EDR:詳析Optimism Bedrock和Arbitrum Nitro的設計差異_Nitro Network

原文作者：OPLabs研發人員Norswap

原文編譯：DeFi之道

這是一篇有關?OptimismBedrock?以及?ArbitrumNitro之間設計差異的分析文章。

這一切都源于我對?Nitro白皮書的閱讀，以及我對Bedrock設計的感性認識。

這變得非常技術性，如果你想關注并感到困惑，我建議你參考一下Bedrock概述以及我關于?Cannon故障證明系統的演示文稿，當然還有Nitro白皮書。

準備好了之后，讓我們開始吧！

首先，Nitro白皮書很棒，讀起來令人愉快，我建議所有感興趣的人都去看看。

說到這里，我的印象是Bedrock和Nitro大致使用了相同的架構，但有一些較小的差異。

白皮書大體上證實了這一點。盡管如此，還是有很多的不同之處，包括一些我沒想到的。這就是這篇文章要講的東西。

固定與可變區塊時間

最有趣和最重要的事情之一是，Nitro將像當前版本的Optimism一樣工作，每筆交易一個區塊，并且區塊之間的時間可變。

我們放棄了這一點，因為它背離了以太坊的工作方式，也是開發人員的痛點。而Bedrock將有“真正”的區塊，并且固定時間為2秒。

不規則的區塊時間使很多常見的合約變得不穩定，因為它們是使用區塊而不是時間戳來表示時間。這尤其包括源自Sushiswap的分配LP獎勵的Masterchef合約。

我不確定為什么這些合約用區塊而不是時間戳來表示時間！以太坊礦工在操縱時間戳方面有一些回旋余地，但默認情況下，客戶端不會構建距離wallclock太遠的區塊，所以沒有問題。

無論如何，在Optimism上，這導致StargateFinance獎勵比其他鏈提前幾個月用完，因為他們沒有考慮到這種特殊性！

Multichain宣布將支持ARB在Arbitrum One、Arbitrum Nova和Ethereum之間任意跨鏈:3月23日消息，跨鏈路由協議 Multichain 宣布將在 ARB 上線第一時間搭建其在 Arbitrum One, Arbitrum Nova 和 Ethereum 之間的跨鏈橋，并且為了優化用戶體驗，增大流動性池，推出了第一周流動性挖礦計劃，每日釋放 1000 ARB。用戶添加 ARB 流動性并完成質押，就可以獲得流動性激勵，活動預計 3 月 24 日上線。[2023/3/23 13:22:08]

“每筆交易一個區塊”模型還有其他的問題。首先，存儲鏈的開銷很大。其次，這意味著狀態根需要在每次交易后更新。

更新狀態根是一項非常昂貴的操作，其成本要在多筆tx中進行分攤。

(B)Geth作為庫或作為執行引擎

Nitro使用Geth“作為一個庫”，通過鉤子對其進行了最低限度的修改，以調用適當的功能。

在Bedrock中，一個經過最少修改的Geth作為“執行引擎”獨立運行，它從rollup節點接收指令，就像執行層從Eth2中的共識層接收指令一樣。我們甚至使用完全相同的API！

這有一些重要的影響。首先，我們能夠使用除Geth之外的其他客戶端，在它們之上應用類似的最小差異。這不僅僅是理論，我們已經準備好了?Erigon。

其次，這讓我們可以重用整個Geth堆棧，包括在網絡層，這可以實現對等發現和狀態同步等功能，而無需進行任何額外的開發工作。

(B)狀態存儲

Nitro將一些狀態保存在一個特殊帳戶中，使用特殊的內存布局將密鑰映射到存儲槽。

從這個意義上說，Bedrock并沒有太多的狀態，它只有很少的狀態存儲在普通EVM合約中。

本周比特幣礦工收入升至2260萬美元/天，創2022年6月以來最高水平:金色財經報道，據區塊鏈分析公司Glassnode最新數據顯示，本周比特幣7日均價收盤上漲35.8%，從2015年開始只有16天出現過這種現象，隨著價格反彈比特幣周交易量的月平均數已經達到30.95萬筆/天，這是自2021年4月以來的最高水平，歷史上只有不到12.2%的交易日的交易活動比本周更多。此外，比特幣鏈上新增實體的數量達到12.2萬個/天， 歷史上，只有10.2%的交易日體現了更高的新用戶采用率。比特幣礦工成為市場復蘇的受益者，挖礦收入飆升到2260萬美元/天，已升至2022年6月以來的最高水平。[2023/3/23 13:21:37]

