ARB:深入分析 Arbitrum 的安全机制

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。

通州区政府工作报告：试点和深入实施元宇宙创新发展三年行动计划:金色财经报道，2023年北京市通州区政府工作报告提出，继续保持千亿以上投资规模，不断优化投资结构，推动投资向高精尖产业、民生等领域倾斜，有效带动社会投资。具体到产业方面，北京通州区将重点打造“四区三镇三园”十大重点产业功能区。2023年将进一步丰富金融业态，建设“基金财富港”，加快打造全球财富管理中心、全球绿色金融和可持续金融中心。另外，推动金融业数字化创新与试点和深入实施元宇宙创新发展三年行动计划。[2023/6/25 21:58:10]

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。

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。

对冲基金Third Point CEO：一直在深入研究加密货币:美国纽约对冲基金Third Point 首席执行官Daniel Loeb表示其一直在深入研究加密货币。（U.Today）[2021/3/1 18:05:03]

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。

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。

声音 | 王天宇：打造银企协同平台 深入拓展人工智能、区块链等的应用:据证券日报消息，10月19日，2019第四届中国物流与供应链金融峰会暨第三届中国商贸物流银行联盟峰会在郑州举行。中国商贸物流银行联盟主席王天宇表示：“我们联盟有银行、有电商平台，有行业的龙头，汇聚了金融商贸的领军企业，今后共同打造银企的协同平台，免费为联盟平台提供金融服务科技，深入拓展人工智能、区块链、大数据、物联网等的应用，加速金融科技赋能，创新商业模式和业态，发挥联盟成员互补优势，加快信息流、商流、物流、资金流的四流合一，融合发展互利共赢。”[2019/10/20]

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。

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。

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]

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。

德国证券交易所正深入研究是否推出比特币期货等相关产品:据ccn援引彭博社消息，德意志交易所（Deutsche Boerse）正在深入研究是否提供比特币期货和其他加密货币的相关产品。在一次行业盛会上，该公司的客户，产品和核心市场负责人Jeffrey Tessler称：“德意志交易所在推进比特币之前，希望确保理解比特币之下的交易，这不是最容易的一件事。我们正在深入地了解之中，希望了解波动性，想要确保客户协调，及监管机构的协调。”Tessler表示，尽管CEM和CBOE在一个交易日期间比特币期货交易量多达6.7亿美元，但目前没有任何一家主要的欧洲交易所列出比特币或其他加密货币的衍生产品。据悉，德意志交易所已经参与了区块链实验，他们今年3月份与流动性管理公司HQLAx合作，利用R3的Corda平台开发基于区块链的证券借贷平台。[2018/5/24]

则攻击者获得的预期价值为 V exp(-AC)。

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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