LIC:以太坊 Arbitrum Rollup 的工作原理

最近我發表了一篇博文比較ArbitrumRollup和相互競爭的其他rollup系統。不過，那篇文章里面沒有詳細介紹ArbitrumRollup的工作原理，所以這一篇文章的任務就是填補這個空白。

一句話，ArbitrumRollup是一個由以太坊鏈上合約管理的鏈下協議。為使自己的應用能夠在ArbitrumRollup上運行，dApp的開發者需要用Solidity編寫一組合約，然后將這些合約編譯成可以在Arbitrum虛擬機上運行的可執行代碼。運行速度會更快，你我期待的就是這個。

Rollup基礎知識

先從基礎知識說起。我們使用默克爾樹來組織虛擬機的狀態，因而可以算出虛擬機狀態的密碼學哈希值。我們把這個哈希值存儲在鏈上，因此在協議的任何一個時間點，都會有一些虛擬機的狀態被完全確認和最終敲定。這些已經獲得終局性的狀態的哈希值，就存在鏈上。

協議的參與者，通過提出一個爭議斷言來推進該虛擬機的狀態；該斷言聲明，從某些狀態哈希開始，基于一些技術前提，虛擬機將會執行特定數量的計算步驟，生成新的狀態哈希，并在執行期間完成相關的支付，生成相關的日志事件。爭議斷言可能是有效的，也可能是無效的。參與者在提出爭議斷言時需要為保證斷言的有效性而賭上一筆押金。(更多關于押注及其工作原理的內容將在后面介紹。)

-爭議斷言會使協議產生一個決策點-

如上圖所示，提出一個爭議斷言就會產生一個協議最終必須要解決的邏輯決策點。如果爭議斷言是有效的，則系統將進入圖中右上角的新狀態，包括由爭議斷言生成的新狀態哈希值，以及其他附帶效果。若爭議斷言是無效的，則進入右下角的分支，爭議斷言被系統拒絕，原來的狀態不會發生變化。

以太坊客戶端Hyperledger Besu發布熱修復版本v22.7.6:10月8日消息，企業級以太坊客戶端Hyperledger Besu發布熱修復版本v22.7.6，解決了鏈重組的錯誤，建議所有以太坊主網用戶升級。[2022/10/8 12:49:40]

舊的Arbitrum協議

最開始的Arbitrum協議每次只處理一個爭議斷言。當某些參與者提出一個爭議斷言后，會有一個挑戰期，在此期間任何人都可以挑戰這個爭議斷言。如果沒有被挑戰，則該爭議斷言將被系統接受；否則就會執行糾紛解決協議，撤銷爭議斷言。

這樣做很簡單，但是有兩個缺點。首先，因為每次只處理一個爭議斷言，所以虛擬機的處理速度很受限。在每個挑戰期內，正常的處理流程基本上都將停滯。第二，惡意參與者通過故意挑戰所有的爭議斷言可以徹底凍結虛擬機。攻擊者需要付出一些押金作為代價，但是只要他們愿意，他們至少可以在某些特定場景下通過這種攻擊長時間延誤系統。

新的改進版本

在我這篇文章中介紹的新的ArbitrumRollup協議解決了上述的兩個缺點。通過“流水線化”處理多個爭議斷言，驗證節點模擬虛擬機的運算速度有多快，虛擬機的處理速度就有多快。第二，我們后面將會解釋，惡意參與者無法延阻系統，他們只能暫時延誤對最終結果的鏈上確認，但這些結果對誠實節點來說早已“無需信任地被敲定了”。

所以，到底怎么做到呢？那就要講得再深一點了……

以太坊共識層首個PoS區塊于高度15537394誕生:金色財經報道，北京時間9月15日14時42分，據歐科云鏈OKLink多鏈瀏覽器監測，以太坊執行層（即此前主網）與權益證明共識層（即信標鏈）于區塊高度15537393觸發合并機制，并產出首個PoS區塊（高度為15537394），自此以太坊共識正式從PoW轉為PoS機制。作為首個監測到以太坊PoS出塊的多鏈瀏覽器，首個PoS區塊打包驗證人為：0xeee27662c2b8eba3cd936a23f039f3189633e4c8。[2022/9/15 6:57:59]

