金色观察｜简析Arbitrum Rollup虚拟机的设计原理

Arbitrum和Optimism是以太坊Layer2扩容的主要项目，因为两者是以Rollup为技术核心实现的二层扩容，符合以太坊未来发展方向。

但面对未来丰富的生态应用预期，需要一个虚拟机来实现可编辑能力。因为Rollp的技术核心，却让这个方向成为一个实现略难的技术需求，目前两者也限于虚拟机并不成熟。使得在这一层的可编辑能力有所限制。

今天本文中，我们将摘录资料来了解Arbitrum网络的虚拟机设计原理。

AVM设计的起点是基于以太坊虚拟机(EVM)，因为Arbitrum目标是高效地执行为EVM编写或编译的程序，所以Arbitrum并未更改EVM设计的绝大部分。例如，AVM采用EVM的数据类型以及对EVM整数进行的操作指令等。

金色晨讯 | 12月20日隔夜重要动态一览:21:00-7:00关键词：市值、机构、以太坊

1.以太坊2.0存款合约地址余额突破160万ETH

2.比特币市值升至全球市值资产第12位 超越沃尔玛

3.Tether在波场网络增发2亿枚USDT

4.比特币兑法币交易美元占比升至70.48% 英镑升至第五

5.Peter?Schiff：比特币不是商品 没有可衡量的购买力

6.BTC预计7天后下调挖矿难度1.16%至18.45 T

7.Willy Woo：机构买家入场可能对比特币造成供应冲击[2020/12/20 15:49:37]

这样看来，AVM和EVM之间的差异源于Arbitrum的layer2需求和Arbitrum的多轮挑战协议。

共为2020?| 金色财经CEO安鑫鑫：我们正处于区块链风口迭代重塑期 产业应用脱虚向实:金色财经现场报道，2020年6月21日，由金色财经主办的共为2020·区块链创新应用论坛在深圳拉开帷幕。本次会议由币核科技冠名赞助、HBTC作为战略合作企业。金色财经CEO安鑫鑫现场进行《共为·2020》欢迎致辞指出，2020年区块链行业经历了太多波澜，312雪崩、比特币减半、DeFi崛起，以及即将迎来的以太坊2.0和IPFS发展浪潮，这些都让我们感受到了比往年更加深刻的艰难与更加渴望的期许，同时也让我们学会了如何与黑天鹅共舞，学会了如何在低谷中蓄势迸发。当前我们正处于区块链风口迭代的重塑期，产业应用脱虚向实，更多企业实践区块链技术，降低信任成本、提升协作效率，激发经济增长，抢滩未来业态，克服艰难，砥砺前行。此外，在本次大会期间，金色财经还发起了“区块链周”活动品牌，联动资源，合力共为。首期“深圳区块链周”从6月18日到23日为期6天，合计37 场活动，平均每天六场，活动总时长达148 小时。为行业贡献优质的学习、交流、合作、共赢的平台，接下来我们会和更多合作方全球落地打卡。[2020/6/21]

执行与证明

金色相对论丨林念龙：未来矿机生产厂商大部分仍在中国:本期金色相对论在讨论上，在讨论中国市场算力占比靠前的局面是否可以维持话题时，蜂窝联合创始人林念龙认为：矿机生产商未来绝大部分还是在中国，老外做事过度严谨，在商业行为上，慢中国人好几拍。即使同时有设计和代工能力的英特尔和AMD入场，也需要很长一段研发时间。日本GMO的7纳米芯片虽然研发成功了，但是代工厂生产这个制程的良品率较低，变相拉高了成本，没法量产，没有产能。[2018/6/27]

与EVM架构不同，Arbitrum需要支持本地执行和受信证明。基于EVM的系统通过重新执行有争议的代码来解决争议，而Arbitrum依赖于形成最终证明的挑战协议解决争议。

Arbitrum希望在本地可信环境中针对速度做优化执行，因为本地执行是常见情况。系统很少需要证明，但需要一直保持准备证明的状态。

操作系统

Arbitrum使用2层操作系统ArbOS。ArbOS控制单独合约的执行，以将它们彼此隔离并跟踪它们的资源使用情况。

此外，上面这些功能是执行在2层的可信软件中，而不是像以太坊那样将可信添加到的1层网络搭建的强制规则中，这样参与者都会从2层较低的计算和存储成本中受益，而不是必须将这些资源成本作为1层EthBridge合约的一部分进行管理，增加成本。

Merkleize

任何依赖断言和争议解决的2层协议都必须定义一个规则，用于对虚拟机的完整状态进行Merkle哈希。该规则必须是架构定义的一部分，因为它依赖于解决争议。

维护的Merkle哈希在需要重新计算时也需要保持有效。这会带来一些构建内存的影响。任何大型且可变的存储结构对于Merkleize来说都是较贵的，并且Merkleize的算法必须是架构规范的一部分。

AVM架构通过只有大小有限、不可变的内存对象来应对这一需求，这些对象可以通过引用包含其他元组。元组不能就地修改，但有一条指令可以复制带有修改的元组。这允许构建树结构，其行为类似于大型平面存储器。通过访问在内部使用元组的库，应用程序可以使用诸如大型平面数组、键值存储等功能。

元组的语义使得创建元组的循环结构变得不可能，因此AVM实现可以通过使用引用计数的、不可变的结构来安全地管理元组。每个元组值的哈希只需要计算一次，因为内容是不可变的。

代码点

代码的常规组织是存储指令的线性阵列，并需要保持指向下一条指令的程序计数器。使用这种传统方法，证明执行指令需要对数时间和空间，因为必须提供Merkle证明来证明当前PC下的指令。

AVM使用这种传统的执行方法，但它增加了一个功能，使证明和证明检查需要恒定的时间和空间。出于证明目的，“程序计数器”被替换为“当前代码点哈希”值，它是机器状态的一部分。

在正常执行中，实现通常只使用传统架构上的PC值。但是，当需要证明时，证明者可以使用查找表来获取与任何相关PC对应的代码点哈希值。

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