深入分析 Arbitrum 的安全機制_區塊鏈

Layer2擴容解決方案是當前以太坊社區熱議的話題，也是整個區塊鏈技術社區正在討論的熱門話題。基于OptimisticRollups的Arbitrum是目前最具有吸引力的Layer2擴容解決方案之一。它率先部署了主網beta版本，并獲得了Uniswap和Compound等核心DeFi項目的支持。

對于打算從以太坊主網遷移至Layer2的用戶來說，他們最關心的一個問題就是Layer2解決方案的安全機制如何。本文將深入探討Arbitrum的安全機制，包括：Arbitrum如何植根于以太坊的安全性中；為什么挑戰期是七天；以及如何防御審查攻擊。

植根于以太坊的安全性中

眾所周知Layer2解決方案與其他擴容解決方案相比，最大的一個優勢就是其安全性依賴于以太坊主網的安全性。然而，大部分人可能都知道這個道理，但卻不知道為什么。那么Arbitrum如何根植于以太坊的安全性中呢？

我們首先來回顧一下OptimisticRollup解決方案的主要特點：

在一個Rollup解決方案中，交易(作為calldata)編寫在L1上，但是其實際計算和合約的存儲在L2上完成，以實現擴容。

對沖基金Third Point CEO：一直在深入研究加密貨幣:美國紐約對沖基金Third Point 首席執行官Daniel Loeb表示其一直在深入研究加密貨幣。（U.Today）[2021/3/1 18:05:03]

驗證者在L1上發布一個斷言(assertion)，可以理解為將所有交易和結果打包成一個Rollup區塊，然后發送到L1的交易中。

OptimisticRollup之所以稱為”樂觀的“rollup解決方案，因為當一個斷言發布時，其不包含保證其有效性的隨附證明，即默認該斷言有效。相反，屆時會有一個時間窗口，而任何人都可以在這個時間內挑戰該斷言。如果挑戰成功，那么此斷言內的所有交易都將被撤回，并且提出斷言的人會失去其保證金。如果挑戰期到期且沒人挑戰成功，那么斷言就會被最終確認。

在了解了這個解決方案之后，我們再從幾個角度來思考Arbitrum是如何植根于以太坊的安全性的。

數據可用性

所有在L2上執行的交易首先會提交至在L1上運行的收件箱智能合約，然后作為calldata編寫進L1中。任何人都可以利用該數據來檢索回L2上的所有交易并將L2恢復到其原始狀態。這些數據可用性通過L1得到保證，用戶不必擔心L2因出現故障而導致其損失L2上的資產。

外匯局山西省分局深入推進跨境金融區塊鏈服務平臺試點工作:疫情期間，外匯局山西省分局深入推進國家外匯管理局推出的跨境金融區塊鏈服務平臺的試點工作，專題調研全省中小微外貿企業融資現狀；深入宣傳，促進更多中小微外貿企業了解區塊鏈平臺融資的便利性；加強推動，鼓勵銀行對中小微外貿企業建立專營服務機制；及時引導，推進銀行主動對接中小微外貿企業，開展出口應收賬款融資；“點對點”輔導，加快推進地方法人銀行上線區塊鏈平臺，挖掘中小微外貿企業融資需求。通過外匯局的有效措施，銀行對中小企業融資的積極性有了明顯提高，企業對區塊鏈融資的便利性也越來越了解，銀行擴大了對中小微企業的融資規模，企業獲得了便捷的融資，實現了“一項政策、多方共贏”。截至今年3月底，16家銀行加入了區塊鏈平臺，全省通過區塊鏈平臺累計放款7.65億美元。山西省涉外中小微外貿企業復工復產1458戶，復工率達91%。（金融時報）[2020/4/9]

AnyTrust

AnyTrust是Rollup協議的關鍵安全功能。這個功能允許任意誠實驗證者確保交易在L2上正確地執行。無論有多少攻擊者惡意阻止交易的進行，你或者你雇傭的任何人都能夠強制確保交易的正確執行，而無需信任任何第三方。

