BIT:科普 | 10分鐘讀懂 Arbitrum 的工作原理

來源：ETH中文站

愿文來源|TracerBlog

作者|?NickCrow?

Arbitrum架構的概要

由于Arbitrum(L2)作為以太坊(L1)的擴容解決方案存在，因而Arbitrum的架構自然部分存在于L1上，部分存在于L2上。存在于L1的Arbitrum組件是EthBridge，這是一組以太坊合約。EthBridge負責對ArbitrumRollup協議進行仲裁，以及維護鏈的收件箱和發件箱。位于L1上的收件箱和發件箱允許用戶、L1合約和全節點發送它們的交易到Arbitrum鏈上，并且觀察這些交易的結果。Arbitrum虛擬機(AVM)是L1和L2之間的網關，其功能由EthBridge提供。AVM能夠讀取輸入，并對這些輸入執行計算以產生輸出。ArbOS在AVM上運行，并負責確保Arbitrum鏈上智能合約的執行。ArbOS完全存在于L2上，并像在以太坊上一樣運行EVM合約。

Arbitrum架構視圖

Rollup協議

收件箱中消息的順序決定了交易的結果。?隨后，任何正在查看收件箱的人都可以知道交易的結果，只需自行執行即可。Rollup協議負責確認已經有效發生的交易的結果。參與協議的用戶稱為驗證者；驗證者質押ETH進存款合約之后，即成為質押者并且能夠對Rollup鏈上的區塊進行質押。?驗證者和質押者的權限都是無需許可的。在安全性方面，只要求有一個單獨的誠實驗證者來強制鏈的有效執行。?這使得rollup鏈與以太坊主鏈具有相同程度的去信任。Arbitrum假設至少存在一名誠實驗證者。Rollup協議作用于Rollup鏈，這是一條獨立于以太坊區塊鏈存在的rollup區塊鏈。驗證者的作用是提議新區塊，這些新區塊隨后被添加至鏈上。每一個被提議的區塊最終都會由協議確認或者拒絕。每個區塊由多個字段組成，除了區塊編號字段之外，每個字段中給出的數據都是由區塊提議者做出的斷言，這些斷言可能正確，也可能不正確。?如果任意斷言字段無效，協議最終將拒絕該區塊。一旦提出一個區塊，這個區塊就會收到確認的最后期限。如果有驗證者不同意該區塊，他們應該提出自己的有效區塊；當這些誠實驗證者對無效的區塊提出欺詐證明時，他們將獲得一些獎勵。

美國說唱歌手Megan Thee Stallion與Cash App合作發布比特幣科普視頻:美國說唱歌手Megan Thee Stallion與由Square開發的移動支付服務Cash App合作發布了一段名為“Bitcoin for Hotties”的視頻。該視頻從她的角度解釋了什么是比特幣，為什么比特幣有價值等內容。Megan Thee Stallion在Instagram上擁有超過2410萬粉絲，在 Twitter上擁有640萬粉絲。（Bitcoin News）[2021/8/8 1:41:10]

質押

如果質押者想要添加一個rollup區塊至鏈上，ta必須將其質押金放置在ta正添加的區塊上。Staking(質押)是無需許可的，任何人都能夠在任何提供質押的區塊上進行質押。一旦你對某個區塊進行質押，在該區塊被確認之前你無法提出自己的質押金。當你對某個區塊進行質押時，你將確認該區塊是有效的，并且鏈中最新確認的區塊和你已質押的區塊之間的每個區塊都是有效的。如果你所質押的區塊無效，或者鏈中最近確認的區塊和你所質押的區塊之間存在無效區塊，那么你的質押金將被沒收如果你沒有對某個區塊進行質押，那么可以對最新確認的區塊質押。如果你對某個rollup區塊進行質押，那么你可以將你的質押金擴展到你所質押的區塊的任意后續區塊中。質押所需的金額是動態的。?在Arbitrum鏈中，有指定為參數的基礎質押金額，大部分時間都會使用這個參數。?一些攻擊者哪怕質押金被罰沒也要對網絡進行攻擊以延遲網絡，那么網絡的安全措施就是，過了第一個未確定區塊的截止日期之后，質押數量將乘以一個因素(這個因素隨著時間呈指數增長)。?這是為了在攻擊期間增加此類攻擊的成本。?這種質押金額的增加是暫時的，僅在Arbitrum鏈的區塊確認進展緩慢時才會發生。

動態 | 報告：區塊鏈等熱點詞促使童書科普百科類成交額同比增速最高:近日，京東圖書與艾瑞咨詢聯合發布了《2019中國圖書市場報告》。報告指出，AI、5G、區塊鏈、機器人、VR、智能家居、AR這些熱點詞，不斷點燃科技熱潮，科技在改變大眾生活的同時，也吸引了越來越多家長的關注，從小培養孩子對科技的興趣和熱愛。因此童書中科普百科類成交額同比增速最高，占比將近40%。[2020/1/8]

