Documentation technique Optimism

Résumé

L'article aborde le problème de l'évolutivité dans les blockchain décentralisés en analysant le compromis entre le débit des transactions et les exigences matérielles pour exécuter un nœud. Les rollups, c'est-à-dire les technologies de vérification en chaîne des blocs exécutés hors chaîne, sont présentés sous forme de preuves de faute ou de validité. Nous comparons les cumuls optimistes et les cumuls de validité en ce qui concerne le temps de retrait, les coûts de transaction, les techniques d'optimisation et la compatibilité avec l'écosystème Ethereum. Notre analyse révèle que Optimism Bedrock a actuellement un taux de compression de gaz d'environ 20:1, tandis que StarkNet atteint un taux de compression des coûts d'écriture de stockage d'environ 24:1. Nous discutons également des techniques permettant d'optimiser davantage ces taux, telles que l'utilisation de contrats de cache et de filtres Bloom. En fin de compte, nos conclusions mettent en évidence les compromis entre complexité et agilité dans le choix entre les rollups optimistes et de validité. Mots-clés Blockchain, Scalability, Rollup 1. Introduction La technologie Blockchain a attiré une attention considérable en raison de son potentiel à révolutionner diverses industries. Cependant, l'évolutivité reste un défi majeur, car la plupart des blockchain sont confrontés à un compromis entre évolutivité, décentralisation et sécurité, communément appelé le trilemme de l'évolutivité [1, 2]. Pour augmenter le débit d'un blockchain, une solution triviale consiste à augmenter la taille de son bloc. Dans le contexte de Ethereum, cela signifie augmenter la quantité maximale de gaz qu'un bloc peut contenir. Comme chaque nœud complet doit valider chaque transaction de chaque bloc, à mesure que le débit augmente, les exigences matérielles augmentent également, conduisant à une plus grande centralisation du réseau. Certains blockchain, tels que Bitcoin et Ethereum, optimisent leur conception pour maximiser leur décentralisation architecturale, tandis que d'autres, comme la Binance Smart Chain et Solana, sont conçus pour être aussi rapides et bon marché que possible. Les réseaux décentralisés limitent artificiellement le débit du blockchain pour réduire la configuration matérielle requise pour participer au réseau. Au fil des années, des tentatives ont été faites pour trouver une solution au trilemme, comme les chaînes d'État [3] et Plasma [4, 5]. Ces solutions ont la caractéristique de déplacer certaines activités hors chaîne, de relier l'activité en chaîne à l'activité hors chaîne à l'aide de smart contract et de vérifier DLT 2023 : 5e atelier sur la technologie du grand livre distribué, 25 et 26 mai 2023, Bologne, Italie $ [email protected] (L. Donno) https://lucadonnoh.github.io/ (L. Donno) 0000-0001-9221-3529 (L. Donno) © 2023 Copyright pour cet article par ses auteurs. Utilisation autorisée sous Creative Commons License Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). Actes de l'atelier CEUR http://ceur-ws.org ISSN 1613-0073 Actes de l'atelier CEUR (CEUR-WS.org) en chaîne ce qui se passe hors chaîne. Cependant, les canaux Plasma et étatiques sont limités dans leur prise en charge des smart contract généraux. Les rollups sont des blockchain (appelés Layer 2 ou L2) qui publient leurs blocs sur un autre blockchain (Layer 1 ou L1) et héritent donc de ses propriétés de consensus, de disponibilité des données et de sécurité. Contrairement à d’autres solutions, elles prennent en charge le calcul arbitraire. Les rollups comportent trois composants principaux : • Séquenceurs : nœuds qui reçoivent les transactions Rollup des utilisateurs et les combinent en un bloc envoyé à Layer 1. Le bloc comprend au moins la racine de l'état (par exemple une racine Merkle) et les données nécessaires pour reconstruire et valider l'état. Le Layer 1 définit le...