聲音 | 大連港：將繼續開拓區塊鏈技術 深入開展創新工作:金色財經報道，大連港(601880)被提問“除了區塊鏈電子放貨平臺之外，接下來還有什么區塊鏈項目落地”時表示，目前，大連港利用區塊鏈的去中心化、不可篡改、共享賬本等特征所建立的區塊鏈信任機制，使業務信息公開透明公正，借助區塊鏈的數據加密作用強化數據信息安全功能，確保數據的安全性、完整性和一致性，使船、輪駁公司、智慧港口平臺各方都能實時、安全、無縫地傳遞拖輪作業信息，實現全程留痕和全程可追溯，滿足輪駁業務的安全性和準確性要求。未來大連港還將繼續開拓區塊鏈技術業務實現場景，深入開展創新工作，在全港口領域推行區塊鏈技術應用落地。（上證e互動）[2019/10/30]

緊急退出機制

Arbitrum當前沒有一個特定的緊急退出機制，但是有一系列安全機制來確保用戶可以安全退出。

首先，數據可用性確保用戶存儲在L2上的資產和數據可以在任意時候從L1上恢復，并且永遠不會丟失。

其次，任意用戶都能向L1上的收件箱合約發送一個交易請求來強制退出。

最后，AnyTrust機制確保用戶可以強制L2正確地處理退出交易。

動態 | 湖南婁底書記市長會見中國工程院院士陳純，深入探討區塊鏈技術與應用:據婁底新聞網消息，湖南婁底市委書記、市人大常委會主任李薦國9月19日會見中國工程院院士、杭州趣鏈科技有限公司董事長陳純。雙方圍繞區塊鏈技術與應用等方面開展合作，進行了深入探討。李薦國表示，婁底市委、市政府對于區塊鏈發展是積極支持、穩步推進的，目前已取得了初步成效。我們希望雙方能夠尋求一種利益共享、風險共擔、合作共贏的發展模式，在堅持政府引導、企業主導的基礎上，加強對區塊鏈技術應用的監管，讓區塊鏈更好地為經濟社會發展服務，為提高政府效能、創新社會管理服務，盡快把技術優勢轉化為經濟優勢，讓老百姓得到實惠。[2019/9/20]

在以上三點中，用戶不需要信任任意第三方，這充分地展示了Arbitrum植根于以太坊的安全性中，并且是去信任的。

為什么挑戰期是七天

Arbitrum是一個多輪交互的Rollup解決方案。這個解決方案首先會樂觀地相信驗證者做出的斷言是有效的，而在挑戰期其他驗證者可能會對此提出質疑和挑戰。在大多數情況下，不會有挑戰提出，那么整個系統就可以更高效且成本更低。

顯然，挑戰期越長，整個系統就越安全，但同時用戶體驗也會更差(因為用戶需要等到挑戰期結束之后才能退出)。那么我們是如何確定最佳的挑戰時期呢？

北京市委書記蔡奇：深入研究區塊鏈技術及應用，打造產業集群:昨天上午，北京市召開網絡安全和信息化工作會議，北京市委書記蔡奇強調，堅持以信息化培育新動能推動新發展，使信息化成為首都發展的新動能、城市治理的新手段、公共服務的新方式，切實增強人民群眾的獲得感幸福感安全感。大力發展數字經濟，深入實施大數據和云計算發展行動計劃，深入研究區塊鏈技術及應用，打造產業集群。優化電子政務，推進全市統一的基礎公共云平臺建設，進一步打破信息壁壘、提升服務效率，讓百姓少跑腿、信息多跑路。[2018/5/26]

Arbitrum團隊提出這種模型來計算最佳的挑戰時期：

假設一個挑戰時期等于C區塊的長度，以及攻擊者在L2上可以獲得的最大值為V。

則攻擊者獲得的預期價值為Vexp(-AC)。

注解：exp為指數函數”e“，A為某常數A，AC前的”-“符號表示C與預期收益成反比。

斷言者需要保證其資產遠超過攻擊的資產價值以應對攻擊。我們假設超過10倍，則斷言者的成本為10Vexp(-AC)I。I指的是資本利率。

我們假設某退出用戶在挑戰期被鎖定的提款資產為CWV(W為小數，WV是L2上總資產的一部分，每個時間點都會有C個未結束挑戰的區塊)和用戶的資產成本為CWVI。

最佳的挑戰期限應該設為斷言者和提款用戶的資產總成本最低的情況下。即取C的值時，10Vexp(-AC)I+CWVI最小。V和I在兩項中都出現，它不會影響最小值點，可以忽略。我們只需對C求導，將所得導數設為0，并得到C=ln(10A/W)/A。