挑戰協議

當兩個質押者分別對兩個不同的區塊進行質押時(其中一個區塊不是接在另一個區塊后面)，那么將會有一個大家不同意的區塊，因而挑戰就會產生。大多數挑戰發生在Arbitrum鏈上，并由L1合約進行裁決。挑戰包括發生在L2上的交互式、多輪分解游戲，以及在L1上執行的一站式證明。提議爭議區塊的質押者將為他們的主張辯護，反對持有不同意見的質押者。爭議區塊的提議者聲稱，以上一個區塊為起點，在虛擬機執行了N個指令之后，上一個區塊的狀態將被推進到他們所提議的區塊的狀態中。在這場分解游戲中，爭議區塊的提議者(Alice)首先將N指令分解成N/K大小的K個部分。?請注意，子部分的大小與步數的大小不相等，而是與Arbgas消耗的數量相等。?還要注意，每個部分自然會有一個起始點和端點(這看起來微不足道，但可以使下一個點更容易理解)。而Alice的對立方(Bob)也將把指令集分解成K個大小為N/K的部分，但是Bob其中一個K部分的端點與Alice相應部分的端點不同。?這實際上是Bob確定其不同意的部分。然后，Bob將執行與Alice初始步驟相同的操作，將其中一個部分分解成大小為N/K的K個子部分，并將該部分連同已確定的子部分返回發送給Alice。接著，Alice執行與Bob初始步驟相同的操作，并確定與其端點不一致的子部分。這個分解過程將繼續進行，直到Alice和Bob確定了一個他們不同意的指令。這個指令被發送至L1的合約中，這個合約負責執行該指令并決定爭議的獲勝者。爭議的輸方將被沒收質押金，其中一部分將被銷毀(以免攻擊者對沖他們的質押金)，其余的部分將作為獎勵提供給誠實質押者。在整個分解過程中，L1合約作為這場游戲的裁判并不知道任何關于指令的信息，它只是檢查每個玩家是否遵守了這場分解游戲的規則。在爭議發生期間，所有其他驗證者都可以在爭議最終確定之前自行確定爭議的結果；這意味著軟分叉已產生，驗證者可以繼續在有效鏈上提交rollup區塊。挑戰期有時間限制，每個質押者大約有一周的時間。每個質押者在這一周之內必須有所動作，否則將會輸掉爭議。?想象一下國際象棋時鐘。

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]

在挑戰協議期間由兩位質押者參與的多輪、交互式分解游戲。實際上，有爭議的斷言將會有更多的指令(如圖中的波浪線)，因此這場游戲將會有更多輪，但原理是相同的。

驗證者

驗證者是Arbitrum鏈上的一個節點，它選擇監測Rollup協議上的活動并推進鏈的狀態進行。并非所有節點都充當驗證者。OffchainLabs希望驗證者在“主動、防御或者瞭望塔”三種策略中選擇一樣；但是，這并不是協議強制執行的。?“主動驗證者”(activevalidator)通過提議新區塊不斷努力推進鏈的進行。每條鏈只需要一個誠實的主動驗證者；增加主動驗證者的數量并不會提高鏈的效率。?“防御驗證者”(defensivevalidator)監測Rollup協議，并且僅當他們目擊到作惡行為時才會采取行動。要么提議一個有效的區塊；要么在其他驗證者提議的有效區塊上進行質押。?“瞭望塔驗證者"(watchtowervalidator)像防御驗證者一樣監測著Rollup協議。但當他們目擊到作惡行為時，他們不會親自提議有效區塊或者對有效區塊質押，而是提醒其他驗證者這樣做。Offchainlabs將在他們的Arbitrum鏈上運行一個主動驗證者。大多數時間，防御驗證者和瞭望塔驗證者不需要做任何事情，因此攻擊者永遠不會知道鏈上有多少個防御驗證者。盡管任何人都可以成為驗證者，但是估計主要參與者還是在鏈上投資了大量資產的各方，或者被投資者聘為驗證者的各方。

聲音 | 中科院姚建銓：要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普 培訓:據新華網消息，日前，在區塊鏈與物聯網融合發展峰會上，中國科學院院士姚建銓說，關注區塊鏈技術里面的大數據，跟區塊鏈技術結合起來進行測量和檢測，能更好地提升激光清洗技術。姚建銓建議，無錫今后要加快推進區塊鏈與物聯網融合的科普、培訓，正確引導廣大人民群眾對技術的認知；同時，建立專業、權威，但又普適、成套的理論體系和標準，以此切入區塊鏈的實際應用。[2018/9/18]