Introduction

1. Introduction La technologie Blockchain a suscité une attention considérable en raison de son potentiel de révolution. diverses industries. Cependant, l'évolutivité reste un défi majeur, car la plupart des blockchain sont confrontés à un compromis entre évolutivité, décentralisation et sécurité, communément appelé le Trilemme d’évolutivité [1, 2]. Pour augmenter le débit d'un blockchain, une solution triviale est pour augmenter la taille de son bloc. Dans le contexte de Ethereum, cela signifie augmenter le maximum quantité de gaz qu'un bloc peut contenir. Comme chaque nœud complet doit valider chaque transaction de chaque bloc, à mesure que le débit augmente, les exigences matérielles augmentent également, ce qui entraîne une plus grande centralisation du réseau. Certains blockchain, comme Bitcoin et Ethereum, optimisent leur conception pour maximiser leur décentralisation architecturale, tandis que d'autres, comme le Binance Smart Chain et Solana sont conçus pour être aussi rapides et bon marché que possible. Réseaux décentralisés limiter artificiellement le débit du blockchain pour réduire la configuration matérielle requise à participer au réseau. Au fil des années, des tentatives ont été faites pour trouver une solution au trilemme, notamment en canaux [3] et Plasma [4, 5]. Ces solutions ont la particularité de déplacer certaines activités hors chaîne, reliant l'activité en chaîne à l'activité hors chaîne à l'aide de smart contract et en vérifiant DLT 2023 : 5e atelier sur la technologie du grand livre distribué, 25 et 26 mai 2023, Bologne, Italie $ [email protected] (L. Donno) https://lucadonnoh.github.io/ (L. Donno) 0000-0001-9221-3529 (L. Donno) © 2023 Copyright pour cet article par ses auteurs. Utilisation autorisée sous Creative Commons License Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). EUR Atelier Actes http://ceur-ws.org ISSN1613-0073 Actes de l'atelier CEUR (CEUR-WS.org)en chaîne ce qui se passe hors chaîne. Cependant, les canaux plasma et étatiques sont limités dans leur soutien aux smart contract généraux. Les rollups sont des blockchain (appelés Layer 2 ou L2) qui publient leurs blocs sur un autre blockchain (Layer 1 ou L1) et hérite donc de ses propriétés de consensus, de disponibilité des données et de sécurité. Eux, contrairement à d’autres solutions, prend en charge le calcul arbitraire. Les rollups comportent trois composants principaux : • Séquenceurs : nœuds qui reçoivent les transactions Rollup des utilisateurs et les combinent dans un bloc qui est envoyé à Layer 1. Le bloc comprend au moins la racine de l'état (par exemple un Merkle racine) et les données nécessaires à la reconstruction et à la validation de l'état. Le Layer 1 définit le canonique blockchain de la L2 en établissant l'ordre des données publiées. • Nœuds complets de cumul : nœuds qui obtiennent, traitent et valident les blocs de cumul à partir de Layer. 1 en vérifiant que la racine est correcte. Si un bloc contient des transactions invalides, il est alors rejetés, ce qui empêche les séquenceurs de créer des blocs valides incluant des blocs invalides transactions. • Nœuds légers de cumul : nœuds qui obtiennent des blocs de cumul de Layer 1 mais ne calculent pas le nouvel État lui-même. Ils vérifient que la nouvelle racine d'état est valide à l'aide de techniques telles que des preuves de défaut ou de validité. Les rollups atteignent l'évolutivité en diminuant le coût amorti des transactions à mesure que le nombre des utilisateurs augmente. En effet, le coût pour garantir la validité de blockchain augmente de manière sublinéaire en ce qui concerne le coût de la vérification individuelle des transactions. Les rollups diffèrent selon le mécanisme par lequel ils garantissent la validité de l'exécution des transactions sur les nœuds légers : dans Optimistic Rollups il est assuré par un modèle économique et par des preuves de fautes, tout en étant en Validité Rollups il est assuré cryptographiquement à l’aide de preuves de validité. Les nœuds légers peuvent être implémentés en tant que smart contract sur Layer 1. Ils acceptent la racine du nouvel état et vérifier la validité ou les preuves de défauts : ces Rollup sont donc appelés Smart Contract Cumuls. Si les nœuds légers sont indépendants, ils sont appelés Sovereign Rollups [6]. L'avantage de utiliser un Smart Contract Rollup, c'est être capable de construire un pont de confiance minimisé entre les deux blockchains : la validité de l'état L2 étant prouvée à L1, un système de transactions de L2 à L1 peuvent être mis en œuvre, permettant des retraits. L'inconvénient est que le coût du les transactions dépendent du coût de vérification de l'état sur L1 : si la couche de base est saturée par d'autres activités, le coût des transactions sur le Rollup augmente également. Les couches de données et de consensus sont celles qui déterminent la sécurité du système. ils définissent l'ordre des transactions, préviennent les attaques et mettent à disposition des données pour prouver l'état validité. Contribution papier Dans cet article, nous étudions les cumuls optimistes et de validité, deux solutions innovantes. des solutions au trilemme d'évolutivité, en mettant l'accent sur des implémentations notables, telles que Optimism Bedrock et StarkNet. Nos contributions incluent une comparaison complète de ces solutions, une analyse des temps de retrait et une discussion sur une éventuelle attaque contre Optimism Socle rocheux. De plus, nous calculons leurs taux de compression de gaz, fournissons des optimisations spécifiques à l'application et présentons les avantages et les inconvénients de l'abandon du Ethereum. Machine virtuelle (EVM).

Structure du papier Le document est organisé comme suit. Dans la section 2, les cumuls optimistes sont introduit en analysant Optimism Bedrock. Dans la section 3, les cumuls de validité sont introduits par analysant StarkNet. Dans la section 4, nous comparons les deux solutions. Enfin, dans la section 5, nous dessinons quelques conclusions.

