2021.07.05-07.11

Part.1 Insight

扩容金牌种子选手Arbitrum优势解析

Rollup 终于来了！随着 Arbitrum 于 5 月 29 日宣布其主要网络测试版，以太坊社区终于要实现了期待已久的可扩展性。我们愿景是：将原始数据存放在以太坊Layer1上，而成本高昂的执行和存储将移至Layer2。同时，Rollup的安全性由Layer1保证，所以比侧链之类的其他解决方案更安全。不同Layer2解决方案的深度对比详见下图：

Arbitrum 的历史可以追溯到 2014 年。当时这只是学生项目，Ed Felten 教授是导师。在 2015 年至 2017 年期间，Ed Felten 在白宫担任顾问，这个项目也随之中断了一段时间。到了2017 年才重新开始运行，当时Ed Felten 教授回到普林斯顿大学，Steven Goldfeder 和 Harry Kalodner 说服他再次参与该项目。Arbitrum一直都是Rollup项目，只是当时还没有这个术语。接下来，我们将仔细研究Arbitrum Layer2的争议解决机制，这是所有架构的核心所在。

多轮争议解决机制

Arbitrum 的目的一直是解决交互式争议。因此 Arbitrum 命名指的是法律术语中的“仲裁员”，意为裁决争议的人。如果有人在交易执行后对结果提出异议，验证者就用这种裁决争议的方法来就达成一致。在多轮交互rollup中，程序会反复将N条指令分成大小为N/K的K个部分，直到找到有争议的具体执行步骤。以下是该过程的图解：

来源: Tracer.Finance

在发生争议的情况下，由L 1重新执行交易中最后产生争议的步骤，以解决争议并决定争议的赢家。程序将交易分成多个步骤，并且在L 1只运行有争议的步骤，减少了在L 1重新执行整个过程的成本。还有一个显著的好处是，在Arbitrum 上运行智能合约/交易不受以太坊的执行能力/gas 限制，我们只需在 Layer1 上为整批交易发布一个状态证明就足够了，从而降低了整体的成本。

而对于Optimism等单轮争议解决机制中，即使争议解决立即发生且因为多轮机制不计入额外的时间（Arbitrum的额外时间是一周），L 1都必须执行整个交易来验证。这意味着 Layer2 受到 Layer1 区块 gas费的限制。此外，每次交易后还需要在发布链上状态根，进一步增加了成本。

Layer2 最大的期望之一是低交易成本。Arbitrum 团队也提到他们已经将简单交易的 gas 成本降低到 2000 gwei。主要成本来自在 Layer1 上记录交易数据。 Arbitrum 压缩了头部数据，且不需要在每次交易后将状态根发布到 L 1，从而提高了 gas 效率。

多轮交互争议解决程序有一个强加的时间限制，即为期一周的争议额外时间。它类似于玩家轮流换手的国际象棋时钟。验证人必须在这一周内做出行动，否则他们会在争议中失败。这意味着，在实践中解决争议的过程会更短。

Arbitrum架构概述

Arbitrum Layer2与Ethereum Layer1之间有一套名为EthBridge的智能合约。EthBridge一方面裁判Layer2链上的纠纷，另一方面监督Layer2链的收件箱和发件箱。以太坊L 1上的 Arbitrum 收件箱合约是 Arbitrum 架构的重要组成部分。收件箱收集所有交易，并按照先到先得的原则进行排序。

Arbitrum虚拟机（AVM）读取Layer1链上的收件箱合约，并以即定的方式执行计算。ArbOS（Arbitrum Layer2的操作系统）则在AVM上运行，并执行Arbitrum Layer2链上的智能合约。

除了上述的重要组成部分，验证者是Arbitrum生态系统中的主要参与者。验证者是节点，观察Arbitrum Layer2上的活动并推进rollup链状态。注意，不是所有的节点都是验证者。验证Arbitrum链是完全无权需许可的。如果要发布交易或提出异议，参与者只需要运行一个节点软件并在区块中进行质押。Arbitrum上有三种验证者：

• 主动验证者：持续关注Layer2链，并通过提出新的区块来推进其状态。

• 防御性验证者：经常关注Layer2链，只有看到另一个验证者提出的恶意区块才采取行动。

• 观望型验证者：与防御性验证者类似，监视Layer2链以发现不诚实的行为。与防御性验证者不同的是，他们不会对恶意验证者提出异议或验证正确的区块，而只是提醒系统中的其他验证者。

Arbitrum的验证者负责通过在新区块的质押，来推进链的延申和rollup的状态。验证者需要质押一定数量的ETH，以便在rollup链生成区块。一旦在一个区块上质押代币，验证者就不能撤销，直到该区块被确认。如果另一个验证者对某个区块有争议，他们应该提出他们认为正确的区块版本，并对其进行抵押。根据争议机制的结果，获胜的验证者将获得不诚实验证者的部分赌注，而其余的金额将被烧毁。