全節點

Arbitrum上的全節點與以太坊上的全節點具有相同的作用；他們都跟蹤鏈的狀態并且允許其他人與鏈交互。由于有一個內置的AVM模擬器，全節點不需要對實際的Rollup協議有任何理解，就能夠對鏈上的輸入進行計算輸出。一個全節點可以作為鏈上的聚合器，進一步提高用戶的成本效率。Arbitrum具有向用戶收取費用的功能，以補償全節點在充當聚合器時所產生的開銷。全節點還可以壓縮交易，以進一步降低L1調用數據的成本。?全節點將壓縮后的交易提交到鏈的收件箱(inbox)，arbOS在那里接收并解壓交易。一個全節點通常會同時包含壓縮和聚合功能，也就是說，它會向鏈的收件箱提交一批已壓縮的交易。

序列器模式

Arbitrum鏈發布時，可以選擇和序列器一起發布。序列器是一個全節點，它擁有額外的特權，可以對鏈的收件箱中的交易進行排序。這樣的特權允許序列器立即保證交易的結果。當Arbitrum鏈與序列器一起發布時，鏈的收件箱被有效地分為兩個：?沒有序列器的收件箱將正常運行，節點可以發送信息至收件箱，這些信息會被標記上一個區塊高度和時間戳。?第二個收件箱將由序列器管理，并且只有序列器可以發送信息至收件箱。序列器發送信息到其收件箱之后，他們可以指定這些信息的區塊高度和時間戳。?這包括到指定增量區塊(即過去的區塊)以及增量秒數(即過去的秒數)為止的區塊高度和時間戳。?這些增量值通常相當于10分鐘左右。當arbOS檢查收件箱時，它將收到區塊高度最低的信息，這個區塊高度是常規收件箱或者是序列器收件箱的頭部。序列器可以回溯多少個區塊數取決于在以太坊上敲定Arbitrum區塊所需的確認區塊的數量。?如果在以太坊上完成敲定需要x個區塊，那么序列器就要回溯x個區塊，以便其確切地知道哪些交易將優先于當前的交易。當Arbitrum鏈上激活序列器模式時，提交至序列器收件箱的交易會比那些提交至普通收件箱的交易提前x個區塊被敲定。?因為對即時敲定、5分鐘敲定、10分鐘敲定進行比較后，三者都有很大的實際差異，所以這被認為是正向的權衡。然而，某種程度上，一名作惡的序列器能夠利用這些特權獲得好處。?一名作惡的序列器能夠通過不將用戶的交易放進序列器收件箱來審查用戶的交易，迫使用戶在發現其被審查之后，發送相同的交易至普通收件箱中。?序列器也有能力搶跑用戶的交易。最初的Arbitrum鏈上的序列器將有OffchainLabs運行。CornellTech團隊已經在研發去中心化序列器算法上取得一定的成果，這項研究還差一些工作需要完成，完成之后便可以應用到Arbitrum的長期解決方案中。

聲音 | 火星人朋友圈科普RAM:火星人在朋友圈發文稱，“什么是RAM？簡單來說就是EOS這個國家的土地，所有的經濟行為都離不開土地。只要EOS的BP們能投票形成一個穩定的供給預期，并且不改變目前的Bancor算法，那么RAM后續的價格有可能會像北上廣深的房價走勢。房價下跌不行，房價過快上漲也不行，EOS的生態越來越像某國了，真有意思。”[2018/7/6]

序列器模式開啟與關閉時，鏈中收件箱的異同。

ArbGas/費用

ArbGas的操作原理與以太坊gas類似，用于衡量Arbitrum鏈上的計算成本。然而，Arbitrum鏈沒有一個硬性的ArbGaslimit要求，并且ArbGas消耗得比以太坊gas要快得多。ArbGas的一個關鍵作用是為驗證計算結果所需的時間提供一個可預測的度量。每一個rollup區塊內都包含一個關于鏈上ArbGas消耗總量的聲明，這意味著當前區塊的聲明與前一個區塊的聲明之間的差異應該是當前區塊消耗了多少ArbGas的有效指標。通過這種方式，檢查區塊有效性時，驗證者可以將他們的gaslimit設置為這個值，如果這些ArbGas在區塊完成執行前就耗盡了，那么就可以確定這是一個無效區塊，并成功挑戰了該無效區塊。用戶在向鏈提交交易時，會被收取費用。如果用戶將他們的交易發送給一個聚合器，那么一部分費用將自動支付給這個聚合器。剩余的費用將被發送到網絡費用池，用于支付確保整條鏈安全運行的服務費。費用還包含L2交易、L1數據調用、計算以及存儲成本。費用以ETH的形式支付。

總結

Arbitrum是由OffchainLabs團隊開發的L2擴容解決方案：一個使用多輪交互挑戰協議的optimisticrollup。Arbitrum的旗艦鏈已于5月28日面向開發者發布，一旦項目達到一定數量，就會向用戶開放。從用戶的角度來看，與Arbitrum鏈交互和與以太坊交互幾乎無差別。

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