Cumuls optimistes

1. Cumuls optimistes L'idée d'accepter avec optimisme la sortie des blocs sans vérifier leur exécution est déjà présent dans le livre blanc Bitcoin [7], traitant des nœuds lumineux. Ces nœuds suivent uniquement la chaîne d'en-tête en vérifiant la règle de consensus, les rendant vulnérables à l'acceptation de blocs contenant des transactions invalides en cas d'attaque à 51%. Nakamoto propose de résoudre ce problème problème en utilisant un système « d’alerte » pour avertir les nœuds légers qu’un bloc contient des transactions invalides. Ce mécanisme est mis en œuvre pour la première fois par Al-Bassam, Sonnino et Buterin [8] dans lequel une faute un système de preuve basé sur les codes de correction d’erreur [9] est utilisé. Afin de permettre la création de preuves de défauts, il est nécessaire que les données de tous les blocs, y compris les blocs invalides, soient disponibles pour le réseau : c'est le problème de disponibilité des données, qui est résolu à l'aide d'une approche probabiliste des données. mécanisme d’échantillonnage. La première conception Optimistic Rollup a été présentée par John Adler et Mikerah Quintyne-Collins en 2019 [10], dans lequel des blocs sont publiés sur un autre blockchain qui définit leur consensus sur la commande. 2.1. Optimism Socle rocheux Bedrock [11] est la dernière version de Optimism, un Smart Contract Rollup. La version précédente, la machine virtuelle optimiste (OVM) nécessitait un compilateur ad hoc pour compiler Solidity dans son propre bytecode : en revanche, Bedrock est tout à fait équivalent au EVM dans la mesure où le moteur d'exécution suit la spécification Ethereum Yellow Paper [12]. 2.1.1. Dépôts Les utilisateurs peuvent déposer des transactions via un contrat sur Ethereum, le portail Optimism, en appelant la fonction depositTransaction. Lorsqu'une transaction est exécutée, un L'événement TransactionDeposited est émis, que chaque nœud du Rollup écoute pour traiter dépôts. Une transaction déposée est une transaction L2 dérivée de L1. Si l'appelant du fonction est un contrat, l'adresse est transformée en lui ajoutant une valeur constante : cela évite attaques dans lesquelles un contrat sur L1 a la même adresse qu'un contrat sur L2 mais un code différent. L'inclusion sur L2 d'une transaction déposée est assurée par spécification au sein d'un séquençage fenêtre. Les transactions déposées sont un nouveau type de transaction compatible EIP-2718 [13] avec le préfixe 0x7E, où les champs codés rlp sont : • bytes32 sourceHash : hash qui identifie de manière unique la source de la transaction. • adresse de : l'adresse de l'expéditeur. • adresse à : l'adresse du destinataire, ou l'adresse zéro si la transaction déposée est une création de contrat.• uint256 mint : la valeur à créer sur L2. • valeur uint256 : la valeur à envoyer au destinataire. • données octets : les données d'entrée. • octets gasLimit : la limite de gaz de la transaction. Le sourceHash est calculé comme le keccak256 hash du bloc L1 hash et le journal L1 index, identifiant de manière unique un événement dans un bloc. Puisque les transactions déposées sont initiées sur L1 mais exécutées sur L2, le système a besoin d'un mécanisme permettant de payer sur L1 le gaz dépensé sur L2. Une solution consiste à envoyer de l'ETH via le portail, mais cela implique que chaque appelant (même les appelants indirects) doit être marqué comme payant, et ceci est pas possible pour de nombreux projets existants. L'alternative est de brûler le gaz correspondant sur L1. Le gaz 𝑔alloué à la transaction déposée est appelé gaz garanti. Le prix du gaz L2 sur L1 n'est pas automatiquement synchronisé mais est estimé à l'aide d'un mécanisme similaire à EIP-1559 [14]. La quantité maximale de gaz garantie par bloc Ethereum est de 8 millions, avec un objectif de 2 millions. La quantité 𝑐d’ETH nécessaire pour payer le gaz sur L2 est 𝑐= 𝑔𝑏L2 où 𝑏L2 est le frais de base sur L2. Le contrat sur L1 brûle une quantité de gaz égale à 𝑐/𝑏L2. Le gaz dépensé pour appeler depositTransaction est remboursé sur L2 : si ce montant est supérieur au gaz garanti, aucun gaz n'est brûlé. La première transaction d'un bloc rollup est une transaction déposée avec attributs L1, utilisée pour enregistrer sur un L2, prédéployez les attributs des blocs Ethereum. Les attributs que donne le pré-déploiement les accès sont le numéro de bloc, l'horodatage, les frais de base, le bloc hash et la séquence number, qui est le numéro de bloc de L2 par rapport au bloc L1 associé (également appelé époque) ; ce nombre est réinitialisé lorsqu'une nouvelle époque commence. 