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详解以太坊二层扩容:Arbitrum Rollup
科普 2020年11月22日 18:52
在以太坊如此注重Rollup方案的现今,你需要了解什么是Arbitrum Rollup
原文标题:《一文读懂 Arbitrum Rollup 的工作原理》
原文来源:以太坊爱好者


最近我发表了一篇博文比较 Arbitrum Rollup 和相互竞争的其他 rollup 系统(中文译本)。不过,那篇文章里面没有详细介绍 Arbitrum Rollup 的工作原理,所以这一篇文章的任务就是填补这个空白。


一句话,Arbitrum Rollup 是一个由以太坊链上合约管理的链下协议。为使自己的应用能够在 Arbitrum Rollup 上运行,dApp 的开发者需要用 Solidity 编写一组合约,然后将这些合约编译成可以在 Arbitrum 虚拟机上运行的可执行代码。运行速度会更快,你我期待的就是这个。


Rollup 基础知识


先从基础知识说起。我们使用默克尔树(Merkle Tree)来组织虚拟机的状态,因而可以算出虚拟机状态的密码学哈希值。我们把这个哈希值存储在链上,因此在协议的任何一个时间点,都会有一些虚拟机的状态(通过链上共识)被完全确认和最终敲定。这些已经获得终局性的状态的哈希值,就存在链上。


协议的参与者,通过提出一个争议断言(Disputable Assertion,DA)来推进该虚拟机的状态;该断言声明,从某些状态哈希开始,基于一些技术前提,虚拟机将会执行特定数量的计算步骤,生成新的状态哈希,并在执行期间完成相关的支付,生成相关的日志事件。争议断言可能是有效的(即可信的),也可能是无效的。参与者在提出争议断言时需要为保证断言的有效性而赌上一笔押金。(更多关于押注及其工作原理的内容将在后面介绍。)



- 争议断言会使协议产生一个决策点 -


如上图所示,提出一个争议断言就会产生一个协议最终必须要解决的逻辑决策点。如果争议断言是有效的,则系统将进入图中右上角的新状态,包括由争议断言生成的新状态哈希值,以及其他附带效果(产生相应的支付和日志)。若争议断言是无效的,则进入右下角的分支,争议断言被系统拒绝,原来的状态不会发生变化。


旧的 Arbitrum 协议


最开始的 Arbitrum 协议每次只处理一个争议断言。当某些参与者提出一个争议断言后,会有一个挑战期,在此期间任何人都可以挑战这个争议断言。如果没有被挑战,则该争议断言将被系统接受;否则就会执行纠纷解决协议,撤销争议断言(这是为了防止提议者和挑战者合谋炮制争议结果)。


这样做很简单,但是有两个缺点。首先,因为每次只处理一个争议断言,所以虚拟机的处理速度很受限。在每个挑战期内,正常的处理流程基本上都将停滞。第二,恶意参与者通过故意挑战所有的争议断言可以彻底冻结虚拟机。攻击者需要付出一些押金作为代价,但是只要他们愿意,他们至少可以在某些特定场景下通过这种攻击长时间延误系统(而获利)。


新的改进版本


在我这篇文章中介绍的新的 Arbitrum Rollup 协议解决了上述的两个缺点。通过「流水线化」处理多个争议断言,验证节点模拟虚拟机的运算速度有多快,虚拟机的处理速度就有多快。第二,我们后面将会解释,恶意参与者无法延阻系统,他们只能暂时延误对最终结果的链上确认,但这些结果对诚实节点来说早已「无需信任地被敲定了」。


所以,到底怎么做到呢?那就要讲得再深一点了……


每个状态后面最多可以接一个争议断言。如果一个状态后面没有争议断言,那么任何人都可以生成一个争议断言接在后面,作为一个新的分叉点。结果就是产生了一棵平行未来之树。



- 平行未来之树 -


押注


协议的另外一个重要的部分是押注。任何人都可以在树上的某个方框(状态)后面下注。对某个方框押注,意味着你在断言该方框最终将被协议确认。换句话说,你在断言从当前状态到你押注的方框所在的这条分支是正确的分支。如果你错了,可以想见你的押金将被罚没。