每個狀態后面最多可以接一個爭議斷言。如果一個狀態后面沒有爭議斷言，那么任何人都可以生成一個爭議斷言接在后面，作為一個新的分叉點。結果就是產生了一棵平行未來之樹。

-平行未來之樹-

押注

協議的另外一個重要的部分是押注。任何人都可以在樹上的某個方框后面下注。對某個方框押注，意味著你在斷言該方框最終將被協議確認。換句話說，你在斷言從當前狀態到你押注的方框所在的這條分支是正確的分支。如果你錯了，可以想見你的押金將被罰沒。

押注行為不能被撤銷。你可以將你的押注向右移動——可以在分叉點后向上或向下選擇分支——但你不能向左移動押注，因為這相當于撤銷你之前作出的押注承諾。

提出爭議斷言的參與者要在“認可其斷言有效”的繼任方框上押注。通常他們可以向右移動已存在的押注到滿足條件的方框上。他們不能這樣做，他們可以額外再押一注到需要的方框上。但是注意，他們將在相沖突的兩條路徑上押注，因此最終他們會損失至少一筆押金——通常自相矛盾不是明智的移動選擇）。

以太坊L2網絡總鎖倉量為53.8億美元:金色財經報道，L2BEAT數據顯示，截至5月13日，以太坊Layer2上總鎖倉量為53.8億美元。其中鎖倉量最高的為擴容方案Arbitrum，約30.2億美元，占比56.18%。其次是dYdX，鎖倉量9.97億美元，占比18.83%。Optimism占據第三，鎖倉量5.34億美元，占比9.93%。[2022/5/13 3:12:30]

關于押注還有一個細節：如果你押注的方框被確認成為被接受的歷史的一部分，你可以選擇收回押金。這意味著，如果你是正確的，你可以停止移動你的押注，直到系統“追上”你，然后你就可以收回你的押金。

-一棵更標準的狀態樹——由一連串的有效斷言組成-

在這一點上，你可能會擔心，平行未來之樹會變得非常大，而且枝繁葉茂。這在現實中是不可能發生的，因為這需要多方押注不一致的結果。只要他們中有一個是誠實的，其他所有人都會損失他們的押金。更有可能的是，這棵樹實際上是一個由有效DA串成的鏈，一個接一個，所有的押注都在同一條分支上。

押注期限

我們需要系統在盡可能短的時間內對每個爭議斷言做出決定。所以當一個爭議斷言被添加上鏈、產生一個分叉點的時候，會有一個期限與之關聯。這個期限足夠長，任何人如果愿意，都有足夠的時間檢查這個爭議斷言是否有效，以及產生一筆押注交易上鏈。任何要押注的人都必須在期限結束之前完成操作。一旦期滿，所有可以決定爭議斷言的押注都將可知。

分析師Lark Davis：Cardano很難超越以太坊的網絡效應:加密貨幣分析師Lark Davis對Cardano（ADA）是否是加密貨幣領域的“以太坊殺手”進行了權衡。Davis解釋說，以太坊網絡目前是領跑者，因為它“由區塊鏈領域最大的去中心化開發社區維護”，并且在開發人員方面“遙遙領先”。按照他的說法，ETH“遙遙領先于其他智能合約平臺”，鑒于其霸主地位，關注開發者活動“幾乎毫無意義”。然而，隨著時間的推移，它的升級一直是被動的，而不是主動的。另一方面，Davis解釋說，Cardano (ADA)使用更新和更容易使用的編碼語言設計，以幫助更多的用戶利用背后的區塊鏈技術。然而，Cardano生態系統背后的科技公司IOHK迄今未能在網絡上實現智能合約環境他補充說，以太坊的網絡效應比Cardano強得多，前者有多個合作伙伴，而Cardano的合作伙伴較少。Lark Davis指出，Cardano很難超越以太坊的網絡效應，并表示他認為以太坊2.0的推出“可能還要等一年”。（Cryptoglobe）[2021/3/28 19:23:56]