2.1.2. Séquençage Les nœuds Rollup dérivent entièrement la chaîne Optimism de Ethereum. Cette chaîne est prolongée à chaque fois de nouvelles transactions sont publiées sur L1, et ses blocs sont à chaque fois réorganisés Les blocs Ethereum sont réorganisés. Le Rollup blockchain est divisé en époques. Pour chaque 𝑛 numéro de bloc de Ethereum, il y a une époque 𝑛 correspondante. Chaque époque contient au moins un bloc, et chaque bloc d'une époque contient une transaction déposée avec des attributs L1. Le premier bloc dans une époque contient toutes les transactions déposées via le portail. Les blocs Layer 2 peuvent également contenait des transactions séquencées, c'est-à-dire des transactions envoyées directement au séquenceur. Le séquenceur accepte les transactions des utilisateurs et construit des blocs. Pour chaque bloc, il construit un lot à publier le Ethereum. Plusieurs lots peuvent être publiés de manière compressée, prenant le nom de la chaîne. Un canal peut être divisé en plusieurs trames, au cas où il serait trop grand pour une seule transaction. Un canal est défini comme la compression avec ZLIB [15] de fichiers codés en rlp. lots. Les champs d'un lot sont le numéro d'époque, l'époque hash, le parent hash, le l'horodatage et la liste des transactions. Une fenêtre de séquençage, identifiée par une époque, contient un nombre fixe 𝑤 de L1 consécutives blocs qu'une étape de dérivation prend en entrée pour construire un nombre variable de blocs L2. Pour époque 𝑛, la fenêtre de séquençage 𝑛inclut les blocs [𝑛, 𝑛+𝑤). Cela implique que la commande des transactions et des blocs L2 dans une fenêtre de séquençage n’est pas corrigé jusqu’à la fin de la fenêtre. Une transaction rollup est dite sécurisée si le lot la contenant a été confirmé sur L1. Cadressont lus à partir des blocs L1 pour reconstruire les lots. La mise en œuvre actuelle ne permet pas la décompression d'un canal doit commencer jusqu'à ce que toutes les trames correspondantes aient été reçues. Invalide les lots sont ignorés. Les transactions de bloc individuelles sont obtenues à partir des lots, qui sont utilisé par le moteur d'exécution pour appliquer des transitions d'état et obtenir l'état Rollup. 2.1.3. Retraits Afin de traiter les retraits, un système de messagerie L2 vers L1 est mis en place. Ethereum doit connaître l'état de L2 afin d'accepter les retraits, et cela se fait en publiant sur la sortie L2 Oracle smart contract sur L1, la racine d'état de chaque bloc L2. Ces racines sont acceptés avec optimisme comme valides (ou finalisés) si aucune vérification des défauts n'est effectuée pendant le période de litige. Seules les adresses désignées comme proposants peuvent publier des racines de sortie. La validité des racines de production est incité à ce que les proposants déposent une mise qui est réduite s'ils sont il a été démontré qu'il a proposé une racine invalide. Les transactions sont initiées en appelant la fonction initier un retrait sur un pré-déploiement sur L2 puis finalisé sur L1 en appelant la fonction finalizeWithdrawalTransaction sur le portail Optimism mentionné précédemment. La racine de sortie correspondant au bloc L2 est obtenue à partir de L2 Output Oracle ; c'est vérifié qu'il est finalisé, c'est-à-dire que le délai de contestation est écoulé ; il est vérifié que la Sortie Root Proof correspond à Oracle Proof ; il est vérifié que le hash du retrait est inclus en utilisant une preuve de retrait ; que le retrait n'est pas encore finalisé ; et puis le l'appel à l'adresse cible est exécuté, avec la limite de gaz, la quantité d'éther et les données spécifiées. 2.1.4. Cannon : le système sans faille Si un nœud complet de cumul, en exécutant localement des lots et des transactions déposées, découvre que l'état Layer 2 ne correspond pas à la racine d'état publiée en chaîne par un proposant, il peut s'exécuter une preuve de faute sur L1 pour prouver que le résultat de la transition de bloc est incorrect. À cause du surcharge, le traitement d'un bloc Rollup entier sur L1 est trop coûteux. La solution mise en œuvre par Bedrock est d'exécuter en chaîne uniquement la première instruction de désaccord de minigeth, le compiler dans une architecture MIPS qui est exécutée sur un interpréteur en chaîne et publiée sur L1. minigeth est une version simplifiée de geth 1 dans laquelle le consensus, le RPC et la base de données ont été supprimés. Pour trouver la première instruction de désaccord, une recherche binaire interactive est effectuée entre celui qui a initié la preuve de faute et celui qui a publié la racine de sortie. Quand la preuve démarre, les deux parties publient la racine de l'état mémoire MIPS à mi-chemin de l'exécution de le bloc sur le contrat Challenge : si le hash correspond cela signifie que les deux parties sont d'accord sur le première moitié de l'exécution publiant ainsi la racine de la moitié de la seconde moitié, sinon la moitié du premier semestre est publié et ainsi de suite. Cela permet d'obtenir la première instruction de désaccord en un nombre logarithmique d'étapes par rapport à l'exécution originale. Si l'un des deux s'arrête en interaction, à la fin de la période de contestation, l'autre participant gagne automatiquement. Pour traiter l'instruction, l'interpréteur MIPS a besoin d'accéder à sa mémoire : puisque la racine est disponibles, les cellules mémoire nécessaires peuvent être publiées en prouvant leur inclusion. Pour accéder l'état du EVM, on utilise le Preimage Oracle : étant donné le hash d'un bloc il renvoie 1https://geth.ethereum.org/docs

l'en-tête du bloc, à partir duquel on peut récupérer le hash du bloc précédent et remonter dans le chaîne, ou obtenez le hash de l'état et les journaux à partir desquels on peut obtenir la pré-image. Le oracle est implémenté par minigeth et remplace la base de données. Des requêtes sont adressées à d'autres nœuds pour obtenir les préimages.

