撰文：
Layer 2 扩容解决方案是当前社区乃至整个区块链技术圈最热门的话题，而 Arbitrum 在率先部署主网测试版之后，又获得 、 等核心 DeFi 项目的支持，无疑成为了当下最引人注目的 Layer 2 方案。
对于打算从以太坊主网迁移到 Layer 2 网络的用户来说，Layer 2 方案的安全机制是其最关心的议题之一。本文将全面解析 Arbitrum 的安全机制，包括：Arbitrum 是如何继承以太坊安全性的、为什么挑战期设置为 7 天、如何防御审查攻击等。
继承以太坊安全性
大家都知道 Layer 2 相比其他扩容方案，最大的优势之一就是完全继承以太坊安全性，但可能大多数人知其然而不知其所以然，Arbitrum 到底是如何继承以太坊的安全性的呢？
首先我们再回顾下 Optimistic Rollup 方案的主要特点：
- 在 Rollup 方案中，交易数据被写入 L1 （作为 calldata），但合约的实际计算和存储则是在 L2 上完成，以此来实现扩容；
- 某个验证者（Validator），会将一个断言提交到 L1，可以理解为该断言就是将一个 Rollup 区块内的所有交易、结果打包到了 L1 的一笔交易里；
- 而 Optimistic 主要是指系统对待断言的态度是乐观的，即当一个断言发布时，它不需要包含任何保证其有效性的附带证明，相反，会有一个时间窗口供任何质疑的人去挑战。挑战成功，则这个断言包含的所有交易都将被回撤，发布断言的验证者将被没收所有押金；挑战失败 / 无人挑战，则断言被接受并获得终局性。
了解了具体方案，我们再从几个角度考量 Arbitrum 是如何继承以太坊安全性的。
数据可用性
在 L2 上执行的所有交易，首先都会被提交到 L1 上运行的 Inbox 智能合约中，即作为 calldata 写入 L1。任何人都可以通过这些数据，还原 L2 上的所有交易，并将 L2 恢复到中断之前的正确状态。这些数据的可用性是通过 L1 来保证的，也因此人们完全不用担心 L2 的故障或者下线会导致自己在 L2 上的资产受损。
AnyTrust
AnyTrust 是 Rollup 协议的关键安全属性，它表示任何一个诚实的验证者都可以强制确认 L2 链的正确执行，也就是说无论有多少想作恶的人试图阻止你，你或你雇佣的人都可以强制正确处理你自己的交易，你无须信任任何第三方。
紧急退出机制
目前 Arbitrum 并没有专门定义紧急退出机制，但一系列的安全机制已经确保了用户可以达成紧急退出的目的：
- 首先，数据可用性确保了用户在二层的资产、数据随时可以从 L1 恢复，永远不会丢失；
- 其次，任何用户都可以将交易请求发送到 L1 的 Inbox 合约中，来强制发起提现；
- 最后，AnyTrust 机制确保了用户自己就可以强制 L2 正确的处理这笔提现交易。
以上三点，用户都无须信任任何第三方，这充分表明 Arbitrum 完全继承了以太坊的安全性，是 Trustless 的。
为什么挑战期是 7 天
Arbitrum 是多轮交互式 Rollup 方案，方案会首先乐观的认为验证者提出的断言是正确的，直到在挑战期内由其他验证者提出挑战或反驳。大多数情况下并不会出现挑战，因此整个系统得以更快速和低成本的推进执行。
显而易见，挑战期越长，整个系统会越安全，但同时用户体验则会越差（因为用户提款时需要等待一个挑战期结束），所以如何找出挑战期的最优时长？
Arbitrum 团队提出了这样的模型来计算最优挑战期时长：
- 假设一个挑战期为 C 个区块的时长，攻击者可以获得的最大收益为 L2 上的所有资产 V，则攻击者得到的预期收益为：V exp(-AC)，注：exp 指 e 的指数函数，A 为某个常数，AC 前的负号指 C 和预期收益成反比；
- 为了应对攻击，断言者需要质押的资产远远大于攻击可得的收益，我们假设为 10 倍，则断言者的成本为 10V exp(-AC)I，I 为资金利率；
- 我们再假设提现用户被锁定在挑战期内的提现资金为 CWV （W 为小数，WV 即 L2 总资产的一部分，每一个时间点将有 C 个区块未结束挑战），则用户的资金成本为 CWVI；
- 最佳挑战期时长即断言者和提现用户的资金总成本最低，即 C 取何值时，10V exp(-AC)I+CWVI 最小。V 和 I 在前后两项中都存在，因此不影响最小点，可将其约掉，我们只需对 C 求导，再令倒数等于 0，然后解出 C：
C = ln(10A/W)
