兩者都有一些獨特的起源故事。

六年半前在普林斯頓一個寒冷的早晨,一群與 Ed Felten 教授合作的本科生就他們已簽署構建的專案發表了演講:一個基於區塊鏈的仲裁系統。其目標是規避智慧合約平臺的一些預期遇到的擴容挑戰,而計劃是透過設計一個依賴於挑戰和爭議解決系統的區塊鏈,以減輕傳統礦工的計算工作量。如果不是因為 Steven GoldfederHarry Kalodner (這兩位雄心勃勃的博士生基於其最初的概念提出了構建一個強大的 Layer2 解決方案的想法,並帶著這個想法找到 Felten 教授),“Arbitrum” 這個系統將和其他有前途的學術計算科學專案一樣遭遇同樣的命運。此後不久,Felten、Goldfeder 和 Kalodner 共同創立了 Offchain Labs,並將 Arbitrum 從抽象的想法轉變為具體的現實。

Optimism 的前身是 Plasma。在 2017 年年中,Vitalik ButerinJoseph Poon 合著了一篇論文,提出了以太坊早期的擴容解決方案 Plasma。隨後,一群以太坊核心研究者接手了這個方案的研發,並且成立了一個非營利性研究小組來構建這個願景。而在 2019 年,由於 Plasma 的一些關鍵設計上的限制變得越來越明顯,其開發程序停滯了。Plasma 的三位主要研究者 Karl Floersch、 Jinglan Wang 和 Ben Jones 並沒有因打擊而停住腳步,他們決定轉向研究 Plasma 的演變方案 Optimistic Rollup。他們於 2020 年初成立了 Optimism PBC 團隊。

爭議解決:簡短的 (重新) 介紹

回憶一下,Optimistic Rollups 採用一種“假設某事為有效,直至其被證偽”的方式來確保交易的有效性。Optimistic Rollups 處理交易,並將結果反饋給以太坊網路,以便其將該交易最後打包至基礎鏈中。而在爭議期,如果 rollup 的定序者處理了無效的交易,那麼正在監控 rollup 鏈狀態的每個人都能夠提交挑戰。隨後,爭議解決過程立即被觸發。而 Arbitrum 與 Optimism 之間的區別就是,它們的爭議解決方式不同 (包括成本和花費的時間都不同)。

Arbitrum 與 Optimism 在爭議解決上的初步比較

描述這兩者的區別最簡單的方式便是:與 Arbitrum 相比,Optimism 的爭議解決更加依賴於以太坊虛擬機器 (EVM)。當使用者在 Optimism 上提交挑戰時,與之相關的整個交易將透過 EVM 執行。相比之下,Arbitrum 使用一種鏈下爭議解決方式來將爭議縮減為交易中的一個單一步驟。然後協議會將這個單一步驟斷言傳送給 EVM 以做最終的驗證,而不是傳送整個交易到 EVM 中。因此,從概念上來講,Optimism 的爭議解決過程要比 Arbitrum 的簡單得多。

就 Arbitrum 而言,其爭議解決過程的鏈下元件使用了一種遞迴二分演算法。這聽起來很複雜,但實際上,這個演算法只是迫使“斷言者” (asserter,處理交易的一方) 以及“挑戰者” (challenger,提交挑戰的一方) 來回移動以縮小爭議點,過程如下圖所示。有趣的是,這種透過遞迴二分的方式,來回解決爭議的過程,出自 2015 年 Arbitrum 最初的概念。

來源: OffChain Labs 開發中心

Optimism 的爭議解決方法 (透過 EVM 執行整個交易) 不僅在概念上更為簡單,而且執行起來也要更快。Optimism 的爭議解決不像 Arbitrum 那樣需要有來來回回的多輪處理。事實上,由於整個原因,Optimism rollups 通常被成為“單輪” (single round),而 Arbitrum 被成為“多輪” (multi round)。實際上,就一筆爭議交易來說,如果它是在 Arbitrum 上的,它在以太坊上獲得最終確認的時間要比 Optimism 的久一些。正如我們在本系列的第一部分所討論的那樣,爭議解決的速度尤其重要,因為這個速度決定了使用者需要等多長時間才能夠將其代幣從 rollup 中提到以太坊上。

另一方面,Arbitrum 爭議解決的優勢在於它的鏈上 (如在以太坊上) 交易成本更低。因為 Arbitrum 在完成了來回的爭議解決過程之後,提交給 EVM 最終處理的一小段程式碼需要消耗更少的 gas 費 (在大多數情況下[1]),而在鏈上重新處理整個交易則需要消耗更多的 gas 費。

重構兩者的比較

這兩種爭議解決方案設計之間的基本權衡僅僅是在於速度和鏈上成本之間。但在實際上這種框架有些簡單,因為很少有人認為有以下兩個原因導致爭議出現:

由於其經濟激勵/懲罰設計,Arbitrum 和 Optimism 上的交易處理者都不會去處理欺詐性的交易。他們被強制事先向 Arbitrum 或者 Optimism 放入質押資產/債券,如果他們處理了欺詐交易,其資產便會被罰沒。

同樣地,監控 rollup 鏈的各方也不願提交錯誤的欺詐證明 —— 在 Optimism 中,因為挑戰者必須支付欺詐證明的鏈上 gas 費;而在 Arbitrum 中,因為挑戰者在爭議失敗後便會被沒收其事先提交的保證金。

既然爭議預計會很少,那麼為什麼爭議解決過程的結構如此重要呢?