糾紛

如果Alice和Bob押注不同的方框，那么以下兩件事件中，必有一件為真。要么其中一個押注可以向右移動到另一個——意味著他們的斷言是一致的——要么找不到這樣的路徑。如果沒有一條向右移動的路徑可以連接Alice和Bob的方框，則他們必然有分歧。他們之間一定可以找到一個唯一的分叉點——一個唯一的爭議斷言，某個人押注這個斷言是有效的，而另一個押注其無效。

以太坊礦工收入正逼近比特幣礦工:由于受到DeFi和減半影響，目前以太坊挖礦和比特幣挖礦行業正發生巨大變化，自二月份以來，以太坊礦工收入增長兩倍，而比特幣礦工的收入在減半后下降了30％。在比特幣區塊獎勵減半和DeFi熱潮爆發之前，比特幣礦工在2020年第一季度收入是以太坊礦工四到五倍，在今年前九個月平均每月收入近4億美元，而以太坊礦工平均月收入則約為1.5億美元。但是自比特幣區塊獎勵減半和DeFi熱潮爆發之后，以太坊礦工收入在8、9兩月幾乎與比特幣礦工持平。總體而言，2020年迄今比特幣礦工收入總額為35.5億美元，以太坊礦工收入總額為13.4億美元。[2020/10/13]

-Alice和Bob之間存在爭議-

當兩個參與者之間出現糾紛時，系統可以啟動一個交互式糾紛解決協議。我在這里沒有足夠的篇幅來描述這個糾紛解決協議——我只想說，這是一個類似我們在其他Arbitrum文檔中描述過的二分法交互協議。

糾紛解決協議的結果是一個參與者將被發現是錯誤的。這個參與者的押金會被罰沒。押注會從所在的方框上刪除。部分押金會給到糾紛的另一方，剩下的被燒掉。

多個糾紛可以同時解決，但是每個押注者一次最多只能參與一個糾紛。因為輸家的押注將被刪除，每解決一個糾紛都會減少整個系統的分歧數量。損失押金的參與者可以繼續押注，但是新的押注無法影響押注期限已過的爭議斷言。這樣做的效果是，一個爭議斷言的押注窗口結束后，一切有關如何處理該斷言的分歧都將被消除。

結果確認

某個爭議斷言的押注期限到期后，如果所有及時提交的押注，都存在于從該斷言產生的同一條分支上，那么系統就可以肯定該斷言的結果為真。爭議斷言要么被接受要么被拒絕，當前狀態會移動到爭議斷言右邊正確的方框上。如果爭議斷言被確認有效，則其附帶效果，如支付等，也會在鏈上生效。虛擬機的狀態就是這樣向前移動的。

一般情況下，參與者都會誠實守矩，誰也不想因為押注錯誤而損失押金。只有有效的爭議斷言會被斷言，構成一條鏈，沒有人會在任何爭議斷言的無效分支上押注。在這種情況下，所有的爭議斷言都會在押注期限一過后立即被確認。

何以無需信任

ArbitrumRollup的一個重要性質就是無需信任——只要有一個誠實參與者就可以確保虛擬機狀態正確向前推進。為什么呢，想象一下Alice總是在正確的分支上押注，如果沒有爭議斷言，她就自己斷言。

因為Alice總是在正確的分支上押注，所以她會贏下每一次糾紛。如果有任何人不同意Alice，他們要么(a)與一個無關的第三方產生糾紛并損失押金，或者(b)最終和Alice產生糾紛并輸給Alice押金。無論哪種情況，所有與Alice不一致的人都將失去押金。只有同意Alice的押注才能存活下去，所以Alice在樹上的路徑最終會成為唯一一個有及時押注的分支——并且Alice的路徑會被確認。

