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简单理解Arbitrum

最近Uniswap和Sushiswap都在计划使用Arbitrum的L2方案,这使得Arbitrum成为人们关注的以太坊L2方案。那么,如何简单理解Arbitrum?
Arbitrum也是rollups系列的L2方案
Arbitrum也是Rollups系列的解决方案。这些方案基本上是将安全放在以太坊链上,而将计算和存储放在链下执行。简单来说,参与者将其交易数据提交到以太坊链上,用户可以查看交易,不过交易的计算和存储在链外进行。Arbitrum会定期向以太坊发送包含Arbitrum上发生的完整状态哈希,这个哈希作为结果放在链上,实现不可篡改和最终性。
相对来说,Arbitrum跟Optimistic Rollups在框架思路上近似,在结果验证方面,都属于欺诈证明范畴,而ZK Rollups则属于加密有效性证明范畴。
在前提假设上,欺诈证明类Rollups假定提交链上的结果是可用的,而任何人都可以对Layer1的交易数据进行提取和执行,通过比较状态,来检查合约执行正确与否。加密证明类Rollups采用的是数学方法,通过零知识证明实现有效性,它本质上无法作假。由此,加密有效性证明属于主动证明,而欺诈证明则属于被动证明,当人们不同意结果时会出现争议,需要仲裁。
从整体上看,ZK Rollups的安全性更高,且实现最终性更快,这意味着其提取时间更快,它更适合转账等场景。而Optimistic Rollup和Arbitrum的方案都有挑战期,需要挑战期结束,才能最终确认,才能提币,这是它的不足。不过,ZK Rollups要生成加密有效性证明,其计算成本很高,很昂贵,且落地成熟还需要一定的时间。
从长期看,ZK Rollpus有可能是最终的解决方案,但是ZK Rollups成熟和落地需要更长时间,而以太坊的扩展需求更为紧急,从这次智能链的崛起也能看出来。ZK Rollups的落地较慢,给予Optimistic Rollups 和Arbitrum机会。
因此,从中短期落地来看,欺诈证明类Rollups(Optimistic Rollups 和Arbitrum Rollups)有更快的落地机会。欺诈证明本身是“乐观派”,预设所有提交者都是好人,除非被证明有罪。只要有一位验证者存在,就可以提交欺诈证明,就是安全的。因此,存在一位诚实的验证者这个假设就变很重要。只需要一位验证者即可提交在线欺诈证明,有长达一周(或以上)的欺诈证明时间窗口,这也导致最终确认时间缓慢,提款时间过长。
总的来说,欺诈证明和加密有效性证明类的Rollups各有优缺点。ZK Rollups是非交互式的,通过数学的方法来解决问题,而Optimistic Rollups 和Arbitrum Rollups都是交互式的。从这个意义上,Optimistic Rollups 和Arbitrum Rollups是类似的,不过它们在具体路径上也存在差别。
Arbitrum是多轮交互式的Rollups方案
从上述来看,Arbitrum和Optimistic同为欺诈证明范畴的Rollups方案,两个方案的核心问题都是:如何验证结果的正确性?会不会有人发送恶意的证明?因此,两者都有挑战机制。验证人可以向链上发送断言,提出争议。如果断言为假,则会失去其质押的保证金资产。
Arbitrum和Optimistic之间的主要不同在于解决分歧的方式。当有验证者向L1提交rollup区块,有人认为不正确,这个时候怎么办?
Arbitrum采用的是多轮互动协议来解决争议,将规模大的争议细分成小的争议,直到找到最关键的那一步,然后再通过以太坊合约来确定它是否正确。通过拆分争议,Arbitrum试图实现更高效的解决方案。
Arbitrum中的参与者可以质押保证金,断言某个状态最终会被确认。如果断言错误,用户的质押保证金会罚没。两个用户质押在不同的方块上,这意味着只能其中一个是真的。为了防止有人攻击,争议的断言者需要质押保证金资产,防止其作恶。
在刚开始的设计中,Arbitrum协议采用了一次处理一个争议断言的做法。由某个参与者提出争议断言,争议断言存在挑战期,在这个期间任何人都可以挑战该争议断言。如果没有人挑战,那么,该争议断言将被视为有效。
不过这种单线推进模式存在瓶颈。一次激活一个争议断言,效率低下,VM进程受限。同时,作恶者可以故意通过挑战争议断言来延缓VM。即便需要付出质押资金,但也可以拖延。
因此,在新的设计中,Arbitrum可以同时处理多个争议断言,不是线性进行。作恶者减缓进程的实现难度更高。目前Arbitrum采用多个争议断言同时处理的方法,一个质押者一次一个断言,不同的质押者则可以同时处理多个断言。
随着断言被确认为有效,其VM的状态也不断向前推进。通常来说,人们会选择诚实行为,因为这样可以确保其质押保证金不会被罚没。除非有恶意攻击理由,人们没有必要将其资产质押在错误的分支上。