押注行为不能被撤销。你可以将你的押注向右移动——可以在分叉点后向上或向下选择分支——但你不能向左移动押注,因为这相当于撤销你之前作出的押注承诺。


提出争议断言的参与者要在「认可其断言有效」的继任方框上押注。通常他们可以向右移动已存在的押注到满足条件的方框上。(在极少数情况下(译者注:比如他们的断言是无效的,被成功挑战)他们不能这样做,他们可以额外再押一注到需要的方框上。但是注意,他们将在相冲突的两条路径上押注,因此最终他们会损失至少一笔押金——通常自相矛盾不是明智的移动选择)。


关于押注还有一个细节:如果你押注的方框被确认成为被接受的历史的一部分,你可以选择收回押金。这意味着,如果你是正确的,你可以停止移动你的押注,直到系统「追上」你,然后你就可以收回你的押金。



- 一棵更标准的状态树——由一连串的有效断言组成 -


在这一点上,你可能会担心,平行未来之树会变得非常大,而且枝繁叶茂。这在现实中是不可能发生的,因为这需要多方押注不一致的结果。只要他们中有一个是诚实的,其他所有人都会损失他们的押金。更有可能的是,这棵树实际上是一个由有效 DA 串成的链,一个接一个,所有的押注都在同一条分支上。


押注期限


我们需要系统在尽可能短的时间内对每个争议断言做出决定。所以当一个争议断言被添加上链、产生一个分叉点的时候,会有一个期限与之关联。这个期限足够长,任何人如果愿意,都有足够的时间检查这个争议断言是否有效,以及产生一笔押注交易上链。任何要押注的人都必须在期限结束之前完成操作(过期的押注仍然可以上链,但它们不能决定那个争议断言的有效性)。一旦期满,所有可以决定争议断言的押注都将可知。

 

纠纷


如果 Alice 和 Bob 押注不同的方框,那么以下两件事件中,必有一件为真。要么其中一个押注可以向右移动到另一个——意味着他们的断言是一致的——要么找不到这样的路径。如果没有一条向右移动的路径可以连接 Alice 和 Bob 的方框,则他们必然有分歧。他们之间一定可以找到一个唯一的分叉点——一个唯一的争议断言,某个人押注这个断言是有效的,而另一个押注其无效。



- Alice 和 Bob 之间存在争议 -


当两个参与者之间出现纠纷时,系统可以启动一个交互式纠纷解决协议。我在这里没有足够的篇幅来描述这个纠纷解决协议——我只想说,这是一个类似我们在其他 Arbitrum 文档中描述过的二分法交互协议。


纠纷解决协议的结果是一个参与者将被发现是错误的。这个参与者的押金会被罚没。押注会从所在的方框上删除。部分押金会给到纠纷的另一方,剩下的被烧掉。


多个纠纷可以同时解决,但是每个押注者一次最多只能参与一个纠纷。因为输家的押注将被删除,每解决一个纠纷都会减少整个系统的分歧数量。损失押金的参与者可以继续押注,但是新的押注无法影响押注期限已过的争议断言。这样做的效果是,一个争议断言的押注窗口结束后,一切有关如何处理该断言的分歧都将被消除。


结果确认


某个争议断言的押注期限到期后,如果所有及时提交(且尚未被删除)的押注,都存在于从该断言产生的同一条分支上,那么系统就可以肯定该断言的结果为真。争议断言要么被接受要么被拒绝,当前状态会移动到争议断言右边正确的方框上。如果争议断言被确认有效,则其附带效果,如支付等,也会在链上生效。虚拟机的状态就是这样向前移动的。


一般情况下,参与者都会诚实守矩,谁也不想因为押注错误而损失押金。只有有效的争议断言会被(其他参与者)断言,构成一条链,没有人会在任何争议断言的无效分支上押注。在这种情况下,所有的争议断言都会在押注期限一过后立即被确认。


何以无需信任(Trustless)


Arbitrum Rollup 的一个重要性质就是无需信任——只要有一个诚实参与者就可以确保虚拟机状态正确向前推进。为什么呢,想象一下 Alice 总是在正确的分支上押注,如果没有争议断言,她就自己断言。


