Arbitrum 試圖通過拆分爭議和同時處理多個爭議斷言來實現更高效的解決分歧的方案。

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原文標題:《簡單理解 Arbitrum》
撰文:藍狐筆記

最近 Uniswap 和 Sushiswap 都在計劃使用 Arbitrum 的 L2 方案,這使得 Arbitrum 成爲人們關注的以太坊 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: 以太坊重要的擴展方向》

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,這個哈希作爲結果放在鏈上,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,而以太坊的擴展需求更爲緊急,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線欺詐證明,有長達一週(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 同爲欺詐證明範疇的 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,兩者都有挑戰機制。驗證人可以向鏈上發送斷言,提出爭議。如果斷言爲假,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,有人認爲不正確,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。爲了防止有人攻擊,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,該爭議斷言將被視爲有效。

不過這種單線推進模式存在瓶頸。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。

隨着斷言被確認爲有效,其 VM 的狀態也不斷向前推進。通常來說,人們會選擇誠實行爲,因爲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。

爲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。

簡明理解 Arbitrum:多輪交互式 Rollup 方案Alice 和 Bob 質押在不同分支上,來自 Arbitrum 的 Ed Felten

如果上圖中的 Alice 斷言證明爲正確,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,斷言包括每個調用結果,挑戰者指向斷言中具有錯誤結果的特定調用。鏈上合約模擬被挑戰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。如果挑戰窗口期過後,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,也有挑戰時間窗口期,斷言者和挑戰者之間存在多輪交互,鏈上合約作爲裁判,由它來決定誰是錯誤。多輪交互設計的主要考慮在於,儘可能減少解決爭議的鏈上工作。通過在挑戰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鍊,不同的地方在於它們需要將什麼作爲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,惡意行爲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,在多輪交互的 Rollups 中,可以實現有效的「斷言」會成爲「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。爲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。

如果沒有挑戰,多輪和單輪交互的確認速度類似,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週期。因此,通過 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,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,第三方認爲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用戶。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 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 開發者使用 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,已經開始接納項目,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,它向所有開發者開放。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 作爲燃料,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 年的以太坊註定是不尋常的一年。