速读以太坊 Layer2 扩容方案 Arbitrum

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本文将从架构、设计原则、扩容原理、安全机制等方面出发,带你速览 Arbitrum,带你辨别它与 Optimism 之不同。

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因为主网上线一再拖延,Optimism 终于被 Arbitrum 抢了风头。

作为 Layer 2 扩容赛道里 Optimism Rollup 方向最负盛名的项目之一,Arbitrum 在 5 月 28 日上线了主网,称之为「Arbitrum One」。不过目前暂时仅对开发者开放。团队表示,已经有超过 250 个项目申请接入,但Arbitrum 将采用「公平启动」的方式,所有项目(无论规模大小)都一视同仁,不会给予任何人优先访问权限。

截至 6 月 5 日,Uniswap v3、Sushiswap、DODO、MCDEX 等头部 DeFi 应用都完成了部署(Uniswap 最早打算在 Optimism 上部署 Layer 2 版本)。 而MetaMask、 Chainlink,以及以太坊开发工具(The Graph、Truffle、Hardhat、ethers.js、web3.js 等)也都支持了 Arbitrum。此外,Etherscan 和 区块链开发团队 Alchemy 也已经支持 Arbitrum,后者还为 Arbitrum 编写了开发者文档。

本文将从架构、设计原则、扩容原理、安全机制等方面出发,带你速览 Arbitrum,带你辨别它与 Optimism 之不同。

架构

Arbitrum 建立在以太坊区块链上,并由以太坊区块链提供安全性保证,所有的交易数据都记录在以太坊上。Arbitrum 拥有与以太坊相同的 RPC 接口,支持所有 EVM 语言,并且原生支持所有以太坊工具。理论上,从用户和开发者的角度来看,与 Arbitrum 交互就像与以太坊交互一样,但 gas 费更低。

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图1:Arbitrum 架构。

这是如何实现的呢?我们可以从 Arbitrum 架构上来理解,这个架构包含三大组件:EthBridge(桥)、Validators(验证人)和 ArbOS。

  • EthBridge:在以太坊上运行的 dapp。它的工作是充当以太坊和 Arbitrum 链之间的桥樑。
  • Validators:验证者是主力,几乎全在链下工作。他们跟踪 Arbitrum 链的状态,并通过模仿代码中的指令来推进智能合约执行。验证者知道关于链当前状态的所有信息。EthBridge 只跟踪极少的加密哈希,这些哈希能够锁定链及其合约的状态。
  • ArbOS:Layer 2 的可信“运营系统”,将不可信合约彼此隔离,跟踪和限制不可信合约的资源使用,并管理向用户收取费用的经济模型,为链上验证者的运营提供资金。许多原本在 Layer 1 上的高消耗工作由 ArbOS 代替,以 Layer 2 的速度和低成本执行以上功能。

具体在运转上,EthBridge 维系 Layer 1 和 Layer 2 之间的连接,Arbitrum 通过调用 EthBridge 合约实现与以太坊主网的交互。所有在 Arbitrum 上执行的交易都会提交给一个运行在以太坊上的 Inbox 智能合约。 Arbitrum 的执行完全基于 Inbox 合约提交的交易。值得一提的是,EthBridge 的另一项重要工作是仲裁验证者之间的争议。

Arbitrum VM架构(AVM Architecture)之上是 Arbitrum 底层运行的虚拟机 AVM,ArbOS 完全在 AVM 中运行,负责管理和执行智能合约。ArbOS 为智能合约提供与 EVM 兼容的执行环境。

用户(位于图 1 的左上方)在使用钱包或前端工具与 Arbitrum 进行交互时,无需使用新的工具,开发人员也无需进行额外开发,可以直接将现有的 Solidity 合约转移到 Arbitrum 中。

设计原则

Arbitrum 的开发团队指出了3个设计原则:

  • 与以太坊兼容;
  • 让尽可能多的活动在以太坊的链下进行,因为以太坊的 gas 资源是最珍贵和昂贵的;
  • 无需信任。

和 Optimism 相比,Arbitrum 有着更高的兼容性。这是因为, Optimism 需要一个特殊的 solidity 编译器来生成 OVM 字节码。因此,它只与 Solidity,而且是特定版本的 Solidity 兼容。Arbitrum 更高的兼容性来自于,Arbitrum 完全兼容 EVM/JSON RPC 规范,不过节点需要自定义实现。Arbitrum 通过自动化的 EVM→ AVM 翻译来支持欺诈证明,支持任何 EVM 语言(vyper、YUL+ 等)。此外,Optimism 使用 weth,而且内置钱包抽象,而Arbitrum 自带 ETH 支持。

