ETH:一文读懂Arbitrum Rollup的工作原理_RPL

最近我发表了一篇博文比较ArbitrumRollup和相互竞争的其他rollup系统。不过，那篇文章里面没有详细介绍ArbitrumRollup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，ArbitrumRollup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ArbitrumRollup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，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。)

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-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。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。

新的改进版本

在我这篇文章中介绍的新的ArbitrumRollup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”。

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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。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）。

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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。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

ArbitrumRollup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。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。

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