科普 | 一文簡單理解Arbitrum_RUM

最近Uniswap和Sushiswap都在計劃使用Arbitrum的L2方案，這使得Arbitrum成為人們關注的以太坊L2方案。那么，如何簡單理解Arbitrum？

Arbitrum也是rollups系列的L2方案

以太坊Layer2方案有不少，其中最受關注的還是Rollups系列，之前藍狐筆記介紹過OptimisitcRollups和ZkRollups，可以參考文章《一文讀懂ZKRollup和OptimisticRollup:以太坊重要的擴展方向》。

Arbitrum也是Rollups系列的解決方案。這些方案基本上是將安全放在以太坊鏈上，而將計算和存儲放在鏈下執行。簡單來說，參與者將其交易數據提交到以太坊鏈上，用戶可以查看交易，不過交易的計算和存儲在鏈外進行。Arbitrum會定期向以太坊發送包含Arbitrum上發生的完整狀態哈希，這個哈希作為結果放在鏈上，實現不可篡改和最終性。

相對來說，Arbitrum跟OptimisticRollups在框架思路上近似，在結果驗證方面，都屬于欺詐證明范疇，而ZKRollups則屬于加密有效性證明范疇。

人大附中物理老師李永樂科普拜占庭將軍問題和區塊鏈:5月14日，人大附中物理老師、科普視頻網紅李永樂在其公眾號發布視頻《拜占庭將軍問題是什么？區塊鏈如何防范惡意節點？》。李永樂老師在視頻中對拜占庭將軍問題和區塊鏈進行了講解，他表示，拜占庭將軍問題本質上指的是，在分布式計算機網絡中，如果存在故障和惡意節點，是否能夠保持正常節點的網絡一致性問題。在近40年的時間里，人們提出了許多方案解決這一問題，稱為拜占庭容錯法。例如蘭波特自己提出了口頭協議、書面協議法，后來有人提出了實用拜占庭容錯PBFT算法，在2008年，中本聰發明比特幣后，人們又設想了通過區塊鏈的方法解決這一問題。區塊鏈通過算力證明來保持賬本的一致性，也就是必須計算數學題，才能得到記賬的權力，其他人對這個記賬結果進行驗證，如果是對的，就認可你的結果。與拜占庭問題比起來，就增加了叛徒的成本。[2020/5/14]

在前提假設上，欺詐證明類Rollups假定提交鏈上的結果是可用的，而任何人都可以對Layer1的交易數據進行提取和執行，通過比較狀態，來檢查合約執行正確與否。加密證明類Rollups采用的是數學方法，通過零知識證明實現有效性，它本質上無法作假。由此，加密有效性證明屬于主動證明，而欺詐證明則屬于被動證明，當人們不同意結果時會出現爭議，需要仲裁。

從整體上看，ZKRollups的安全性更高，且實現最終性更快，這意味著其提取時間更快，它更適合轉賬等場景。而OptimisticRollup和Arbitrum的方案都有挑戰期，需要挑戰期結束，才能最終確認，才能提幣，這是它的不足。不過，ZKRollups要生成加密有效性證明，其計算成本很高，很昂貴，且落地成熟還需要一定的時間。

動態 | 區塊鏈技術入選科普雜志《科學美國人》2019十大突破性技術榜單:據新浪網今日新聞報道，美國科普雜志《科學美國人》公布 2019 十大突破性技術榜單。區塊鏈技術因在保障食品安全中的作用而上榜。 入選榜單具體原因：區塊鏈技術的發展應用將顯著改善食品污染源數據追蹤的困境。利用區塊鏈云端系統，食品制造商可以依次在計算機儲存各類過程的信息。[2019/9/29]

從長期看，ZKRollpus有可能是最終的解決方案，但是ZKRollups成熟和落地需要更長時間，而以太坊的擴展需求更為緊急，從這次智能鏈的崛起也能看出來。ZKRollups的落地較慢，給予OptimisticRollups和Arbitrum機會。

因此，從中短期落地來看，欺詐證明類Rollups有更快的落地機會。欺詐證明本身是“樂觀派”，預設所有提交者都是好人，除非被證明有罪。只要有一位驗證者存在，就可以提交欺詐證明，就是安全的。因此，存在一位誠實的驗證者這個假設就變很重要。只需要一位驗證者即可提交在線欺詐證明，有長達一周的欺詐證明時間窗口，這也導致最終確認時間緩慢，提款時間過長。

