Layer 2 扩容解决方案是当前以太坊社区热议的话题，也是整个区块链技术社区正在讨论的热门话题。基于 Optimistic Rollups 的 Arbitrum 是目前最具有吸引力的 Layer 2 扩容解决方案之一。它率先部署了主网 beta 版本，并获得了 Uniswap 和 Compound 等核心 DeFi 项目的支持。
对于打算从以太坊主网迁移至 Layer 2 的用户来说，他们最关心的一个问题就是 Layer 2 解决方案的安全机制如何。本文将深入探讨 Arbitrum 的安全机制，包括：Arbitrum 如何植根于以太坊的安全性中；为什么挑战期是七天；以及如何防御审查攻击。
植根于以太坊的安全性中
众所周知 Layer 2 解决方案与其他扩容解决方案相比，最大的一个优势就是其安全性依赖于以太坊主网的安全性。然而，大部分人可能都知道这个道理，但却不知道为什么。那么 Arbitrum 如何根植于以太坊的安全性中呢？
我们首先来回顾一下 Optimistic Rollup 解决方案的主要特点：
在一个 Rollup 解决方案中，交易 (作为 calldata) 编写在 L1 上，但是其实际计算和合约的存储在 L2 上完成，以实现扩容。
中央财经大学郭田勇：应深入研究如何用数字人民币组建更多功能:中央财经大学中国银行业研究中心主任郭田勇表示，在数字化的浪潮下，货币作为一种支付媒介，其本身的数字化是必然趋势。考虑到传统货币印制发行成本高、不易携带等局限，数字货币以其独特的优势，极大降低了交易成本。郭田勇指出，数字货币如果由政府或者中央银行来主导，必须协同好同原有银行体系为主导的支付关系。目前，中国的数字货币属于M0范畴，从金融学角度看，M0并不具有货币创造的能力，在整个货币储存量中占比也很小，因此，数字人民币的范围还非常有限，未来如何用数字人民币组建更多的功能，将其推向更大的领域，值得深入研究。这是一个循序渐进的过程，要把握好节奏。郭田勇称，数字人民币前期推进比较成功，有利于提升人民币国际化程度。随着中国经济实力增强，人民币国际业务更为广泛。面对庞大的国际结算量，数字货币高支付效率的优点更易凸显。（中国新闻网）[2021/7/7 0:32:14]
验证者在 L1 上发布一个断言 (assertion)，可以理解为将所有交易和结果打包成一个 Rollup 区块，然后发送到 L1 的交易中。
Optimistic Rollup 之所以称为”乐观的“ rollup 解决方案，因为当一个断言发布时，其不包含保证其有效性的随附证明，即默认该断言有效。相反，届时会有一个时间窗口，而任何人都可以在这个时间内挑战该断言。如果挑战成功，那么此断言内的所有交易都将被撤回，并且提出断言的人会失去其保证金。如果挑战期到期且没人挑战成功，那么断言就会被最终确认。
动态 | 2019年7月国内一级市场区块链融资10强发布 区块链行业的发展不断向产业端深入:据中国金融信息网报道，8月8日，中国金融信息网与烯牛数据联合发布2019年7月份国内一级市场区块链项目融资10强榜单。从榜单来看，在整体融资大幅下滑的趋势下，2019年7月份国内区块链项目融资数量出现回升。监测数据显示，数字货币和交易平台类融资项目明显增多，天秤币白皮书的发布在一定程度上提振了市场预期，但是此类项目将面临与天秤币的直接竞争，其商业逻辑未来或将受到天秤币严酷打压。与实体经济结合的项目依然占据着榜单的主流，分别涉及金融、大数据、交通运输、电商、传媒、产权、房地产和游戏领域。从连续发布的榜单来看，区块链行业的发展不断向产业端深入，应用端的开发落地越来越具体，与实体经济结合发展的想象空间逐渐立体化。从技术角度来看，加密、数据库、共识、P2P和智能合约的发展日益成熟，区块链作为集成性创新技术的发挥边界正在逐步拓展。[2019/8/8]
在了解了这个解决方案之后，我们再从几个角度来思考 Arbitrum 是如何植根于以太坊的安全性的。
数据可用性
所有在 L2 上执行的交易首先会提交至在 L1 上运行的收件箱智能合约，然后作为 calldata 编写进 L1 中。任何人都可以利用该数据来检索回 L2 上的所有交易并将 L2 恢复到其原始状态。这些数据可用性通过 L1 得到保证，用户不必担心 L2 因出现故障而导致其损失 L2 上的资产。