而后两个原则,则是通过采用「多轮欺诈证明」的 Optimistic Rollup 来实现的。

除了支持Sodility语言,考虑到许多开发者更喜欢用不同的编程语言编写代码,Arbitrum 还开发了编译器工具链,以允许标准语言如 C/C++、Python、Go 和 Roice 编译成 Arbitrum。

扩容原理:Optimistic Rollup

Arbitrum 使用 Optimistic Rollup。Rollup 将计算(以及状态存储)转移至链下,但同时将每笔交易的部分数据保留在链上,因此能大幅度降低对以太坊区块链 gas 费的消耗。此外,Arbitrum 还提供了一套压缩工具,可以进一步减少需要记录在以太坊区块链上的数据量,从而减少 gas 的消耗。

与此同时,Arbitrum 会定期,比如每 5~10 分钟向以太坊发送「检查点」,就是一个哈希,包含了在 Arbitrum 上发生的一切活动完整状态,发送这个哈希以此作为在链上的记录。

安全机制:多轮欺诈证明

「欺诈证明」与「有效性证明」是相对的,后者广泛用于各种 ZK Rollup 方案中,有着更好的即时终局性。前者提出证据以证明链上的状态转换并不正确;后者提出证据以证明链上的状态转换正确。

Optimistic Rollup 采用「欺诈证明」,由Rollup 合约跟踪历史状态根和每一个batch(批处理)的哈希值。如果有验证者发现某个batch的后状态根(post-state root)不正确,那么他们可以在争议时间内(DTF,Dispute time frame)发起挑战并向合约提交证明,证明该batch计算错误。合约验证该证明有效后,会对该batch和之后的所有batch进行回滚。

为了防止恶意,原始的验证者和后续的挑战者都必须在特定时间段内向以太坊投入保证金。如果原始验证者被证明是错误的,他将失去其保证金;如果挑战者不正确,挑战者将失去保证金。那些未被「挑战」的状态会度过争议时间,被「接受」为真实,与以太坊区块链的最终状态合并。

上述关于「欺诈证明」的论述只是一般情况。同样采用欺诈证明,Arbitrum 与 Optimism 有着根本上的不同。Arbitrum 采用的是「多轮欺诈证明」,而 Optimism 采用的是「单轮欺诈证明」。

具体而言,Arbitrum 通过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(二分查找),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(如图2)。在Optimism中,Layer 1 会在链上执行整个 Layer 2 交易,来验证状态根——这就是单轮欺诈证明。

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图2:多轮互动的本质是二分查找。来源:Arbitrum 白皮书。

本质上,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。Arbitrum 会在链下对争议内容进行拆分,在确定了最小的争议范围之后再调用以太坊合约进行决策。因此在 Layer 1 层面的验证上,Arbitrum 的效率会更高。同时,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。然而增加的挑战轮次也增加了时间。

相比之下,单轮交互模式模拟链上的完整调用,使得欺诈证明更具有即时性,不过成本也提高了。不过,如果没有挑战,多轮和单轮交互的确认速度类似。

结语

尽管我们细数了 Arbitrum 的诸多优点,但是Layer 2 远未到赢者通吃的地步。甚至来说,多个现阶段采用 Optimism Rollup 方案的团队都表示,会逐步吸收 ZK Rollup 的优点,毕竟后者快速的终局性真是太香了——能够实现转账和提现的快速确认仍是用户体验的关键一环。据Arbitrum 创始人说,它们团队也已经增加了 ZK 的研究人员。

Arbitrum 也不一定会是最终在市场中胜出的那个 Layer 2 方案。乐观一点说,我们很有可能迎来 Layer 2 方案的百花齐放,新的机会孕育其中。Bankless 联合创始人 David Hoffman 有个美妙的比喻:以太坊是早期的迪士尼乐园,Polygon、Arbitrum、Optimism、Hermes 或任何其他以太坊 Layer 2 开放时,它们会向世界释放免费的土地。但这只是土地,它们很肥沃,但这些土地上什么都没有。但是,随着这些 Layer 2 网络的上线,开发者和用户将迎来新的淘金热。DeFi 夏季的 Layer 2 版本即将到来。

但是,在市场行情处于多空僵持的关键时点,我们也有理由担心:以太坊 gas 费本身已经下降很多了,Layer 2 方案在淡静的市场中又将如何捕获需求? 6 月 6 日、6 月 7 日,以太坊 gas 费最低降到了10 gwei 以下。矿工的手续费收入站总收入的比重也由前一段时间的最高超过70%,平均40%降到了不足20%。不过也许,这些下降的 gas 费中,本身就有一部分Layer 2 的功劳。

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