为了实现无须信任的特性,在Arbitrum的设计中,任何一个诚实参与者可以推进VM正确性和进展。如果一个参与者总是在正确的分支上质押,TA会赢得所有的争议断言。如果其他人不同意,只会失去其质押保证金。只有诚实参与者一起,才能免遭惩罚。
简单理解Arbitrum
(Alice和Bob质押在不同分支上,来自Arbitrum的Ed Felten
如果上图中的Alice断言证明为正确,那么Bob质押的保证金资产会失去,而Alice则获益。
在单轮互动的Rollups中,断言包括每个调用结果,挑战者指向断言中具有错误结果的特定调用。链上合约模拟被挑战的调用并检查是否有错。如果有错,则整个断言被取消,其断言者失去质押的保证金。如果挑战窗口期过后,没有成功的挑战,则断言被接受,并具有最终性。
而在多轮互动的Rollups中,也有挑战时间窗口期,断言者和挑战者之间存在多轮交互,链上合约作为裁判,由它来决定谁是错误。多轮交互设计的主要考虑在于,尽可能减少解决争议的链上工作。通过在挑战者和断言者之间的多轮交互最大程度减少链上的工作量。
单轮交互和多轮交互本质上是对链上成本和解决争议时间的平衡。单轮和多轮交互式Rollups都需要写入所有对合约的调用及其数据上链,不同的地方在于它们需要将什么作为断言一部分提交到链上。单轮交互模式要求模拟链上的完整调用,从成本上考虑的话,它会更加贵一些。而多轮交互可以通过细分,可以将争议范围缩小,且向链上写入的数据相对更少些,使得其在链上执行成本更低。不过,它也并非没有缺点,它的确定增加了轮次,增加了时间。
此外,Arbitrum多轮交互模式可能会面临延迟攻击。由于系统是无须信任的。恶意攻击者可以延缓进程,当然,他们这么做也有代价,就是其质押保证金会被罚没。还需要注意的是,恶意行为者无法阻止诚实的参与者持续构建诚实的分支,也无法阻止诚实参与者在诚实分支上获得最终的确认。他们能做的事是通过在错误分支上进行质押保证金,并延缓链上对诚实分支的确认。他们可以制造多个争议断言,如果诚实参与者足够多,它们可以同时应对这些争议断言,并捕获攻击者的质押保证金。也就是说,诚实参与者越多,攻击者就需要越多的质押资产来进行延缓攻击,攻击的难度就越大。
此外,在多轮交互的Rollups中,可以实现有效的“断言”会成为“无须信任的最终性”,任何人可以确信其最终确认是不可避免的。为了确保自己的最终确认,用户可以参与到协议中来捍卫断言,即便是单独行动,也可以推动其最终确认的发生。
如果没有挑战,多轮和单轮交互的确认速度类似,如果有人挑战,多轮争议耗费的时间会更长一些。在这个方面,单轮交互有优势。单轮交互不会允许确认延缓攻击,而多轮交互的好处在于更小的链上数据,可以处理突破以太坊gas limit的合约(计算和存储)。
欺诈证明类的Rollups在最终确认方面存在一定的时间周期。因此,通过Arbitrum的转账没有办法像ZK Rollps方案一样达成快速的最终性。其可能的解决方案是,通过第三方的介入。第三方可以将其资金立即转给用户,但用户也需要支付一笔提前提取费用。一般而言,第三方认为未确定的转账一定会实现,第三方会在诚实的结果上进行保证金质押。由于任何人都可以将资金转给需要快速提取的用户。那么,这样也存在一个市场,会导致费用处于均衡,不会过高或过低。
Arbitrum的EVM兼容性
Arbitrum试图跟以太坊完全兼容,兼容EVM,无须重写程序。跟以太坊完全兼容,这个在智能链上我们看到了威力。这是它能够顺利嵌入以太坊当前生态的最重要的举措。
dApp开发者使用Solidity语言编写其智能合约,这些智能合约编译成Arbitrum VM,可以在Arbitrum Rollups上运行。
Arbitrum的进展
Arbitrum技术目前推出Arbitrum One。Arbitrum合约在以太坊主网上部署,已经开始接纳项目,目前处于主网测试阶段。按照Arbitrum的说法,目前有超过250个团队申请进入,它向所有开发者开放。接下来的几周时间,可以看到越来越多的DeFi项目会进入Arbitrum生态。
目前一些以太坊生态的重要参与者,例如Etherscan等也在支持Arbitrum One链。
以太坊与L2的落地
有意思的是,Arbitrum没有原生代币,采用ETH作为燃料,所有费用使用ETH支付,这对于ETH来说,也是好事,暂且不说未来它对ETH有多大需求。
就目前来说,以太坊的可扩展需要长短期结合的打法,来满足其快速成长的需求,尤其是DeFi和NFT爆发性增长的需求。从长期看,L2可能是ZK Rollups获胜,但由于其高昂的成本和落地的滞后,可能需要较长时间来消化。而Arbitrum和Optimistic Rollups可能更早落地,虽然其提取时间长,但并非无解。此外,在实践中成长,也可能会诞生新灵感。
除了L2的逐步落地,随着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寻常的一年。

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