Cumuls de validité

1. Cumuls de validité L'objectif d'un Validity Rollup est de prouver cryptographiquement la validité de la transition d'état. étant donné la séquence de transactions avec une courte preuve qui peut être vérifiée de manière sublinéaire par rapport au moment des calculs originaux. Ces types de certificats sont appelés preuves d'intégrité informatique et sont pratiquement implémentés avec des SNARK (Succint Non-interactive ARgument of Knowledge), qui utilisent l'arithmétique. circuits comme modèle informatique. Différentes implémentations de SNARK diffèrent en termes de temps de preuve, temps de vérification, nécessité d’une configuration fiable et résistance quantique [16, 17]. STARK (évolutif ARgument transparent de connaissances) [18] sont un type de SNARK qui ne nécessite pas de confiance configuration et sont résistants aux quantiques, tout en renonçant à une certaine efficacité en matière de preuve et de vérification par rapport à d'autres solutions. 3.1. StarkNet StarkNet est un cumul de validité de contrat intelligent développé par StarkWare qui utilise le STARK système de preuve pour valider son état à Ethereum. Pour faciliter la construction de preuves de validité, un une machine virtuelle différente de EVM est utilisée, dont le langage de haut niveau est Le Caire. 3.1.1. Dépôts Les utilisateurs peuvent déposer des transactions via un contrat sur Ethereum en appelant sendMessageToL2 fonction. Le message est enregistré en calculant son hash et en augmentant un compteur. Séquenceurs écoutez l'événement LogMessageToL2 et codez les informations dans une transaction StarkNet qui appelle une fonction d'un contrat qui a le décorateur l1_handler. En fin d'exécution, lorsque la preuve de transition d'état est produite, la consommation du message y est attachée et il est supprimé en diminuant son compteur. L'inclusion des transactions déposées n'est pas requise par la spécification StarkNet, donc un gaz un marché est nécessaire pour inciter les séquenceurs à les publier sur L2. Dans la version actuelle, parce que le Séquenceur est centralisé et géré par StarkWare, le coût des transactions déposées est uniquement déterminé par le coût d’exécution du dépôt. Ce coût est payé en envoyant ETH à sendMessageToL2. Ces Ethers restent verrouillés sur L1 et sont transférés vers le Séquenceur sur L1, lorsque la transaction déposée est incluse dans une transition d'état. Le montant d’ETH envoyé, si la transaction déposée est incluse, est entièrement dépensée, quelle que soit la quantité de gaz consommée sur L2. StarkNet ne dispose pas d'un système rendant automatiquement disponibles les attributs de bloc L1. Alternativement, Fossil est un protocole développé par Oiler Network 2 qui permet, étant donné un hash d'un bloc, toute information à obtenir auprès de Ethereum en publiant des préimages. 2https://www.oiler.network/3.1.2. Séquençage L'état actuel de StarkNet peut être entièrement dérivé de Ethereum. Toute différence d'état entre les transitions est publié sur L1 en tant que données d'appel. Les écarts sont publiés pour chaque contrat et sont enregistrés sous uint256[] avec le codage suivant : • Nombre de champs concernant les déploiements sous contrat. • Pour chaque contrat publié : – L’adresse du contrat publié. – Le hash du contrat publié. – Le nombre d’arguments du constructeur du contrat. – La liste des arguments du constructeur • Numéro de contrat dont le stockage a été modifié. • Pour chaque contrat modifié : – L’adresse du contrat modifié. – Le nombre de mises à jour du stockage. – Les paires clé-valeur des adresses de stockage avec les nouvelles valeurs. Les différences d'état sont publiées dans l'ordre, il suffit donc de les lire séquentiellement pour reconstruire l'État. 3.1.3. Retraits Pour envoyer un message de L2 à L1, l'appel système send_message_to_L1 est utilisé. Le message est publié en L1 en augmentant son compteur hash avec la preuve et finalisé en appelant le fonction consumeMessageFromL2 sur le StarkGate smart contract sur L1, qui décrémente le compteur. N’importe qui peut finaliser n’importe quel retrait. 3.1.4. Preuves de validité La machine virtuelle du Caire [19] est conçue pour faciliter la construction de preuves STARK. Le langage Cairo permet de décrire le calcul avec une programmation de haut niveau langage, et non directement comme un circuit. Ceci est accompli par un système d'équations polynomiales 3 représentant un seul calcul : le cycle FDE d'une architecture de von Neumann. Le numéro des contraintes est ainsi fixe et indépendant du type de calcul, ne permettant qu'un seul Programme vérificateur pour chaque programme dont le calcul doit être prouvé. StarkNet regroupe plusieurs transactions en une seule preuve STARK à l'aide d'un prouveur partagé nommé SHARP. Les épreuves sont envoyées à un smart contract le Ethereum, qui vérifie leur validité et met à jour la racine Merkle correspondant au nouvel état. Le coût sous-linéaire de la vérification d'un la preuve de validité permet d’amortir son coût sur plusieurs transactions. 3appelée Représentation Algébrique Intermédiaire (AIR)