-只要Alice是誠實的，無論別人怎么做，綠色方框都會得到確認-

因為按這種方式系統是無需信任的，如果Alice押注某個方框，她一定知道到這個方框的路徑是可信的，Alice可以確定這個方框最終一定會被確認。對于Alice來說，這條路徑就跟被敲定了一樣。

即使你沒有押注某條路徑，如果你看到有好幾個人對它押注，只要你相信其中至少有一個誠實的人，你就可以肯定這條路徑最終一定會被確認——對你來說，這條路徑就跟被敲定了一樣。

無需信任的終局性的好處

為什么說無需信任的終局性有價值？經典的例子來自于之前對其他rollup協議的討論。假設一個虛擬機要向Alice進行支付。支付事件發生在誠實的路徑上，但是包含這筆支付的方框還需要等待一些時間被鏈上確認。

無需信任的終局性讓Alice可以立即拿到錢。如果Bob有余錢，可以立即付給Alice，以交換Alice尚未被確定的收款。Bob只有在他能確定Alice的這筆收款一定會發生，才會想和Alice交易。Bob可以通過押注誠實的結果來確保這一點——這樣他對這筆支付最終一定會發生抱有無需信任的信心。不僅僅是Bob可以這樣做。任何有點錢的人，都可以用這樣的方式借錢給Alice或者有她這樣需求的人，這些人通過提供更低的費用相互競爭，使Alice立即拿到錢的成本大大降低。

關鍵是，這種市場機制的可行性取決于無需信任的終局性。如果“每個人”都知道這件事最終會被確認，那么鏈上確認的延遲就不會帶來那么多的不便。

不僅對于支付，虛擬機能做的其他事情也是如此。如果虛擬機要生成一個日志事件記錄發生了什么事情，無需信任的終局性意味著任何人都可以肯定地采取行動，因為這個日志事件最終一定會被鏈上承認。

延遲攻擊

因為這個系統是無需信任的，壞人無法強行制造錯誤的結果。他們能做的只能是延緩系統。這樣做需要他們付出押金，如果押金數額巨大，則代價高昂。

想象一下，如果有人寧愿付出押金也要發動延遲攻擊，他們能造成的最壞的情況是怎樣的？

首先要注意的是，壞人無法阻止好人繼續構筑誠實的分支。而且他們也無法阻止好人獲得對“誠實的分支終將被確認”的無需信任的信心。

攻擊者能做的只是在錯誤的分支上押注，以延遲誠實路徑的鏈上確認。他們每次的押注都會產生一起和誠實參與者的糾紛，而誠實的參與者會從糾紛中拿走攻擊者的一大部分押金。等到攻擊者的全部押金被拿走了，鏈上確認還會繼續向前推進。

如果攻擊者多筆押注錯誤的結果會怎樣？那么這些押金會在一個接一個的糾紛中被拿走。如果有多人押注誠實的結果，這些人都可以進入糾紛解決，并行拿走攻擊者的押金。而且需要注意，所有人都很清楚發生了什么，很多人都想加入進來分一杯羹，押注正確的結果從攻擊者手上搶奪押金。如果誠實方有K個人押注，則在一次糾紛延遲期內，就要消耗攻擊者K份押金。如果攻擊者下更多的押注，那很可能會吸引更多的誠實押注者。這對攻擊者來說是個災難。

優化

還可以做很多優化來降低操作協議所需的鏈上記賬數據量，降低鏈上的gas消耗，讓攻擊者延遲攻擊引發的喂養狂潮更容易上演。我不會再這里詳述這些優化——這篇文章已經足夠長了。

前進的道路

我們Offchain實驗室正在開發這個協議。預計這個ArbitrumRollup協議很快就會被推送到我們的開源代碼庫中。我們很樂意回答你的任何問題。哦，順便說一句，如果你想幫助我們一起構建這樣的東西，我們正在招聘。

原文鏈接:

https://medium.com/offchainlabs/how-arbitrum-rollup-works-39788e1ed73f

作者:?EdFelten

翻譯&校對:?戡亂?&阿劍

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