總的來說，欺詐證明和加密有效性證明類的Rollups各有優缺點。ZKRollups是非交互式的，通過數學的方法來解決問題，而OptimisticRollups和ArbitrumRollups都是交互式的。從這個意義上，OptimisticRollups和ArbitrumRollups是類似的，不過它們在具體路徑上也存在差別。

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Arbitrum是多輪交互式的Rollups方案

從上述來看，Arbitrum和Optimistic同為欺詐證明范疇的Rollups方案，兩個方案的核心問題都是：如何驗證結果的正確性？會不會有人發送惡意的證明？因此，兩者都有挑戰機制。驗證人可以向鏈上發送斷言，提出爭議。如果斷言為假，則會失去其質押的保證金資產。

Arbitrum和Optimistic之間的主要不同在于解決分歧的方式。當有驗證者向L1提交rollup區塊，有人認為不正確，這個時候怎么辦？

Arbitrum采用的是多輪互動協議來解決爭議，將規模大的爭議細分成小的爭議，直到找到最關鍵的那一步，然后再通過以太坊合約來確定它是否正確。通過拆分爭議，Arbitrum試圖實現更高效的解決方案。

Arbitrum中的參與者可以質押保證金，斷言某個狀態最終會被確認。如果斷言錯誤，用戶的質押保證金會罰沒。兩個用戶質押在不同的方塊上，這意味著只能其中一個是真的。為了防止有人攻擊，爭議的斷言者需要質押保證金資產，防止其作惡。

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在剛開始的設計中，Arbitrum協議采用了一次處理一個爭議斷言的做法。由某個參與者提出爭議斷言，爭議斷言存在挑戰期，在這個期間任何人都可以挑戰該爭議斷言。如果沒有人挑戰，那么，該爭議斷言將被視為有效。

不過這種單線推進模式存在瓶頸。一次激活一個爭議斷言，效率低下，VM進程受限。同時，作惡者可以故意通過挑戰爭議斷言來延緩VM。即便需要付出質押資金，但也可以拖延。

因此，在新的設計中，Arbitrum可以同時處理多個爭議斷言，不是線性進行。作惡者減緩進程的實現難度更高。目前Arbitrum采用多個爭議斷言同時處理的方法，一個質押者一次一個斷言，不同的質押者則可以同時處理多個斷言。

隨著斷言被確認為有效，其VM的狀態也不斷向前推進。通常來說，人們會選擇誠實行為，因為這樣可以確保其質押保證金不會被罰沒。除非有惡意攻擊理由，人們沒有必要將其資產質押在錯誤的分支上。

為了實現無須信任的特性，在Arbitrum的設計中，任何一個誠實參與者可以推進VM正確性和進展。如果一個參與者總是在正確的分支上質押，TA會贏得所有的爭議斷言。如果其他人不同意，只會失去其質押保證金。只有誠實參與者一起，才能免遭懲罰。

動態 | 央行官微舊文重發“再科普”：范一飛詳解數字貨幣:據中國經濟網消息，今日，央行官微公眾號頭條重新發布央行副行長范一飛在2018年1月25日題為《關于央行數字貨幣的幾點考慮》的文章，對央行數字貨幣再次進行科普。同時，微信公眾號第二條發布支付司副司長穆長春8月10日在第三屆中國金融四十人伊春論壇上的演講。近年來，各主要國家和地區央行及貨幣當局均在對發行央行數字貨幣開展研究，新加坡央行和瑞典央行等已經開始進行相關試驗，人民銀行也在組織進行積極探索和研究。[2019/8/21]

如果上圖中的Alice斷言證明為正確，那么Bob質押的保證金資產會失去，而Alice則獲益。

在單輪互動的Rollups中，斷言包括每個調用結果，挑戰者指向斷言中具有錯誤結果的特定調用。鏈上合約模擬被挑戰的調用并檢查是否有錯。如果有錯，則整個斷言被取消，其斷言者失去質押的保證金。如果挑戰窗口期過后，沒有成功的挑戰，則斷言被接受，并具有最終性。

而在多輪互動的Rollups中，也有挑戰時間窗口期，斷言者和挑戰者之間存在多輪交互，鏈上合約作為裁判，由它來決定誰是錯誤。多輪交互設計的主要考慮在于，盡可能減少解決爭議的鏈上工作。通過在挑戰者和斷言者之間的多輪交互最大程度減少鏈上的工作量。