現在我們將一些合理的數字插入上述等式中，以獲得一個大概的最佳挑戰期限。

假設一個區塊時間內的連續審查成功率高達99.99%，即A=-ln(0.99)=0.01。

進一步假設每天提款為總值的1%，并且每個區塊的提款百分比約為W=0.000002，基于出塊時間為15秒的前提。

將這些代入公式中，我們得到的最佳挑戰期限為C=62146區塊，即10.79天。這與Arbitrum團隊最終選擇的7天挑戰期限非常接近。

如何防御審查攻擊

在這一部分，我們討論了Arbitrum如何防御四種主要的審查攻擊：分叉攻擊(forkingattacks)、回避攻擊(shunningattacks)、干擾攻擊(jammingattacks)和快速攻擊(speeddemonattacks)。

分叉攻擊(forkingattacks)：礦工合謀(或受賄)丟棄包含正常挑戰的區塊，以便接受不包含挑戰的替代鏈。

首先，由于挑戰者的存在，一旦發生分叉攻擊，難免會被某個挑戰者發現。而當大家發現區塊鏈中的挖礦算力壟斷者(這是分叉攻擊的先決條件)為了盈利而肆無忌憚地違反規則時，區塊鏈本身就被摧毀了。此時，Arbitrum是否采用挑戰期設計模型還存在爭議。

回避攻擊(shunningattacks)：礦工們合謀(或受賄)忽略掉他們生產出的區塊中的普通挑戰。

我們假設壟斷者控制了90%的挖礦算力，并且期限為50個區塊。那么壟斷者需要將50個連續的區塊打包起來才能完成攻擊。這個概率是0.9的50次方，也就是0.5%。而實際挑戰期限遠不止50個區塊，所以攻擊成功的概率極小。在Arbitrum的設計中，攻擊者在攻擊失敗時會支付巨額罰款，因此壟斷者發起回避攻擊是非常不劃算的。

干擾攻擊(jammingattacks)：攻擊者發起”老式的拒絕服務攻擊(DoS)“來阻止任何一方發布任何交易(不能發布包含挑戰的交易)。

因為只要有一個正直的挑戰者，攻擊就會失敗，所以攻擊者必須阻止所有有可能的挑戰者。如果有很多這樣的挑戰者，攻擊將很難完成。更糟糕的是，任意利益相關的一方都可能雇傭一個沉默的監察者以作為備用計劃。他們只在主要參與方太晚發布挑戰或者在發布挑戰時遇到了困難時才會介入。攻擊者并不知道網絡中是否有沉默的監察者，或者盡管知道他們存在，也不知道他們是誰，所有在這些監察者有實際行動之前，攻擊者都無法向他們發起DoS攻擊。

快速攻擊(speeddemonattacks)：攻擊者生成鏈上斷言的速度十分快，以至于其他方不能在時間截止之前檢查并且挑戰所有斷言。

Arbtirum采取的應對方法是：限制創建斷言的速率，以確保在任何時候檢查未決斷言和挑戰其中一個斷言所需的總工作量能夠在協議的期限之內完成。具體來說，對Rollup鏈中的智能合約運作進程施加速度限制，因此即使有人能夠快速生成大量斷言，它最終也必須慢下來。

總之，我們不需要太擔心分叉攻擊。如果出現惡意挖礦算力壟斷的情況，那么可以說這個區塊鏈已經基本上變得沒有吸引力了。Arbitrum可以通過適當的設計或者實踐來防御其他三種審查攻擊。

序列器模式(SequencerMode)的優勢和風險

Sequencer模式是Arbitrum的一個可選功能，OffchainLabs在主網的發布版本上運行唯一的Sequencer節點。

Sequencer被賦予有限的權力來控制收件箱中每筆交易的排序，以保證用戶的交易結果能夠立即被確定，無需在以太坊上等待五分鐘至區塊被確認，甚至不需要像在以太坊一樣等待15秒的出塊時間。

同時，一個表現良好的sequencer可以有效地防御搶跑攻擊。

因此，一個由OffchainLabs運營的中心化的、表現良好的Sequencer節點，對于項目的早期開發是非常有利的，并為其減少了很多麻煩。但是安全隱患也很明顯(雖然很難想象OffchainLabs會作惡，但也不排除這樣的可能性)。OffchainLabs承諾在技術成熟后立即切換到去中心化的、多個Sequencer節點的解決方案。

此外，收件箱也將一分為二，一個接受由Sequencer提交的交易，另一個則接受由常規聚合器或者用戶提交的交易，這也為不信任中心化的Sequencer的用戶提供了另一種選擇。

來源|Hackernoon

作者|?DeGate

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