Layer 2：深入理解Arbitrum_BSP

Arbitrum是Layer2 Rollup的一種方案。和Optimism類似，狀態的終局性采用“挑戰”(challenge)機制進行保證。Optimism的挑戰方法是將某個交易完全在Layer1模擬執行，判斷交易執行后的狀態是否正確。這種方法需要在Layer1模擬EVM的執行環境，相對復雜。Arbitrum的挑戰相對輕便一些，在Layer1執行某個操作（AVM），確定該操作執行是否正確。Arbitrum介紹文檔中提到，整個挑戰需要大概500字節的數據和9w左右的gas。為了這種輕便的挑戰機制，Arbitrum實現了AVM虛擬機，并在AVM虛擬機中實現了EVM的執行。AVM虛擬機的優勢在于底層結構方便狀態證明。

Arbitrum的開發者文檔詳細介紹了Arbitrum架構和設計。對AVM以及L1/L2交互細節感興趣的小伙伴可以耐心地查看"Inside Arbitrum"章節：

https://developer.offchainlabs.com/docs/developer_quickstart

整體框架

Arbitrum的開發者文檔給出了各個模塊關系：

Arbitrum的系統主要由三部分組成（圖中的右部分，從下到上）：EthBridge，AVM執行環境和ArbOS。EthBridge主要實現了inbox/outbox管理以及Rollup協議。EthBridge實現在Layer1。ArbOS在AVM虛擬機上執行EVM。簡單的說，Arbitrum在Layer2實現了AVM虛擬機，在虛擬機上再模擬EVM執行環境。用AVM再模擬EVM的原因是AVM的狀態更好表達，便于Layer1進行挑戰。

EthBridge和AVM執行環境對應的源代碼：

https://github.com/OffchainLabs/arbitrum.git

ArbOS對應的源代碼：

https://github.com/OffchainLabs/arb-os.git

這個模塊關系圖太過籠統，再細分一下：

EthBridge主要實現了三部分功能：inbox，outbox以及Rollup協議。inbox中“存放”交易信息，這些交易信息會“同步”到ArbOS并執行。outbox中“存放”從L2到L1的交易，主要是withdrawl交易。Rollup協議主要是L2的狀態保存以及挑戰。特別注意的是，Arbitrum的所有的交易都是先提交到L1，再到ArbOS執行。ArbOS除了對外的一些接口外，主要實現了EVM模擬器。整個模擬器實現在AVM之上。整個EVM模擬器采用mini語言實現，Arbitrum實現了AVM上的mini語言編譯器。簡單的說，Arbitrum定義了新的硬件（machine）和指令集，并實現了一種上層語言mini。通過mini語言，Arbitrum實現了EVM模擬器，可以執行相應交易。

AVM State

因為所有的交易都是在AVM執行，交易的執行狀態可以用AVM狀態表示。AVM相關實現的代碼在arbitrum/packages/arb-avm-cpp中。

AVM的狀態由PC，Stack，Register等狀態組成。AVM的狀態是這些狀態的hash值拼接后的hash結果。

AVM使用c++實現，AVM表示的邏輯實現在MachineStateKeys類的machineHash函數（machinestate.cpp）中。AVM的特別之處就是除了執行外，還能較方便的表達（證明）執行狀態。深入理解AVM的基本數據結構，AVM的基本的數據類型包括：

NFT鑄造平臺Zora宣布推出了新的Layer-2:金色財經報道，NFT鑄造平臺Zora宣布推出了新的Layer-2擴展網絡，以促進更快、更便宜的鏈上藝術品鑄造，目前已獲得OpenSea的支持。這意味著在Zora網絡上鑄造的藝術品現在可以在OpenSea上買賣，并且OpenSea的NFT相關工具套件現在將能夠在Zora的擴展網絡上鑄造資產。Zora網絡建立在現有擴展網絡Optimism的技術堆棧之上。[2023/7/8 22:25:21]

using value =     std::variant<Tuple, uint256_t, CodePointStub, HashPreImage, Buffer>; enum ValueTypes { NUM, CODEPT, HASH_PRE_IMAGE, TUPLE, BUFFER = 12, CODE_POINT_STUB = 13 };    uint256_t - 整數類型

CodePoint - 當前代碼指令表示

Tuple - 元組，由8個Value組成。元組中的某個元素依然可以是元組

Buffer - 數組，最長為2^64

HashPreImage - 固定的hash類型，hashValue = hash(value, prevHashValue)