区块上的质押金额是由协议本身动态调整的。Arbitrum设置了一个基本质押参数。这个基础金额将乘以一个系数，如果由于攻击而导致链的速度减慢，这个系数将以指数增长。

来源: Arbitrum Official Documentation

为了更好地理解 Arbitrum 机制，让我们看一下 Arbitrum 交易的生命周期：

1）用户将交易发送到以太坊 Layer1 上的 Arbitrum 收件箱智能合约。

1. 这些交易由AVM以先到先得的方式执行。

2. 输入收件箱中的交易，进入Arbitrum Layer-2执行过程。

2) Arbitrum Layer-2 上的验证者在收件箱中读取这些交易，并以确定性的方式一起执行它们

1. 一旦交易进入收件箱，任何查看收件箱的人都会知道交易的结果。

2. 这意味着，用户的交易一旦到达收件箱，在 Arbitrum 和以太坊 Layer1 上是都是最终的结果。

   – 终结点：每个人都知道交易结果的时间点。

   – 确认点：以太坊第 1 层验证交易正确性的时间点。

3) 随后，Arbitrum 上的验证者将提出一个包含用户交易执行的Rollup块。

1. 此时，每个关注Arbitrum链的人都已经知道该区块是否正确。

2. 一旦产生 rollup 块，将会有一个为期一周的争议挑战，直到交易在 Ethereum Layer-1 上得到确认。

4) 在 1 周的争议窗口之后，如果没有人对区块内交易的正确性提出异议，则该区块将由以太坊 Layer1 确认。

需要强调的一个重点是，从 Layer1 到 Layer2 的交易很快就会得到确认，类似于正常的以太坊 Layer1上的 交易。但是，对于从 Layer2 到 Layer1 的交易，在 Layer1 确认交易之前有 1 周的争议期。尽管以太坊链仅在 1 周争议期后才知道 rollup 块的正确性，但由于 Arbitrum 虚拟机的确定性，一旦交易进入收件箱合约，每个观察第 2 层的人都已经知道结果。

另一个需要注意的重点是 Arbitrum 目前没有共识协议。权益证明中，占大多数的验证者可以强制确认正确的状态。与之相反， Arbitrum 有正确性证明。即使只有一个诚实节点（N 个中的 1 个）也可以证明大多数恶意节点是错误的。归根结底，是争议解决算法决定谁对谁错，而不管多数票。

 Arbitrum的进展

Arbitrum 自 2020 年 10 月 4 日起进入测试网阶段，并于 5 月 29 日在以太坊主网上部署了 Abitrum 智能合约。自 10 月份首次发布测试网以来，他们已收到逾300个访问开发者发布的团队请求。

目前在Arbitrum One主网测试版上已经有超过700个账户创建，500个合约部署。在Arbitrum One上已经有了大量且不断增长的活动。

与该领域的其他Rollup不同，Arbitrum 没有项目的候补名单，每个人都可以访问，可以在此基础上进行开发。Arbitrum 也成功吸引了顶级项目，其中一些宣布在 Arbitrum 上构建的项目包括 Uniswap、Sushiswap、MCDEX、DODO、Biconomy 等，还集成了领先的基础设施提供商如 The Graph、 Etherscan 和 Chainlink。

结论

Rollup十分安全，并且可以集成 Layer1，是最有希望的以太坊扩容解决方案之一。Rollup还有了不同的方案，包括广为讨论的optimistic rollups和基于零知识的解决方案。我们相信，在不远的未来，Rollup的竞争将继续下去。这种公开和透明的竞争会使整个生态系统受益。

由于多轮交互的争端解决机制，Arbitrum在gas限制和 Layer2 链的虚拟机设计方面具有极大的优势。虽然陪审团还没有定论，但已经可以看到其潜力，Arbitrum将获得大量采用。然而最终无论谁是Rollup竞争的胜利者，以太坊生态系统都将从中获益，这一点是无可争议的。

我们相信Arbitrum会对以太坊最大的可扩展性提供巨大帮助。Arbitrum团队在过去的几年里一直努力钻研，目前看来他们将成功领先市场。从他们开放的开发方式和大量的合作关系来看，Arbitrum的推出是大获成功的。

参考文献:

• Introducing Arbitrum One: our mainnet beta

• Arbitrum Official Documentation

• 'Inside Arbitrum' – Harry Kalodner

• ZKPodcast: Diving into Arbitrum’s Optimistic Rollup

• Arbitrum in under 10 minutes