ZKSwap团队Layer2剖析:Arbitrum如何改进Optimistic?

引言

最近一段时间，基于以太坊的 Layer2 产品可谓是层出不穷，市场表现极为火热。不知大家注意没有，每个产品推出时都会介绍 「其产品是基于某种主流 Layer2 方案，具有何种优势，可以给产品、某方面给用户带来更好体验」 等类似的宣传语句。有心的读者或许会深思，这些方案到底是什么方案呢？背后的原理究竟如何？是否存在劣势？今天，ZKSwap?团队就带领大家纵览 Layer2 全局，以技术为基础细分整个产品市场并深度剖析背后的技术原理。

Layer2 概览

相信之前有诸多文章已经介绍，根据数据的存储方式和交易有效性的证明方式的不同，Layer2 方案可以被划分为四大类，如下图所示：

Layer2 方案划分

数据存在链上，即具有链上数据可用性的方案有：ZK-Rollup、Optimistic Rollup;数据存在链下，即不具有链上数据可用性的方案有：Validium、Plasma；用零知识证明来主动保证交易有效的方案有：ZK-Rollup、Validium；用户需提交欺诈证明来主动验证交易有效的方案有：Optimistic、Plasma；

随着 Layer2 技术的不断发展，Plasma 和 Validium 方案在市场上逐渐的失去了声音。绝大部分产品都是基于其他两种方案上实现的，因为两种方案的优缺点比较明显，因此项目方会根据不同的考量来选择不同的方案，下面我们将通过一张表格来呈现整个 Layer2 上的情况：Layer2 产品划分

从表格中可以看出有有两个被标记的方案：

由?Offchain Labs?研发的 ARU 扩展方案，和 ORU 方案一样被归类于 Optimistic Rollup 的范畴，但与 ORU 主要的不同之处在于欺诈证明的交互过程，这将在后续的技术剖析环节给与分析；

本篇主要剖析 ORU 和 ARU 的挑战原理，以更好的呈现它们之间的主要差异。

Optimistic Rollup(ORU) -- Fraud Proof 欺诈证明

首先简单介绍 ORU 协议里的两个概念：

CTC(Canonical Transaction Chain)：存储所有的交易信息，保证了数据可用性（更细节的描述可以参考链接 Optimistic Details）。

STC(State Commitment Chain)：存储了一系列的状态根，和 CTC 里的交易顺序逐一对应（更细节的描述可以参考链接 Optimistic Details）。

两者的关系如下图所示：

S0 为初始状态根，图中绿线表示：交易 Tx1 执行后，状态根由 S0 => S1。这些操作都是由 sequencer 来执行，sequencer 在 ORU 协议里扮演者重要角色，主要负责三件事情：

1. 接受来自用户的交易；2. 将这些交易 rollup，并添加到 CTC 上；3. 计算每笔交易提交后的状态根并添加到 STC 上；

假如 sequencer 作恶，提交了错误的状态根（后续的状态根自然也是无效的），如下图所示，Verifier 如何验证 sequencer 作恶呢？

Verifier 的挑战过程主要分为三个步骤：

1. 宣称要挑战的交易，并且提供在此交易执行前的状态根；2. 上传 L2 上所有和该交易相关的状态到 L1 （因为挑战的思想是在 L1 上重新执行 L2 上已经执行过的交易，并比较执行后的状态）；3. 在 L1 重新执行挑战的交易，计算新的状态根，并判断 sequencer 是否作恶；如果 sequencer 确实作恶，那么将罚没其押金，并将其部分奖励给 verifier。

Optimistic 具有的缺陷是：

1. 由于不是主动保证交易的有效性，因此 sequencer 提交的每一次状态更新都要设置挑战期，大概在一周左右，时间太长；2. 用户挑战的成本很高，具体包括：（1） 发送所有和挑战交易相关的数据到 L1；（2）在 L1 的 EVM 上执行该笔交易，并更新状态根；

优点： 兼容 EVM。

Arbitrum Rollup(ARU) -- Fraud Proof

ARU 协议的设计和 ORU 大体相似，主要的区分在挑战机制上。在 ORU 协议里，sequencer 和 verifier 之间只有一次交互，即 sequencer 提交一次状态转换，verifier 去完成后续的挑战。由于 sequencer 宣称就是“初始状态为 Si，执行完交易 Txi 后，状态根变为 Si+1”。因此，在 L1 上不得不完整的执行整个交易。

ARU 的协议对以上过程进行了优化，实际上，在 L1 上执行交易的过程，其实就是在虚拟机上执行某些指令的过程；ARU 协议认为，整个交易执行的过程中，状态更新的失败，必定是其中的某些指令执行的失败，因此，只需要证明 sequencer 在执行某条指令时出现异常，那就可以证明 sequencer 作恶。具体的过程如下图所示：

注：在 ARU 协议里，Asserter 对应 ORU 协议里的 sequencer，Challenger 对应 ORU 协议里的 verifier。

据上所知：

1. Asserter 和 Challenger 间进行了多次的交互，交互次数和 n 成对数关系；2. 把验证整个交易的执行过程，简化成了单纯的验证一条指令，大大的节省了验证成本；3. 同样兼容 EVM；

当然，ARU 协议仍然有很多细节还未在本篇文章里说明，本篇不打算过多介绍，内容已经很长，如果读者想了解 ARU 更多细节，请参考 offchainlabs 的官网。

写在最后

虽然以 Optimistic Rollup(ORU) 路线为主的 Layer2 扩容方案逐渐的被市场上更多的产品所接受，但是未来的 Layer2 扩容终极方案仍然是兼容 EVM 的 zkRollup(ZRU)。目前的 Layer2 的产品市场上，对于 EVM 的兼容性比安全性和效率更受关注，当然完美的方案是兼容 EVM 的 zk rollup；在此之前，Layer2 扩容方案应该会在一段时间内在兼容性和安全性之间权衡选择。这有利于 Layer2 扩容技术的发展，Offchain Labs 做了很好的榜样；当然，ZKSwap 团队也会持续研究探索，按照 ZKSwap 的路线图，将在今年发布兼容 EVM 的 ZK Rollup 版本，取得更好的可组合性和安全性，而不用像 optimistic 的解决方案，通过牺牲一定的安全性来实现与 EVM 的兼容。

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编译者/作者：ZKSwap

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