BIT:简单理解以太坊二层解决方案 Arbitrum

本文发布于蓝狐笔记。

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

以太坊Layer2方案有不少，其中最受关注的还是Rollups系列，之前蓝狐笔记介绍过OptimisitcRollups和ZkRollups，可以参考文章《一文读懂ZKRollup和OptimisticRollup:以太坊重要的扩展方向》。

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OptimisticRollups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ZKRollups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。

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从整体上看，ZKRollups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OptimisticRollup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，ZKRollups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，ZKRollpus有可能是最终的解决方案，但是ZKRollups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。ZKRollups的落地较慢，给予OptimisticRollups和Arbitrum机会。

因此，从中短期落地来看，欺诈证明类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。

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总的来说，欺诈证明和加密有效性证明类的Rollups各有优缺点。ZKRollups是非交互式的，通过数学的方法来解决问题，而OptimisticRollups和ArbitrumRollups都是交互式的。从这个意义上，OptimisticRollups和ArbitrumRollups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。

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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。

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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。

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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gaslimit的合约。

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ZKRollps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ArbitrumVM，可以在ArbitrumRollups上运行。

Arbitrum的进展

Arbitrum技术目前推出ArbitrumOne。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ArbitrumOne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ZKRollups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OptimisticRollups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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