每種數據類型除了數據表示外，還能非常方便地計算其hash值作為狀態。詳細看看CodePoint和Tuple基本數據類型。

CodePoint類型將多個操作“捆綁”在一起，每個CodePoint除了記錄當前的Operation外，還包括前一個CodePoint的hash信息。這樣所有的Operation可以串連起來，當前的CodePoint除了能表達當前的Operation外，還能明確Operation的依賴關系。CodePoint的類型定義在：packages/arb-avm-cpp/avm_values/include/avm_values/codepoint.hpp。

struct CodePoint {     Operation op;     uint256_t nextHash;     CodePoint(Operation op_, uint256_t nextHash_)         : op(op_), nextHash(nextHash_) {}     bool isError() const {         return nextHash == 0 && op == Operation{static_cast<OpCode>(0。;     } };TupleTuple類型由RawTuple實現。RawTuple是由一組value組成。Tuple限制最多8個value。

struct RawTuple {     HashPreImage cachedPreImage;     std::vector<value> data;     bool deferredHashing = true;     RawTuple() : cachedPreImage({}, 0), deferredHashing(true) {} };Tuple的類型定義在：packages/arb-avm-cpp/avm_values/include/avm_values/tuple.hpp。

在理解了基礎類型的基礎上，DataStack可以由一系列Tuple實現：

BNB Chain推出基于OP Stack的Layer2網絡opBNB測試網:6月19日消息，BNB Chain推出基于OP Stack的Layer2網絡opBNB測試網。開發人員預計opBNB測試網將達到每秒4,000筆交易的速度，目標成本為每筆交易0.005美分。[2023/6/20 21:48:10]

總結一下，AVM中的PC，Stack，Register等等的狀態都能通過hash結果表示。AVM整個狀態由這些hash值的拼接數據的hash表示。

Rollup Challenge

在提交到L1的狀態有分歧時，挑戰雙方（Asserter和Challenger）先將狀態分割，找出“分歧點”。明確分歧點后，挑戰雙方都可提供執行環境，L1執行相關操作確定之前提交的狀態是否正確。L1的挑戰處理邏輯實現在arb-bridge-eth/contracts/challenge/Challenge.sol。整個挑戰機制有超時機制保證，為了突出核心流程，簡化流程如下圖所示：

挑戰者通過initializeChallenge函數發起挑戰。接下來挑戰者(Challenger)和應戰者(Asserter)通過bisectExecution確定不可再分割的“分歧點”。在確定分歧點后，挑戰者通過oneStepProveExecution函數確定Assert之前提交的狀態是否正確。

initializeChallenge

    function initializeChallenge(         IOneStepProof[] calldata _executors,         address _resultReceiver,         bytes32 _executionHash,         uint256 _maxMessageCount,         address _asserter,         address _challenger,         uint256 _asserterTimeLeft,         uint256 _challengerTimeLeft,         IBridge _bridge     ) external override {         ...        asserter = _asserter;         challenger = _challenger;         ...         turn = Turn.Challenger;         challengeState = _executionHash;         ...     }initializeChallenge確定挑戰者和應戰者，并確定需要挑戰的狀態（存儲在challengeState）。challengeState是由一個和多個bisectionChunk狀態hash組成的merkle樹樹根：

整個執行過程可以分割成多個小過程，每個小過程(bisection)由起始和結束的gas和狀態來表示。

以太坊Layer2上總鎖倉量為89.9億美元:金色財經報道，L2BEAT數據顯示，截至目前，以太坊Layer2上總鎖倉量為89.9億美元，近7日漲2.91%。其中鎖倉量最高的為擴容方案Arbitrum One，約60.58億美元，占比66.63%，其次是Optimism，鎖倉量19.52億美元，占比21.47%。[2023/4/2 13:40:25]

turn用來記錄交互順序。turn = Turn.Challenger表明在初始化挑戰后，首先由Challenger發起分歧點分割。

bisectExecution

bisectExecution挑選之前分割片段，并如可能將片段進行再次分割：

bisectExecution的函數定義如下：

    function bisectExecution(         bytes32[] calldata _merkleNodes,                                                                     uint256 _merkleRoute,                                                                               uint256 _challengedSegmentStart,                                                                     uint256 _challengedSegmentLength,                                                                   bytes32 _oldEndHash,         uint256 _gasUsedBefore,         bytes32 _assertionRest,                                                                             bytes32[] calldata _chainHashes                                                                 ) external onlyOnTurn {_chainHashes是再次分割點的狀態。如果需要再次分割，需要滿足分割點的個數規定：