现在我们将某个合理数值代入上面的公式，即可得到一个粗略的最优挑战期。
假设一个区块的时间内持续审查的成功率高达 99.99%，则 A=-ln(0.9999)=0.0001；
再假设每天都有 1% 的资金需要取出，按 15 秒 1 个区块计算，每个区块的取款比例约为 W=0.000002；
代入公式得出最优挑战期为 C=62146 个区块，即 10.79 天，这与 Arbitrum 团队最终选择的 7 天最优挑战期已经非常接近。
如何防御审查攻击
这一节我们讨论 Arbitrum 如何应对主要的 4 种审查攻击：分叉攻击、拒绝服务攻击、阻塞攻击、饱和攻击。
分叉攻击：矿工串通（或被贿赂）弃置包含正常挑战的区块，并通过分叉，使另一条没有包含任何挑战的区块链被接受。
首先，由于挑战者的存在，一旦发生分叉攻击，必然会被某个挑战者发现。而当大家发现所处的区块链存在算力垄断者（这是分叉攻击的前提条件），并且会为了利益不受约束的破坏规则时，对于这个区块链将会是毁灭性的打击，Arbitrum 是否采取挑战期设计模式已经无关紧要了。
拒绝服务攻击：矿工密谋（或被贿赂）在出块时不打包正常的挑战。
我们假设垄断者控制了 90% 的算力，挑战窗口期为 50 个区块，那么需要连续 50 个区块都由垄断者打包才能完成攻击，其概率为 0.9 的 50 次方，仅为 0.5%，而实际的挑战期远远多于 50 个区块，因此攻击成功概率极小。而在 Arbitrum 的设计中，每次攻击失败，攻击者都将支付大量的罚金，所以发起拒绝服务攻击对垄断者而言是相当不经济的。
阻塞攻击：攻击者通过传统的拒绝服务攻击（DoS），使得其他人无法提出挑战（无法发出包含挑战的交易）
由于只要出现一个正直的挑战者，攻击就会失败，所以攻击者必须阻止“所有”可能的挑战者，如果挑战者足够多，这是很难完成的。更进一步的，利益相关方可能会雇佣暗中监视者，它们作为后备方案，只有在参与方来不及或难以发出挑战时才介入，攻击者根本无法提前辨别这些潜伏的挑战者，自然也没办法对其发起 DoS 攻击。
饱和攻击：攻击者在很短的时间内提出大量的链上断言，让其他人来不及在时间窗口内对所有断言进行检查和挑战。
Arbitrum 防御饱和攻击的方法是对提出断言的频率进行限制，保证协议在设定的挑战窗口期内的任何时间点，全网都有足够的能力去检查待处理的断言和挑战。具体来说，会针对一条 Rollup 区块链的智能合约处理能力实施速度限制，使得即使存在某个能快速提出大量断言的人，最终也不得不慢下来。
综上所述，我们基本上不需要对分叉攻击过于担心，因为存在一个作恶的算力垄断者让这条区块链毫无吸引力；至于另外三种审查攻击，Arbitrum 都能够通过合理的设计和实践进行有效的防御。
Sequencer Mode 的优势和风险
Sequencer Mode 是 Arbitrum 的一个可选特性，主网上线的初期，官方（）会运营唯一的 Sequencer 节点。
Sequencer 被赋予权利，可以控制每笔交易在 Inbox 中的顺序，从而确保它可以立即确定客户交易的结果，而无须等待以太坊上 5 分钟左右的区块确认时间，甚至也不需要等待 15 秒的区块创建时间。
同时，一个正直的 Sequencer 可以有效的防御抢跑攻击（Front-Running Attack）。
因此，由官方运营一个中心化的正直的 Sequencer 节点，对项目早期的发展可能是非常有益的，可以减少很多麻烦，但安全风险也显而易见（虽然很难想象官方会去自己作恶）。所幸官方承诺，会在技术成熟后，尽快切换至去中心化的多 Sequencer 节点方案。
除此以外，Inbox 会被一分为二，一个接受 Sequencer 提交的交易，一个接受常规的 Aggregator 或者用户提交的交易，这也给不信任中心化 Sequencer 的用户提供了另一个选择。
写在最后
DeGate 作为专注以太坊二层的去中心化交易所，用户的资产安全是我们的首要考量。通过对 Arbitrum 安全机制的全面研究，可以看出官方确实在安全问题上下了很大功夫，方方面面考虑的较为全面，且有相应的文档对其安全理念进行了阐述。
DeGate 将积极研究在 Arbitrum 上搭建部署相关产品，并将很快上线 DeGate Bridge 服务，为用户提供方便快捷的 Arbitrum 和以太坊之间的跨链资产桥。
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