因为 Alice 总是在正确的分支上押注,所以她会赢下每一次纠纷。如果有任何人不同意 Alice,他们要么 (a) 与一个无关的第三方产生纠纷并损失押金,或者 (b) 最终和 Alice 产生纠纷并输给 Alice 押金。无论哪种情况,所有与 Alice 不一致的人都将失去押金。只有同意 Alice 的押注才能存活下去,所以 Alice 在树上的路径最终会成为唯一一个有及时押注的分支——并且 Alice 的路径会被确认。



- 只要 Alice 是诚实的,无论别人怎么做,绿色方框都会得到确认 -


因为按这种方式系统是无需信任的,如果 Alice 押注某个方框,她一定知道到这个方框的路径是可信的,Alice 可以确定这个方框最终一定会被确认。对于 Alice 来说,这条路径就跟被敲定了一样。


即使你没有押注某条路径,如果你看到有好几个人对它押注,只要你相信其中至少有一个诚实的人,你就可以肯定这条路径最终一定会被确认——对你来说,这条路径就跟被敲定了一样。


无需信任的终局性(Finality)的好处 


为什么说无需信任的终局性有价值?经典的例子来自于之前对其他 rollup 协议的讨论。假设一个虚拟机要向 Alice 进行支付。支付事件发生在诚实的路径上,但是包含这笔支付的方框还需要等待一些时间被链上确认。


无需信任的终局性让 Alice 可以立即拿到钱。如果 Bob 有余钱,可以立即付给 Alice,以交换 Alice 尚未被确定的收款(加上支付给 Bob 一点小费)。Bob 只有在他能确定 Alice 的这笔收款一定会发生,才会想和 Alice 交易。Bob 可以通过押注诚实的结果来确保这一点——这样他对这笔支付最终一定会发生抱有无需信任的信心。不仅仅是 Bob 可以这样做。任何有点钱的人,都可以用这样的方式借钱给 Alice 或者有她这样需求的人,这些人通过提供更低的费用相互竞争,使 Alice 立即拿到钱的成本大大降低。


关键是,这种市场机制的可行性取决于无需信任的终局性。如果「每个人」都知道这件事最终会被确认,那么链上确认的延迟就不会带来那么多的不便。


不仅对于支付,虚拟机能做的其他事情也是如此。如果虚拟机要生成一个日志事件记录发生了什么事情,无需信任的终局性意味着任何人都可以肯定地采取行动,因为这个日志事件最终一定会被链上承认。


延迟攻击


因为这个系统是无需信任的,坏人无法强行制造错误的结果。他们能做的只能是延缓系统。这样做需要他们付出押金,如果押金数额巨大,则代价高昂。


想象一下,如果有人宁愿付出押金也要发动延迟攻击,他们能造成的最坏的情况是怎样的?


首先要注意的是,坏人无法阻止好人继续构筑诚实的分支。而且他们也无法阻止好人获得对「诚实的分支终将被确认」的无需信任的信心。


攻击者能做的只是在错误的分支上押注,以延迟诚实路径的链上确认。他们每次的押注都会产生一起和诚实参与者的纠纷,而诚实的参与者会从纠纷中拿走攻击者的一大部分押金。等到攻击者的全部押金被拿走了,链上确认还会继续向前推进。


如果攻击者多笔押注错误的结果会怎样?那么这些押金会在一个接一个的纠纷中被拿走。如果有多人押注诚实的结果,这些人都可以进入纠纷解决,并行拿走攻击者的押金。而且需要注意,所有人都很清楚发生了什么,很多人都想加入进来分一杯羹,押注正确的结果从攻击者手上抢夺押金。如果诚实方有 K 个人押注,则在一次纠纷延迟期内,就要消耗攻击者 K 份押金。如果攻击者下更多的押注,那很可能会吸引更多的诚实押注者。这对攻击者来说是个灾难。


优化 


还可以做很多优化来降低操作协议所需的链上记账数据量,降低链上的 gas 消耗,让攻击者延迟攻击引发的喂养狂潮更容易上演。我不会再这里详述这些优化——这篇文章已经足够长了。


 原文来源


以太坊Rollup

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