在確定/執行下一個L2塊時，一個Bedrock副本會查看：

L2鏈頭部的區塊頭；

從L1讀取的數據；

L2鏈上EVM合約中的一些數據，目前只有L1費用參數；

在Bedrock中，節點可能會崩潰并立即優雅地重啟。它們不需要維護額外的數據庫，因為所有必要的信息都可以在L1和L2區塊中找到。我認為Nitro的工作原理是一樣的。

但很明顯，Nitro比Bedrock做了更多的記賬工作。

(C)L1到L2的消息包含延遲

Nitro會延遲10分鐘處理L1到L2的消息。在Bedrock上，通常應具有幾個區塊的小確認深度。

我們也有一個稱為“排序器漂移”的參數，它允許L2區塊的時間戳在其L1原點之前漂移。

我們仍然需要確定最終的數值，但我們也傾向于10分鐘，這意味著最壞的情況是10分鐘。然而，此參數旨在確保在與L1的連接暫時丟失期間L2鏈的活性。

然而，通常在確認深度后會立即包含存款。

Nitro的白皮書中提到，這10分鐘的延遲是為了避免L1上的存款因重組而消失。這讓我對白皮書沒有談到的一個方面感到好奇，那就是：L2鏈如何處理L1的重組。我認為答案是它沒有處理。

Binance為美國客戶推出支付服務:金色財經報道，自2021年2月首次推出以來，該功能已向美國以外的Binance客戶提供。當時，Binance創始人兼首席執行官CZ表示，支付是 \"加密貨幣最明顯的用例之一\"。Binance Pay允許用戶發送、請求和接收其他用戶的近150種不同的加密貨幣，實現即時、零成本的加密貨幣轉移。（Coindesk）[2022/12/14 21:43:14]

這并非不合理：合并后，L1的最終性延遲大約是12分鐘。因此，如果存款延遲10/12分鐘是可接受的，那么這個設計就是可行的。

因為Bedrock更接近L1，我們需要在需要時通過重組L2來處理L1重組。確認深度應避免這種情況過于頻繁地發生。

另一個小的區別是，如果Nitro排序器在10分鐘后不包含存款，你可以通過L1合約調用“強制包含”它。

在Bedrock上，這不是必需的：擁有一個L2區塊而不包括其L1起源的存款是無效的。

并且由于L2只能比原點提前10分鐘，因此10分鐘后不納入存款的一條鏈是無效的，它將被驗證器拒絕，并受到故障證明機制的挑戰。

(D)L1-to-L2消息重試機制

Nitro為L1到L2的消息實施了“可重試票證”機制。假設你正在跨鏈，tx的L1部分可以工作，但L2部分可能會失敗。因此，你需要能夠重試L2部分，否則你已經丟失了代幣。

Nitro在節點的ArbOS部分實現了這一點。在Bedrock中，這一切都是在Solidity本身中完成的。

如果你使用我們的L1跨域messenger合約向L2發送tx，該tx會到達我們的L2跨域messenger，后者將記錄其哈希值，使其可重試。Nitro的工作方式相同，只是在節點中實現。

我們還通過我們的L1OptimismPortal合約，公開了一種較低level的存款方式。

The Bitcoin Association要求加密貨幣交易所及礦工阻止打包空塊的BSV礦工:金色財經報道，旨在支持BSV及BSV生態公司發展的瑞士非營利性組織The Bitcoin Association要求加密貨幣交易所及礦工阻止打包空塊的BSV礦工。The Bitcoin Association表示，該礦工地址為1KPSTuJMCMRXrTWHfCwpiRZg1ALbJzh844，其不斷打包空塊對網絡產生了壓力。部分BSV社區成員則表示礦工有權打包空塊，這樣做只是因為區塊補貼本身的回報已足夠。[2022/10/17 17:29:27]

這并沒有為你提供L2跨域messenger重試機制的安全網，但另一方面，這意味著你可以在Solidity中實現自己的應用程序特定重試機制。這很酷！

(E)L2費用算法

在Bedrock以及Nitro這兩個系統上，費用都有L2部分以及L1部分。對于L2費用，Nitro使用了一個定制系統，而Bedrock重復使用了EIP-1559。Nitro必須這樣做，因為他們有上述提到的1tx/區塊系統。

