简明理解 Arbitrum：多轮交互式 Rollup 方案

Arbitrum 试图通过拆分争议和同时处理多个争议断言来实现更高效的解决分歧的方案。

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原文标题：《简单理解 Arbitrum》
撰文：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 Optimisitc Rollups 和 Zk Rollups，可以参考文章 《一文读懂 ZK Rollup 和 Optimistic Rollup: 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 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。

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****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。