以太坊Layer2上總鎖倉量為88.38億美元:金色財經報道，L2BEAT數據顯示，截至目前，以太坊Layer2上總鎖倉量為88.38億美元，近7日漲27.52%。其中鎖倉量最高的為擴容方案Arbitrum One，約58.79億美元，占比66.52%，其次是Optimism，鎖倉量19.48億美元，占比22.04%。[2023/3/27 13:27:57]

       uint256 private constant EXECUTION_BISECTION_DEGREE = 400;        require(             _chainHashes.length ==                                                                                   bisectionDegree(_challengedSegmentLength, EXECUTION_BISECTION_DEGREE) + 1,                       "CUT_COUNT"         );簡單的說，每次分割，必須分割成400份。

_oldEndHash是用來驗證狀態這次分割的分割片段是上一次分割中的某個。需要檢查分割的有效性：

        require(_chainHashes[_chainHashes.length - 1] != _oldEndHash, "SAME_END");                           require(             _chainHashes == ChallengeLib.assertionHash(_gasUsedBefore, _assertionRest),                       "segment pre-fields"                                                                             );           require(_chainHashes != UNREACHABLE_ASSERTION, "UNREACHABLE_START");                             require(             _gasUsedBefore < _challengedSegmentStart.add(_challengedSegmentLength),                             "invalid segment length"                                                                         );  起始狀態正確。這次分割不能超出上次分割范圍，并且最后一個狀態和上一個分割的結束狀態不一樣。

歐易OKEx Layer2概念幣板塊播報：漲幅較大:據歐易OKEx平臺數據顯示，受市場大行情影響，幣幣交易專區-Layer2概念幣板塊今日全部處于上漲狀態，MATIC以35.54%的漲幅領頭整體板塊。

據了解，Layer 2 通常被稱為“鏈下”解決方案，其主要目的是擴展區塊鏈的性能，同時保留分布式協議的去中心化優勢。Layer2板塊幣種行情如下：[2021/4/26 20:59:54]

        bytes32 bisectionHash =                                                                                 ChallengeLib.bisectionChunkHash(                                                                         _challengedSegmentStart,                                                                             _challengedSegmentLength,                 _chainHashes,                 _oldEndHash             );         verifySegmentProof(bisectionHash, _merkleNodes, _merkleRoute);通過merkle樹的路徑檢查確定起始狀態和結束狀態是上一次某個分割。

updateBisectionRoot(_chainHashes, _challengedSegmentStart, _challengedSegmentLength);更新細分分割對應的challengeState。

oneStepProveExecution

當不能分割后，挑戰者提供初始狀態（證明），并由L1進行相應的計算。計算的結果應該和提供的_oldEndHash不一致。不一致說明挑戰者成功證明了之前的計算結果不對。

            (uint64 gasUsed, uint256 totalMessagesRead, bytes32 memory proofFields) =                 executors[prover].executeStep(                     bridge,                     _initialMessagesRead,                     [_initialSendAcc, _initialLogAcc],                     _executionProof,                     _bufferProof                 );通過executeStep計算出正確的結束狀態。executeStep實現在packages/arb-bridge-eth/contracts/arch/OneStepProofCommon.sol中。核心是executeOp函數，針對當前的context讀取op，執行并更新狀態。感興趣的小伙伴可以自行查看。

            rootHash = ChallengeLib.bisectionChunkHash(                 _challengedSegmentStart,                 _challengedSegmentLength,                 oneStepProofExecutionBefore(                     _initialMessagesRead,                     _initialSendAcc,                     _initialLogAcc,                     _initialState,                     proofFields                 ),                 _oldEndHash             );         }         verifySegmentProof(rootHash, _merkleNodes, _merkleRoute);確定初始狀態和結束狀態是上一次挑戰狀態中的某個分割。初始狀態由提供的證明（proof）計算獲得。

            require(                 _oldEndHash !=                     oneStepProofExecutionAfter(                         _initialSendAcc,                         _initialLogAcc,                         _initialState,                         gasUsed,                         totalMessagesRead,                         proofFields                     ),                 "WRONG_END"             );確認_oldEndHash和計算獲得結束狀態不一樣。不一樣才說明之前提交的結束狀態是錯誤的。

_currentWin();計算完成后，確定勝利方。

總結：

Arbitrum是Layer2 Rollup的一種方案。采用挑戰機制確定Rollup狀態的終局性。為了引入輕便挑戰機制，Arbitrum定義了AVM，一種可以方便證明執行狀態的虛擬機，并設計了mini語言和編譯器。在AVM上模擬了EVM的執行環境，兼容EVM。挑戰時將執行過程進行400分分割，由L1執行少量指令確定狀態是否正確。

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