Comparaison

1. Comparaison 4.1. Délai de retrait L'aspect le plus important qui distingue les cumuls optimistes des cumuls de validité est le temps qui s'écoule entre l'initialisation d'un retrait et sa finalisation. Dans les deux cas, les retraits sont initialisés sur L2 et finalisés sur L1. Le StarkNet, la finalisation est possible car dès que la preuve de validité de la nouvelle racine d'état est acceptée le Ethereum : en théorie, c'est possible de retirer des fonds dans le premier bloc de L1 suivant l'initialisation. En pratique, le la fréquence d'envoi des preuves de validité le Ethereum est un compromis entre la vitesse de blocage finalisation et agrégation des preuves. Actuellement, StarkNet fournit des preuves de validité à des fins de vérification. toutes les 10 heures 4, mais il est prévu de diminuer à mesure que l'activité de transaction augmente. Sur Optimism Bedrock il est possible de finaliser un retrait uniquement à la fin du litige période (actuellement 7 jours), après laquelle une racine est automatiquement considérée comme valide. La longueur de ce délai est principalement déterminé par le fait que les preuves de défauts peuvent être censurées le Ethereum jusqu'à sa fin. La probabilité de réussite de ce type d’attaque diminue de façon exponentielle à mesure que le temps augmente : E[valeur soustraite] = 𝑉𝑝𝑛 où 𝑛est le nombre de blocs dans un intervalle, 𝑉est le montant des fonds qui peuvent être soustraits en publiant une racine invalide, et 𝑝 est la probabilité de réussir une censure attaque en un seul bloc. Supposons que cette probabilité soit de 99 %, que la valeur verrouillée dans le Rollup est d'un million d'Ether, et que les blocs dans un intervalle sont de 1800 (6 heures de blocs avec un 12 secondes d'intervalle) : la valeur attendue est d'environ 0,01391 Ether. Le système est sécurisé par demander aux proposants de miser une quantité d’Ether beaucoup plus importante que la valeur attendue. Winzer et coll. a montré comment mener une attaque de censure en utilisant un simple smart contract cela garantit que certaines zones de mémoire dans l'état ne changent pas [20]. Modélisation de l'attaque en tant que jeu de Markov, l'article montre que la censure est la stratégie dominante pour une société rationnelle. producteur de bloc s'il reçoit une compensation plus élevée que l'inclusion de la transaction qui change la mémoire. La valeur 𝑝 discutée ci-dessus peut être considérée comme le pourcentage du bloc rationnel producteurs du réseau, où le « rationnel » ne prend pas en compte les éventuelles pénalisations des externalités, telles qu'une moindre confiance dans le blockchain qui diminue sa valeur de crypto-monnaie. Le code suivant présente un smart contract qui peut être utilisé pour effectuer une attaque de censure sur le substrat rocheux. L'attaque exploite les incitations des producteurs de blocs en leur offrant un pot-de-vin censurer les transactions qui modifieraient des parties spécifiques de l’État. Le principal du contrat la fonction,claimBribe, permet aux producteurs de blocs de réclamer le pot-de-vin s'ils réussissent à censurer la transaction ciblée en vérifiant que la racine de sortie invalide n'est pas touchée. fonction réclamerBribe (octets de mémoire storageProof) externe { require(!claimed[block.number], "pot-de-vin déjà réclamé"); Mémoire actuelle de la proposition de sortie = storageOracle.getStorage (L2_ORACLE, block.number, SLOT, stockageProof); require(invalidOutputRoot == current.outputRoot, "l'attaque a échoué"); réclamé[bloc.numéro] = vrai ; (bool envoyé, ) = block.coinbase.call{value: bribeAmount}(""); 4https://etherscan.io/address/0xc662c410c0ecf747543f5ba90660f6abebd9c8c4require(sent, "échec de l'envoi d'éther"); } Liste 1 : Exemple de contrat qui incite à une attaque de censure contre Bedrock. La durée du délai de contestation doit également tenir compte du fait que la preuve de la faute est une preuve interactive et donc suffisamment de temps doit être prévu pour que les participants puissent interagir et que toute interaction pourrait être censurée. Si le dernier coup se produit à un moment très proche du À la fin de la période de litige, le coût de la censure est nettement moindre. Même si la censure est la stratégie dominante, la probabilité de succès est plus faible car les nœuds de censure sont vulnérables aux Attaques par déni de service : un attaquant peut générer des transactions très complexes se terminant par le publication d'une preuve de défaut sans frais, car aucun frais ne serait payé. Dans les cas extrêmes, une longue période de litige permet une coordination en cas de succès attaque de censure pour organiser un fork et exclure les producteurs de blocs attaquants. Un autre une attaque possible consiste à publier plus de propositions de racine d'état que les parties en conflit ne peuvent en vérifier, ce qui peut être évité en utilisant une limite de fréquence. 