我們仍然需要調整EIP-1559參數，以使其在2秒的出塊時間內正常工作。今天，Optimism只收取低且固定的L2費用，我認為我們可能也會出現價格飆升，但在實踐中從未發生過。

重用EIP-1559的一個優點是，它應該使錢包和其他工具計算費用稍微容易一些。

而Nitro的gas計量公式非常優雅，他們似乎已經對此進行了大量思考。

(F)L1費用算法

那L1費用如何呢？這里的區別會更大一些。Bedrock使用向后查看的L1基礎費用數據。這些數據非常新鮮，因為它通過與存款相同的機制傳遞。

由于仍然存在L1費用飆升的風險，所以我們收取預期費用的一個小倍數。

MakerDAO發布新提案，將加入Flash Mint模塊等一系列更新:5月19日消息，MakerDAO發布新提案，該提案包含的更新包括支持Layer 2到Layer 1的快速提款功能、添加新的Flash Mint模塊、新模塊債務上限設置為2.5億美元，舊模塊的上線下調至2.5億美元等。[2022/5/19 3:27:15]

有趣的事實：這個倍數是所有當前排序器收入的來源！使用EIP-4844后，這將縮小，收入將來自MEV提取。

Nitro做的事情要復雜得多。我并沒有聲稱了解它的所有復雜性，但基本要點是他們有一個控制系統，可以從L1實際支付的費用中獲得反饋。

這意味著使用此數據將交易從L1發送回L2。如果排序器支付不足，它可以開始向用戶收取更少的費用。如果它多付了錢，它可以開始向用戶收取更多費用。

順便說一句，你可能想知道為什么我們需要將費用數據從L1傳輸到L2。這是因為我們希望費用計劃成為協議的一部分，并接受故障證明的挑戰。否則，流氓排序器可通過設置任意高的費用來拒絕鏈！

最后，交易批次在兩個系統中都被壓縮。Nitro根據對交易壓縮程度的估計收取L1費用。Bedrock目前沒這樣做，但我們有這樣做的計劃。

原因在于，不這樣做，會加劇在L2存儲中緩存數據的不正當動機，從而導致有問題的狀態增長。

(G)故障證明指令集

故障/欺詐證明！Nitro的工作方式與Cannon的工作方式有相當多的差異。

Bedrock編譯為MIPS指令集架構(ISA)，Nitro編譯為WASM。由于編譯為他們稱為WAVM的WASM子集，他們似乎對輸出進行了更多的轉換。

例如，他們通過庫調用替換浮點(FP)操作。我懷疑他們不想在鏈上解釋器中實現粗糙的FP操作。我們也這樣做，但Go編譯器會替我們處理！

另一個例子：與大多數只有跳轉的ISA不同，WASM具有適當的控制流。從WASM到WAVM的轉換消除了這一點以返回跳轉，這可能也是為了解釋器的簡單性。

他們還將Go、C和Rust混合編譯為WAVM，而我們只編譯Go。顯然WAVM允許“語言的內存管理不受干擾”，我將其解釋為每個WAVM模塊都有自己的堆。

我很好奇是：他們是如何處理并發和垃圾收集的。我們能夠在minigeth中相當容易地避免并發，所以這部分可能很簡單。

然而，我們對MIPS所做的唯一轉換之一是修補垃圾收集調用。這是因為垃圾收集在Go中使用了并發，而并發和故障證明不能很好地結合在一起。Nitro也是做了同樣的事嗎？