天津市委网信办会议：深入开展区块链等领域的地方立法研究:天津日报6月8日报道，日前，天津市委网信办召开全体干部会议。会议要求，要加快制定天津市大数据发展规划和促进数字经济发展的指导意见和大数据发展规划，深入开展大数据、区块链等新技术领域的地方立法研究，不断增强工作的前瞻性。[2018/6/8]
AnyTrust
AnyTrust 是 Rollup 协议的关键安全功能。这个功能允许任意诚实验证者确保交易在 L2 上正确地执行。无论有多少攻击者恶意阻止交易的进行，你或者你雇佣的任何人都能够强制确保交易的正确执行，而无需信任任何第三方。
紧急退出机制
Arbitrum 当前没有一个特定的紧急退出机制，但是有一系列安全机制来确保用户可以安全退出。
首先，数据可用性确保用户存储在 L2 上的资产和数据可以在任意时候从 L1 上恢复，并且永远不会丢失。
其次，任意用户都能向 L1 上的收件箱合约发送一个交易请求来强制退出。
最后，AnyTrust 机制确保用户可以强制 L2 正确地处理退出交易。
在以上三点中，用户不需要信任任意第三方，这充分地展示了 Arbitrum 植根于以太坊的安全性中，并且是去信任的。
五粮液牵手IBM 将在区块链等方面展开深入合作:近日，在宜宾举行的五粮液（000858.SZ)数字化转型项目启动大会上，五粮液和IBM双方表示，将在区块链、云计算、人工智能等领先科技方面进行深入的合作应用，借用IBM丰富的行业数字化转型经验和技术，按照“年轻化”“低度化”“数字化”“国际化”的创新思维，带动酒业乃至及“大机械、大物流、大包装、大金融、大健康”五大板块快速有序发展，助力五粮液构建“智慧商业”模式，实现高质量发展。[2018/4/29]
为什么挑战期是七天
Arbitrum 是一个多轮交互的 Rollup 解决方案。这个解决方案首先会乐观地相信验证者做出的断言是有效的，而在挑战期其他验证者可能会对此提出质疑和挑战。在大多数情况下，不会有挑战提出，那么整个系统就可以更高效且成本更低。
显然，挑战期越长，整个系统就越安全，但同时用户体验也会更差 (因为用户需要等到挑战期结束之后才能退出)。那么我们是如何确定最佳的挑战时期呢？
Arbitrum 团队提出这种模型来计算最佳的挑战时期：
假设一个挑战时期等于 C 区块的长度，以及攻击者在 L2 上可以获得的最大值为 V。
则攻击者获得的预期价值为 V exp(-AC)。
安永与Coinbase达成长期深入合作，前者为后者IPO提供全方位辅导:据悉，全球四大会计师事务所之一的安永于近期与全球知名的数字货币交易所和钱包服务提供商Coinbase达成长期深入合作，安永将组建包括审计部门、咨询部门、并购部门和税务部门的跨条线的Fintech专家团队为Coinbase提供第三方鉴证审计，同时为Coinbase的IPO提供全方位的辅导。[2018/3/27]
注解：exp 为指数函数”e“，A 为某常数 A，AC 前的 ”-“ 符号表示 C 与预期收益成反比。
断言者需要保证其资产远超过攻击的资产价值以应对攻击。我们假设超过 10 倍，则断言者的成本为 10V exp(-AC)I。I 指的是资本利率。
我们假设某退出用户在挑战期被锁定的提款资产为 CWV (W 为小数，WV 是 L2 上总资产的一部分，每个时间点都会有 C 个未结束挑战的区块) 和用户的资产成本为 CWVI。
最佳的挑战期限应该设为断言者和提款用户的资产总成本最低的情况下。即取 C 的值时，10V exp(-AC)I+CWVI 最小。V 和 I 在两项中都出现，它不会影响最小值点，可以忽略。我们只需对 C 求导，将所得导数设为 0，并得到 C = ln(10A / W) / A。
现在我们将一些合理的数字插入上述等式中，以获得一个大概的最佳挑战期限。
假设一个区块时间内的连续审查成功率高达 99.99%，即 A = -ln(0.99) = 0.01。
进一步假设每天提款为总值的 1%，并且每个区块的提款百分比约为 W=0.000002，基于出块时间为 15 秒的前提。