4.1.1. Retraits optimistes rapides Étant donné que la validité d'un cumul optimiste peut être vérifiée à tout moment par n'importe quel nœud complet, un oracle de confiance peut être utilisé pour savoir sur L1 si le retrait peut être finalisé en toute sécurité. Ceci mécanisme a été proposé pour la première fois par Maker [21] : un oracle vérifie le retrait, publie le résultat sur L1 sur lequel un prêt rémunéré est attribué à l'usager, qui est automatiquement clôturé au bout de 7 jours, c'est à dire lorsque le retrait peut effectivement être finalisé. Cette solution introduit une hypothèse de confiance, mais dans le cas de Maker elle est minimisée puisque l'opérateur oracle est géré par la même organisation qui assume le risque en accordant le prêt. 4.2. Coûts de transaction Le coût des transactions L2 est principalement déterminé par l’interaction avec le L1. Dans les deux solutions le coût de calcul des transactions est très bon marché car elles sont exécutées entièrement hors chaîne. Optimism publie les données d'appel des transactions L2 en tant que données d'appel et exécute rarement (ou jamais) les erreurs. preuves, donc les données d'appel sont la ressource la plus chère. Le 12 janvier 2022, un réseau Bedrock a été lancé sur le réseau de test Goerli de Ethereum. Un taux de compression de gaz peut être calculé en suivant la quantité de gaz utilisée sur Bedrock au cours d'une certaine période et en la comparant à la quantité de gaz dépensée sur L1 pour les blocs correspondants. En utilisant cette méthode, une compression de gaz un taux de ∼20 : 1 est trouvé, mais ce chiffre peut différer en fonction de l'activité réelle sur le réseau principal. StarkNet publie sur Ethereum chaque changement d'état L2 sous forme de données d'appel, le stockage est donc la ressource la plus chère. Puisque le réseau n'utilise pas le EVM, le coût de transaction la compression ne peut pas être estimée de manière triviale. En assumant le coût d'exécution et les données d'appel pour être négligeable, il est possible de calculer le taux de compression des écritures de stockage par rapport à L1. En supposant qu'aucun contrat n'est déployé et que 10 cellules non accessibles précédemment sur StarkNet sont modifié, un taux de compression du coût d'écriture du stockage de ∼24 : 1 est trouvé. Si une cellule est écrasée 𝑛fois entre les publications de données, le coût de chaque écriture sera de 1/𝑛 par rapport au coût d'une seule écriture, puisque seule la dernière est publiée. Le coût peut être encore minimisé encompresser les valeurs fréquemment utilisées. Le coût de la vérification de la preuve de validité est réparti entre les transactions auxquelles il fait référence : par exemple, le bloc StarkNet 4779 contient 200 transactions et son la preuve de validité consomme 267 830 unités de gaz, soit 1 339,15 gaz pour chaque transaction. 4.2.1. Optimisation des données d'appel : contrat de cache Présenté ci-dessous est un smart contract qui implémente un cache d'adresses pour les adresses en profitant du fait que le stockage et l’exécution sont beaucoup moins coûteux ressources, ainsi qu’un contrat Amis qui démontre son utilisation. Ce dernier assure le suivi des « amis » d'une adresse qui peut être enregistrée en appelant la fonction addFriend. Si une adresse a déjà été utilisé au moins une fois, il peut être ajouté en appelant la méthode addFriendWithCache fonction : les indices du cache sont des entiers de 4 octets tandis que les adresses sont représentées par 20 octets, il y a donc une économie de 5:1 sur l'argument de la fonction. La même logique peut être utilisée pour d'autres données des types tels que des entiers ou plus généralement des octets. contrat AddressCache { mapping(adresse => uint32) adresse publique2key ; adresse[] clé publique2adresse ; function cacheWrite(address _address) renvoie interne (uint32) { require(key2address.length < type(uint32).max, "AddressCache : le cache est plein"); require(address2key[_address] == 0, "AddressCache : adresse déjà mise en cache"); // les clés doivent commencer à 1 car 0 signifie "introuvable" clé uint32 = uint32(key2address.length + 1); adresse2key[_address] = clé ; key2address.push(_address); clé de retour ; } la fonction cacheRead (uint32 _key) renvoie la vue publique (adresse) { require(_key <= key2address.length && _key > 0, "AddressCache : clé introuvable"); return key2address[_key - 1] ; } } Listing 2 : Contrat de cache d’adresses. Le contrat Amis est AddressCache { mapping(adresse => adresse[]) amis publics ; function addFriend (adresse _friend) public { amis[msg.sender].push(_friend); cacheWrite(_friend); } function addFriendWithCache(uint32 _friendKey) public { amis[msg.sender].push(cacheRead(_friendKey)); } la fonction getFriends() vue publique renvoie (adresse[] mémoire) { renvoyer les amis[msg.sender] ;} } Listing 3 : Exemple de contrat qui hérite du cache d'adresses. Le contrat prend en charge en cache environ 4 milliards (232) d'adresses, et l'ajout d'un octet donne environ 1 billion (240). 