(H)二分博弈結構

Bedrock故障證明將用于驗證發布到L1的狀態根的有效性的minigeth運行。此類狀態根不經常發布，并且包括許多區塊/批次的驗證。

Cannon中的二分游戲是在這個運行的執行軌跡上進行的。

另一方面，在Nitro中，狀態根與發布到L1的每組批次(RBlock)一起發布。

Nitro中的二分游戲分為兩部分。首先找到挑戰者和防御者不同意的第一個狀態根。然后，在驗證器運行中找到他們不同意的第一個WAVM指令。

權衡之處是在Nitro執行期間進行更多的哈希運算部分），但在故障證明期間進行更少的哈希運算：在執行跟蹤的二分游戲中的每個步驟，都需要提交內存Merkle根。

像這樣的故障證明結構也減少了對驗證器內存膨脹的擔憂，其可能會超過當前運行MIPS的4G內存限制。

這不是一個很難解決的問題，但我們需要在Bedrock中小心，而驗證單筆交易可能永遠不會接近這個限制。

原像預言機

用于故障證明的驗證器軟件需要從L1和L2讀取數據。因為它最終將在L1上“運行”，所以需要通過L1訪問L2本身-通過發布到L1的狀態根和區塊哈希。

你如何從狀態或鏈中讀取？

Merkle根節點是其子節點的哈希，因此如果你可以請求原像，則可以遍歷整個狀態樹。同樣，你可以通過請求區塊頭的原像來向后遍歷整個鏈。

在鏈上執行時，這些原像可以預先提供給WAVM/MIPS解釋器。

這就是你在Nitro和Bedrock上閱讀L2的方式。

但是，你需要為L1做類似的事情。因為交易批次存儲在L1調用數據中，無法從L1智能合約訪問。

Nitro將其批次的哈希存儲在L1合約中。所以他們至少需要這樣做，我不知道為什么沒有提到。

在Bedrock中，我們甚至不存儲批次哈希。相反，我們使用L1區塊頭返回L1鏈，然后沿著交易Merkle根向下查找calldata中的批次。

第4.1節的結尾，提醒我們?Arbitrum發明了“哈希預言機技巧”。不安全不應該成為忘記Arbitrum團隊貢獻的理由！

(J)大原像

Nitro白皮書還告訴我們，L2原像(Preimage)的固定上限是110kb，但沒有引用L1的數字。

在Cannon中，我們有一個稱為“大原像問題”的問題，因為要反轉的潛在原像之一是收據原像，其中包含Solidity事件發出的所有數據。

在收據中，所有日志數據連接在一起。這意味著攻擊者可以發出大量日志，并創建一個非常大的原像。

我們需要讀取日志，因為我們使用它們來存儲存款。這并不是絕對必要的：Nitro通過存儲消息的哈希來避免這個問題。

我們不存儲哈希，因為計算和存儲它的成本很高，存儲要消耗大約20kgas，每計算32個字節要消耗6gas。平均一筆交易大約是500字節，因此一批200筆交易的哈希成本大約為20kgas。以2000美元的ETH和40gweibasefee計算，額外的哈希和存儲成本為3.2$。以5000美元的ETH和100gwei計算，成本即20美元。

我們目前解決大原像問題的計劃，是使用簡單的zk-proof來證明原像中某些字節的值。

(K)批次和狀態根

Nitro將批次和狀態根緊密相連。他們在包含狀態根的RBlock中發布一組批次。

另一方面，Bedrock將其批次與狀態根分開發布。關鍵優勢是再次降低了發布批次的成本。這讓我們可以更頻繁地發布批次，并減少狀態根的頻率。

另一個影響是，使用Nitro，如果RBlock受到挑戰，它包含的交易將不會在新鏈上重放。

在Bedrock中，我們目前正在討論在成功挑戰狀態根的情況下該怎么做：在新的狀態根上重放舊tx，還是完全回滾？

(L)其他雜項

影響較小的差異：

(i)Nitro允許排序器發布的單筆交易可以是“垃圾”。為了盡量減少對Geth的更改，我們總是丟棄包含任何垃圾交易的批次。

排序器總是能夠提前找到那些，所以揮之不去的垃圾交易要么是不當行為要么是bug。排序器運行與故障證明相同的代碼，因此它們對無效內容的定義應該相同。

(ii)Nitro引入了預編譯合約，尤其是用于L2到L1的消息傳遞。我們目前不使用任何預編譯，而是更喜歡它們“預部署”，即存在于創世區塊特殊地址的實際EVM合約。

事實證明，我們可以在EVM中做我們需要的事情，這使得節點邏輯稍微簡單一些。不過，我們并不堅決反對預編譯，也許我們會在某個時候需要用到預編譯。

(iii)Nitro故障證明使用了d向剖析。概念驗證Cannon實現使用了二分法，但我們也可能會轉向d向剖析。

Nitro白皮書中有一個非常好的公式，它解釋了基于固定成本和可變成本的d的最優值。然而，我希望他們在實踐中包括了如何估算這些成本的具體例子！

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