将这些代入公式中，我们得到的最佳挑战期限为 C = 62146 区块，即 10.79 天。这与 Arbitrum 团队最终选择的 7 天挑战期限非常接近。
如何防御审查攻击
在这一部分，我们讨论了 Arbitrum 如何防御四种主要的审查攻击：分叉攻击 (forking attacks)、回避攻击 (shunning attacks)、干扰攻击 (jamming attacks) 和快速攻击 (speed demon attacks)。
分叉攻击 (forking attacks)：矿工合谋 (或受贿) 丢弃包含正常挑战的区块，以便接受不包含挑战的替代链。
首先，由于挑战者的存在，一旦发生分叉攻击，难免会被某个挑战者发现。而当大家发现区块链中的挖矿算力垄断者 (这是分叉攻击的先决条件) 为了盈利而肆无忌惮地违反规则时，区块链本身就被摧毁了。此时，Arbitrum 是否采用挑战期设计模型还存在争议。
回避攻击 (shunning attacks)： 矿工们合谋 (或受贿) 忽略掉他们生产出的区块中的普通挑战。
我们假设垄断者控制了 90% 的挖矿算力，并且期限为 50 个区块。那么垄断者需要将 50 个连续的区块打包起来才能完成攻击。这个概率是 0.9 的 50 次方，也就是 0.5%。而实际挑战期限远不止 50 个区块，所以攻击成功的概率极小。在 Arbitrum 的设计中，攻击者在攻击失败时会支付巨额罚款，因此垄断者发起回避攻击是非常不划算的。
干扰攻击 (jamming attacks) ：攻击者发起”老式的拒绝服务攻击 (DoS)“ 来阻止任何一方发布任何交易 (不能发布包含挑战的交易)。
因为只要有一个正直的挑战者，攻击就会失败，所以攻击者必须阻止所有有可能的挑战者。如果有很多这样的挑战者，攻击将很难完成。更糟糕的是，任意利益相关的一方都可能雇佣一个沉默的监察者以作为备用计划。他们只在主要参与方太晚发布挑战或者在发布挑战时遇到了困难时才会介入。攻击者并不知道网络中是否有沉默的监察者，或者尽管知道他们存在，也不知道他们是谁，所有在这些监察者有实际行动之前，攻击者都无法向他们发起 DoS 攻击。
快速攻击 (speed demon attacks)：攻击者生成链上断言的速度十分快，以至于其他方不能在时间截止之前检查并且挑战所有断言。
Arbtirum 采取的应对方法是：限制创建断言的速率，以确保在任何时候检查未决断言和挑战其中一个断言所需的总工作量能够在协议的期限之内完成。具体来说，对 Rollup 链中的智能合约运作进程施加速度限制，因此即使有人能够快速生成大量断言，它最终也必须慢下来。
总之，我们不需要太担心分叉攻击。如果出现恶意挖矿算力垄断的情况，那么可以说这个区块链已经基本上变得没有吸引力了。Arbitrum 可以通过适当的设计或者实践来防御其他三种审查攻击。
序列器模式 (Sequencer Mode) 的优势和风险
Sequencer 模式是 Arbitrum 的一个可选功能，Offchain Labs 在主网的发布版本上运行唯一的 Sequencer 节点。
Sequencer 被赋予有限的权力来控制收件箱中每笔交易的排序，以保证用户的交易结果能够立即被确定，无需在以太坊上等待五分钟至区块被确认，甚至不需要像在以太坊一样等待 15 秒的出块时间。
同时，一个表现良好的 sequencer 可以有效地防御抢跑攻击。
因此，一个由 Offchain Labs 运营的中心化的、表现良好的 Sequencer 节点，对于项目的早期开发是非常有利的，并为其减少了很多麻烦。但是安全隐患也很明显 (虽然很难想象 Offchain Labs 会作恶，但也不排除这样的可能性)。Offchain Labs 承诺在技术成熟后立即切换到去中心化的、多个 Sequencer 节点的解决方案。
此外，收件箱也将一分为二，一个接受由 Sequencer 提交的交易，另一个则接受由常规聚合器或者用户提交的交易，这也为不信任中心化的 Sequencer 的用户提供了另一种选择。
来源 | Hackernoon
作者 | DeGate
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