單輪交互和多輪交互本質上是對鏈上成本和解決爭議時間的平衡。單輪和多輪交互式Rollups都需要寫入所有對合約的調用及其數據上鏈，不同的地方在于它們需要將什么作為斷言一部分提交到鏈上。單輪交互模式要求模擬鏈上的完整調用，從成本上考慮的話，它會更加貴一些。而多輪交互可以通過細分，可以將爭議范圍縮小，且向鏈上寫入的數據相對更少些，使得其在鏈上執行成本更低。不過，它也并非沒有缺點，它的確定增加了輪次，增加了時間。

此外，Arbitrum多輪交互模式可能會面臨延遲攻擊。由于系統是無須信任的。惡意攻擊者可以延緩進程，當然，他們這么做也有代價，就是其質押保證金會被罰沒。還需要注意的是，惡意行為者無法阻止誠實的參與者持續構建誠實的分支，也無法阻止誠實參與者在誠實分支上獲得最終的確認。他們能做的事是通過在錯誤分支上進行質押保證金，并延緩鏈上對誠實分支的確認。他們可以制造多個爭議斷言，如果誠實參與者足夠多，它們可以同時應對這些爭議斷言，并捕獲攻擊者的質押保證金。也就是說，誠實參與者越多，攻擊者就需要越多的質押資產來進行延緩攻擊，攻擊的難度就越大。

此外，在多輪交互的Rollups中，可以實現有效的“斷言”會成為“無須信任的最終性”，任何人可以確信其最終確認是不可避免的。為了確保自己的最終確認，用戶可以參與到協議中來捍衛斷言，即便是單獨行動，也可以推動其最終確認的發生。

如果沒有挑戰，多輪和單輪交互的確認速度類似，如果有人挑戰，多輪爭議耗費的時間會更長一些。在這個方面，單輪交互有優勢。單輪交互不會允許確認延緩攻擊，而多輪交互的好處在于更小的鏈上數據，可以處理突破以太坊gaslimit的合約。

欺詐證明類的Rollups在最終確認方面存在一定的時間周期。因此，通過Arbitrum的轉賬沒有辦法像ZKRollps方案一樣達成快速的最終性。其可能的解決方案是，通過第三方的介入。第三方可以將其資金立即轉給用戶，但用戶也需要支付一筆提前提取費用。一般而言，第三方認為未確定的轉賬一定會實現，第三方會在誠實的結果上進行保證金質押。由于任何人都可以將資金轉給需要快速提取的用戶。那么，這樣也存在一個市場，會導致費用處于均衡，不會過高或過低。

Arbitrum的EVM兼容性

Arbitrum試圖跟以太坊完全兼容，兼容EVM，無須重寫程序。跟以太坊完全兼容，這個在智能鏈上我們看到了威力。這是它能夠順利嵌入以太坊當前生態的最重要的舉措。

dApp開發者使用Solidity語言編寫其智能合約，這些智能合約編譯成ArbitrumVM，可以在ArbitrumRollups上運行。

Arbitrum的進展

Arbitrum技術目前推出ArbitrumOne。Arbitrum合約在以太坊主網上部署，已經開始接納項目，目前處于主網測試階段。按照Arbitrum的說法，目前有超過250個團隊申請進入，它向所有開發者開放。接下來的幾周時間，可以看到越來越多的DeFi項目會進入Arbitrum生態。

目前一些以太坊生態的重要參與者，例如Etherscan等也在支持ArbitrumOne鏈。

以太坊與L2的落地

有意思的是，Arbitrum沒有原生代幣，采用ETH作為燃料，所有費用使用ETH支付，這對于ETH來說，也是好事，暫且不說未來它對ETH有多大需求。

就目前來說，以太坊的可擴展需要長短期結合的打法，來滿足其快速成長的需求，尤其是DeFi和NFT爆發性增長的需求。從長期看，L2可能是ZKRollups獲勝，但由于其高昂的成本和落地的滯后，可能需要較長時間來消化。而Arbitrum和OptimisticRollups可能更早落地，雖然其提取時間長，但并非無解。此外，在實踐中成長，也可能會誕生新靈感。

除了L2的逐步落地，隨著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尋常的一年。

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