Arbitrum Nitro白皮书解读：使用新证明器，提供更高效的Optimistic Rollup

作者：Karen

编译：Foresight News

Arbitrum One 主网将于8月31日迁移至 Nitro，这是 Arbitrum 的对吞吐量、交易成本、效率改善的一次重大迭代，将与半个月公开发布的 Arbitrum Nova 共存。这意味着此前备受关注的 Odyssey 活动也可能会并行重启。

Offchain Labs 在最新发布的 Arbitrum Nitro 白皮书中，将 Arbitrum Nitro 视为第二代 Optimistic Rollup，相比之前的 Rollup，Nitro 能够提供更⾼的吞吐量、更快的最终确定性和更有效的争议解决方案。

Arbitrum Nitro 技术的核心是一个新的证明器（prover），可以在 WASM 代码上进行 Arbitrum 的交互式欺诈证明。也就是说， L2 Arbitrum 引擎可以在 WASM 上运行，取代一直定制设计的 AVM（Arbitrum EVM）架构，可以使用标准的语言和工具来构建和编译。

将 Gethcore 直接编译到 Arbitrum 中是 Nitro 最酷的地方，Geth 实际上定义了以太坊标准的 EVM 引擎。所以本质上，Nitro 是在以太坊之上的 Layer2 运行 Geth，并且可以证明对编译为 WASM 的 Geth 核心引擎的欺诈。

Arbitrum 此前也表示，Nitro有着优化过后的批处理和数据压缩组件，能进一步降低 Arbitrum 的交易成本，并且具有以太坊 L1 Gas 兼容性等，除此之外，欺诈证明、排序器、代币桥也是 Nitro的组件。由于 Nitro 建立在 WASM 和 Geth 等标准技术之上，因此它更兼容 EVM。根据白皮书，改进过后的 Nitro 相较 Arbitrum One，效率更高，延迟性更低，激励兼容性也更好。

Arbitrum 实现这些属性的设计原则包括：

– 将事务排序与确定性执⾏分开；

– 将现有的以太坊模拟软件与扩展相结合，并实现 跨链 功能；

– 分别编译执行和证明；

– 使用基于交互式欺诈证明的 Optimistic Rollup 协议将交易结果放置在 Layer1。

一、排序和确定性执行

Nitro 分两个阶段处理提交的交易，排序器（Sequencer）进行交易排序，并将订单作为实时流和压缩数据批次发布在 Layer1 链上。这些交易会按确定性状态转换函数⼀次处理⼀个有序交易，该函数更新链状态并⽣成 Layer2 区块，这些区块稍后会结算到 Layer1 链。

具体来说，排序方面，排序器受信任且诚实地对传⼊交易按照先后顺序进⾏排序，目前以两种方式发布其事务排序，首先发布一个排序交易的实时流，代表排序器最终以特定顺序记录交易的承诺；其次，Sequencer 在收集一批交易后，然后使用通用算法 brotli 对其进行压缩来降低成本，并将结果传递给 Nitro 链的 Inbox 合约（在 L1 以太坊上运⾏）。⼀旦 Sequencer 到 Inbox 的交易在以太坊上具有最终性，Nitro 链的交易顺序就是最终的。

目前排序器是由 Offchain Labs 运营的集中式组件，未来打算使⽤公平分布式排序协议过渡到基于委员会的排序器。

确定性执行方面，在对传⼊交易进⾏排序后，Nitro 链会使⽤链的状态转换函数（STF）对其进⾏处理，输出更新的状态并生成 Layer2 区块。

二、软件架构：Geth at the Core

Nitro 将 Geth 编译进来是 Nitro 的第⼆个关键设计理念，Geth 指的是以太坊节点软件 go-ethereum。Nitro 中的 core 执⾏和状态维护功能由开源 go-ethereum (geth）package 代码处理，确保其执⾏和状态与以太坊⾼度兼容。

构成 Nitro 节点的软件可以被认为是内置在三个主要层中，分别为基础层——Geth core（模拟 EVM 合约执行和维护构成以太坊状态的数据结构）、中间层（ArbOS）以及顶层，其中，ArbOS 是⼀个软件层，实现了管理 Layer2 链所必需的功能，包括记账功能、⽀持 Nitro 和 Layer1 以太坊之间的双向安全跨链调⽤以及特定于 Layer2 的费⽤跟踪和收集。

跨链交互方面，Nitro 的跨链消息传递功能还可⽤于创建代币桥，这是⼀个允许在以太坊和 Nitro 链之间有效转移资产的应⽤。Offchain Labs 团队已经实施并发布了⼀个非正式代币桥，提供对可替代代币的存入或提款功能。另外，新的和改进的批处理和压缩系统也能最大限度地降低 L1 成本。

顶层则由节点软件组成，处理来⾃客户端的连接和传⼊的 RPC 请求，并提供操作与以太坊兼容的区块链节点所需的其他功能。

三、执行与证明分开

Nitro 通过对执⾏和证明使⽤相同的源代码，但针对这两种情况将其编译为不同的⽬标。在编译 Nitro 节点软件执⾏时，使⽤的是普通的 Go 编译器，为⽬标架构⽣成原⽣代码，当然对于不同的节点部署会有所不同。

另外，状态转换函数部分的代码由 Go 编译器编译为 WebAssembly（WASM），这是⼀种类型化的、可移植的机器代码格式。然后，WASM 代码经过简单的转换和修改，转换成称为 WAVM 的格式。

白皮书指出，WAVM 在三个主要⽅⾯与 WASM 不同，分别为去除了 WASM 的⼀些 Go 编译器没有⽣成的特性；限制了 WASM 的⼀些功，包括去除了浮点指令和不包含嵌套控制流；添加了⼀些操作码以实现与区块链环境的交互等。

如果对计算状态转换函数的正确结果存在争议，则通过参考 WAVM 代码的交互式欺诈证明协议来解决。

四、具有交互式欺诈证明的 Optimistic Rollup

在最初的 Arbitrum 设计的基础上，Nitro 使⽤改进的 Optimistic Rollup 协议，该协议使用优化过后的交互式欺诈证明协议。

这个 Rollup 协议是 Nitro ⽤于确认 Layer2 链状态和 Layer1 以太坊上的相关数据的⽅法。 Layer2 ⽤⼾通常不会等待 L1 确认，⽽是依赖确定性状态转换函数，该函数允许从记录的交易序列中得出交易结果。

该 Rollup 协议产生了一条Rollup Blocks（RBlock）链，与 Layer2 区块不同，一个 Rollup Block 通常包装（encapsulate）了一系列 Layer2 区块，因此 RBlock 的数量远少于 L2 块。最初一个 RBlock代表某方声称称 RBlock 的数据是正确的。最终，每⼀个这样的声明要么被协议确认，要么被拒绝后从 RBlock 链中删除。这组已确认的 RBlock 将从创世 RBlock 开始形成⼀条链。