Arbitrum Nitro 白皮書速讀：如何更兼容 EVM 和降低交易成本？

來源：Offchain labs

編譯：Karen，Foresight News

Offchain Labs 在最新發布的 Arbitrum Nitro 白皮書中，將 Arbitrum Nitro 視為第二代 Optimistic Rollup，相比之前的 Rollup，Nitro 能夠提供更高的吞吐量、更快的最終確定性和更有效的爭議解決方案。

Arbitrum Nitro 技術的核心是一個新的證明器（prover），可以在 WASM 代碼上進行 Arbitrum 的互動式欺詐證明。也就是說， L2 Arbitrum 引擎可以在 WASM 上運行，取代一直定制設計的 AVM（Arbitrum EVM）架構，可以使用標準的語言和工具來構建和編譯。

將 Geth core 直接編譯到 Arbitrum 中是 Nitro 最酷的地方，Geth 實際上定義了以太坊標準的 EVM 引擎。所以本質上，Nitro 是在以太坊之上的 Layer2 運行 Geth，並且可以證明對編譯為 WASM 的 Geth 核心引擎的欺詐。

Arbitrum 此前也表示，Nitro 有著優化過後的批處理和數據壓縮組件，能進一步降低 Arbitrum 的交易成本，並且具有以太坊 L1 Gas 兼容性等，除此之外，欺詐證明、排序器、代幣橋也是 Nitro 的組件。由於 Nitro 建立在 WASM 和 Geth 等標準技術之上，因此它更兼容 EVM。根據白皮書，改進過後的 Nitro 相較 Arbitrum One，效率更高，延遲性更低，激勵兼容性也更好。

Arbitrum 實現這些屬性的設計原則包括：

• 將事務排序與確定性執行分開；
• 將現有的以太坊模擬軟體與擴展相結合，並實現跨鏈功能；
• 分別編譯執行和證明；
• 使用基於互動式欺詐證明的 Optimistic Rollup 協議將交易結果放置在 Layer1。

一、排序和確定性執行

Nitro 分兩個階段處理提交的交易，排序器（Sequencer）進行交易排序，並將訂單作為實時流和壓縮數據批次發布在 Layer1 鏈上。這些交易會按確定性狀態轉換函數一次處理一個有序交易，該函數更新鏈狀態並生成 Layer2 區塊，這些區塊稍後會結算到 Layer1 鏈。

具體來說，排序方面，排序器受信任且誠實地對傳入交易按照先後順序進行排序，目前以兩種方式發布其事務排序，首先發布一個排序交易的實時流，代表排序器最終以特定順序記錄交易的承諾；其次，Sequencer 在收集一批交易後，然後使用通用算法 brotli 對其進行壓縮來降低成本，並將結果傳遞給 Nitro 鏈的 Inbox 合約（在 L1 以太坊上運行）。一旦 Sequencer 到 Inbox 的交易在以太坊上具有最終性，Nitro 鏈的交易順序就是最終的。

目前排序器是由 Offchain Labs 运营的集中式組件，未來打算使用公平分佈式排序協議過渡到基於委員會的排序器。

確定性執行方面，在對傳入交易進行排序後，Nitro 鏈會使用鏈的狀態轉換函數（STF）對其進行處理，輸出更新的狀態並生成 Layer2 區塊。

二、軟體架構：Geth at the Core

Nitro 將 Geth 編譯進來是 Nitro 的第二個關鍵設計理念，Geth 指的是以太坊節點軟體 go-ethereum。Nitro 中的 core 執行和狀態維護功能由開源 go-ethereum (geth）package 代碼處理，確保其執行和狀態與以太坊高度兼容。

構成 Nitro 節點的軟體可以被認為是內置在三個主要層中，分別為基礎層------Geth core（模擬 EVM 合約執行和維護構成以太坊狀態的數據結構）、中間層（ArbOS）以及頂層，其中，ArbOS 是一個軟體層，實現了管理 Layer2 鏈所必需的功能，包括記帳功能、支持 Nitro 和 Layer1 以太坊之間的雙向安全跨鏈調用以及特定於 Layer2 的費用跟蹤和收集。

跨鏈交互方面，Nitro 的跨鏈消息傳遞功能還可用於創建代幣橋，這是一個允許在以太坊和 Nitro 鏈之間有效轉移資產的應用。Offchain Labs 團隊已經實施並發布了一個非正式代幣橋，提供對可替代代幣的存入或提款功能。另外，新的和改進的批處理和壓縮系統也能最大限度地降低 L1 成本。

頂層則由節點軟體組成，處理來自客戶端的連接和傳入的 RPC 請求，並提供操作與以太坊兼容的區塊鏈節點所需的其他功能。

三、執行與證明分開

Nitro 通過對執行和證明使用相同的源代碼，但針對這兩種情況將其編譯為不同的目標。在編譯 Nitro 節點軟體執行時，使用的是普通的 Go 編譯器，為目標架構生成原生代碼，當然對於不同的節點部署會有所不同。

另外，狀態轉換函數部分的代碼由 Go 編譯器編譯為 WebAssembly（WASM），這是一種類型化的、可移植的機器代碼格式。然後，WASM 代碼經過簡單的轉換和修改，轉換成稱為 WAVM 的格式。

白皮書指出，WAVM 在三個主要方面與 WASM 不同，分別為去除了 WASM 的一些 Go 編譯器沒有生成的特性；限制了 WASM 的一些功，包括去除了浮點指令和不包含嵌套控制流；添加了一些操作碼以實現與區塊鏈環境的交互等。

如果對計算狀態轉換函數的正確結果存在爭議，則通過參考 WAVM 代碼的互動式欺詐證明協議來解決。

四、具有互動式欺詐證明的 Optimistic Rollup

在最初的 Arbitrum 設計的基礎上，Nitro 使用改進的 Optimistic Rollup 協議，該協議使用優化過後的互動式欺詐證明協議。

這個 Rollup 協議是 Nitro 用於確認 Layer2 鏈狀態和 Layer1 以太坊上的相關數據的方法。 Layer2 用戶通常不會等待 L1 確認，而是依賴確定性狀態轉換函數，該函數允許從記錄的交易序列中得出交易結果。

該 Rollup 協議產生了一條 Rollup Blocks（RBlock）鏈，與 Layer2 區塊不同，一個 Rollup Block 通常包裝（encapsulate）了一系列 Layer2 區塊，因此 RBlock 的數量遠少於 L2 塊。最初一個 RBlock 代表某方聲稱 RBlock 的數據是正確的。最終，每一個這樣的聲明要麼被協議確認，要麼被拒絕後從 RBlock 鏈中刪除。這組已確認的 RBlock 將從創世 RBlock 開始形成一條鏈。