儘管爭議很少發生,但是 rollup 必須在假設一個爭議會隨時發生的前提下進行設計。因此,“有爭議”情況的設計會影響“無爭議”情況的結構。

因為 Optimism 必須在爭議發生時能夠透過 EVM 執行每筆交易,所以它不能處理超過以太坊 gas limit 的交易,因為這些交易無法在鏈上正確驗證。相反,Arbitrum 可以執行任意大小的交易,儘管這些交易超過了以太坊的 gas limit,因為這些交易不需要透過 EVM 批次執行,而是首先被分解為微小的“斷言”。

目前還不清楚 Optimism 的 gas limit 會對應用造成多大的實際限制。但是,爭議解決設計差異的另一個更為重要的含義是,Arbitrum 能夠透過減少鏈上檢查點 (更新狀態根) 的頻率來節省 gas 消耗。更具體地說,Arbitrum 可以將大量的鏈下計算分配給一個更新,因為理論上狀態根更新可以包括包含其中的所有交易的 (微量) 單個步驟欺詐證明 (single-step fraud proofs)。另一方面,Optimism 必須在每筆交易之後在鏈上執行檢查點,從而顯著地增加了其鏈上的足跡。

總的來說,Arbitrum 應該比 Optimism 更加節省 gas —— 因此對使用者來說更便宜 —— 而且不僅在罕見的爭議情況下如此,在無爭議的情況下也如此。

Dispute resolution and potential attack vectors爭議解決和潛在的攻擊向量

關於兩種不同的爭議解決過程,最後值得討論的一點是:每種設計對潛在攻擊的抵抗力有多大。在上文中,我們談到了阻止濫發攻擊 (spamming attacks) 的經濟激勵。更具體地說,Optimism 和 Arbitrum 的驗證者都不願意提交無效的挑戰。

但是,如果有一些惡意攻擊者不介意對 rollup 發起濫發攻擊而需要承擔的經濟成本該怎麼辦?換句話說,如果一個人或者實體如此致力於減慢一個 Optimistic Rollup 的程序 (他們願意這麼做,即使這種攻擊意味著反覆為無效挑戰買單),該怎麼辦?

如上所述,Optimism 的爭議解決過程比 Arbitrum 的更加簡單、更加迅速,因為它只需透過 EVM 提供有爭議的交易。這種速度在這裡是 Optimism 的優勢,因為爭議可以被迅速解決,不會阻止 rollup 鏈的發展。

人們擔心的是 Arbitrum 使用的這種“多輪”爭議解決方案。理論上來說,濫發攻擊者可以透過發起一系列連續的挑戰來阻止 rollup 的發展,而每個挑戰都需要相當長的時間來解決。事實上,這個問題曾困擾過 Arbitrum 的上一個迭代版本。

然而,Arbitrum 更新後的版本為這個問題提供了一個優雅的解決方案,稱為“流水線 ”(Pipelining)。在先前處理的交易仍存在爭議的前提下,“流水線”模式允許網路驗證者依然能夠繼續處理交易以獲得最終批准。這樣建立的是最近處理完但還沒被敲定的交易的“管道”,而不是一個阻止定序者處理交易、阻礙網路參與者提交挑戰的瓶頸平臺。

流水線模式是可行的,因為任何監控網路的人都可以在爭議解決過程完成之前就知道爭議是有效的還是無效的。從本質上來講,驗證者可以在預設爭議交易已完成的情況下繼續進行操作,並繼續根據正確的結果或“分支”構建 rollup 鏈 (即處理交易)。這個過程如下圖所示[2],削弱了任何潛在的濫發攻擊的可能性。[3]

來源: OffChain Labs 開發中心

結論

除了爭議解決過程的設計,Arbitrum 和 Optimism 之間還有其他顯著的差異,尤其是

他們的程式碼庫架構,以及

他們對礦工可提取價值 (MEV) 的方法

首先簡要地總結一下這些差異:Optimism 的程式碼庫相對簡單,而 Arbitrum 的程式碼庫更加複雜和更加有野心;Optimism 過去曾表示它傾向於 MEV 拍賣方法,而 Arbitrum 計劃於提供公平定序服務 (FFS, Fair Sequencing Service)。當然,這兩種比較觀點值得釋出各自的文章來詳細討論。尤其是 MEV,是兩個專案之間的一個哲學爭論問題 —— 儘管至少在上線之後的早期,為了更加簡單化,預計兩個專案都將使用一個可信任的定序模式 (trusted sequencer model)。

最後,從協議層面的細微差別 (儘管它們很重要) 退一步來看,區分這連兩個重量級專案的還有一些“軟”元素:引導策略、激勵設計和社羣精神等等。事實上,如果他們想要取得長遠的成功,Optimistic Rollups 就必須有自己的生態,而不僅僅是以太坊的附屬品。因此,擴容與其說是一場軍備競賽,不如說是一場多線戰爭。這場戰爭可能只有一個贏家,也可能有多個。可能會持續多年,也可能會很快就結束。但是,這肯定會對加密世界的未來產生重大的影響。

本文不做任何投資建議。

[1] 如果交易使用的合約以前從未作為欺詐證明的一部分,那麼這些合約都需要重新部署到以太坊上,而以太坊需要消耗很多 gas。

[2] “DA” 表示 “爭議斷言”,這是一個技術術語,表示已處理的交易,但是可能會受到挑戰。

[3] 還應該聽聽 Ed Felten 去年在 ETHDenver 上關於流水線過程的演講。

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