4.2.2. Optimiser le stockage : les filtres Bloom Sur StarkNet, il existe plusieurs techniques pour minimiser l'utilisation du stockage. S'il n'est pas nécessaire de garantir la disponibilité des données originales alors il suffit de sauvegarder en chaîne ses hash : ce est le mécanisme utilisé pour sauvegarder les données d'un ERC-721 (NFT) [22], c'est-à-dire un lien IPFS qui résout le hash des données si disponibles. Pour les données stockées plusieurs fois, il est possible d'utiliser une recherche table similaire au système de mise en cache introduit pour Optimism, exigeant que toutes les valeurs soient enregistrées dans au moins une fois. Pour certaines applications, la sauvegarde de toutes les valeurs peut être évitée en utilisant un filtre Bloom [23, 24, 25], c'est-à-dire une structure de données probabiliste qui permet de savoir avec certitude si un élément n'appartient pas à un ensemble mais admet une probabilité faible mais non négligeable de faux points positifs. Un filtre Bloom est initialisé sous la forme d’un tableau de 𝑚bits à zéro. Pour ajouter un élément, les fonctions 𝑘hash avec une distribution aléatoire uniforme sont utilisés, chacun correspondant à un bit du tableau défini à 1. Pour vérifier si un élément appartient à l'ensemble, nous exécutons les fonctions 𝑘hash et vérifions que les 𝑘bits sont fixés à 1. Dans un simple filtre de Bloom, il n’y a aucun moyen de distinguer si un l'élément appartient réellement à l'ensemble ou est un faux positif, une probabilité qui augmente avec le nombre des entrées augmente. Après avoir inséré 𝑛éléments : P[faux positif] = (︃ 1 - [︂ 1 −1 𝑚 ]︂𝑘𝑛)︃𝑘 ≈ (︁ 1 −𝑒−𝑘𝑛/𝑚)︁𝑘 en supposant l'indépendance de la probabilité de chaque ensemble de bits. Si 𝑛éléments (de taille arbitraire !) sont devrait être inclus et la probabilité d’un faux positif toléré est 𝑝, la taille du tableau peut être calculé comme suit : 𝑚= −𝑛ln 𝑝 (ligne 2)2 Alors que le nombre optimal de fonctions hash est : 𝑘= 𝑚 𝑛ln 2 Si l'on suppose insérer 1000 éléments avec une tolérance de 1%, la taille du tableau est de 9585 bits avec 𝑘= 6, alors que pour une tolérance de 0,1% cela devient 14377 bits avec 𝑘= 9. Si un million d'éléments sont censés être insérés, la taille du tableau devient environ 1 170 Ko pour 1 % et 1 775 Ko pour 0,1%, avec les mêmes valeurs de 𝑘, puisque cela dépend uniquement de 𝑝[26]. Dans un jeu où les joueurs ne doivent pas être assignés à un adversaire qu'ils ont déjà défié, au lieu de sauvegarder en mémoire pour chaque joueur la liste des anciens adversaires, on peut utiliser un Bloom filtre. Le risque de ne pas défier certains joueurs est souvent acceptable, et le filtre peut être réinitialisé périodiquement.4.3. Compatibilité Ethereum Le principal avantage d'être compatible avec EVM et Ethereum est la réutilisation de tous les outils. Les Ethereum smart contracts peuvent être publiés sur Optimism sans aucune modification ni de nouveaux audits. Les wallets restent compatibles, outils de développement et d'analyse statique, analyse générale outils, outils d'indexation et oracles. Ethereum et Solidity ont une longue histoire de recherches bien étudiées vulnérabilités, telles que les attaques de réentrée, les débordements et les sous-versements, les prêts flash et oracle manipulations. Grâce à cela, Optimism a pu capturer une grande quantité de valeur en un court laps de temps. le temps. Choisir d'adopter une machine virtuelle différente implique de devoir reconstruire tout un écosystème, avec l’avantage d’une plus grande liberté de mise en œuvre. StarkNet implémente le compte de manière native abstraction, qui est un mécanisme par lequel chaque compte est un smart contract qui peut implémenter logique arbitraire pour autant qu’elle respecte une interface (d’où le terme abstraction) : cela permet l'utilisation de différents schémas de signature numérique, la possibilité de modifier la clé privée à l'aide du même adresse, ou utilisez un multisig. La communauté Ethereum a proposé l'introduction de ce mécanisme avec EIP-2938 en 2020, mais la proposition est restée obsolète pendant plus d'un an car les autres mises à jour ont reçu plus de priorité [27]. Un autre avantage important tiré de la compatibilité est la réutilisation des clients existants : Optimism utilise une version de geth pour son propre nœud avec seulement ∼800 lignes de différence, ce qui a été développé, testé et maintenu depuis 2014. Avoir un client robuste est crucial car il définit ce qui est accepté comme valide ou non dans le réseau. Un bug dans l'implémentation de la preuve de faute Le système pourrait faire en sorte qu'une preuve incorrecte soit acceptée comme correcte ou une preuve correcte pour un invalide. le bloc soit accepté comme incorrect, compromettant ainsi le système. La probabilité de ce type de l'attaque peut être limitée avec une plus grande diversité de clients : Optimism peut réutiliser en plus de geth le d'autres clients Ethereum sont déjà maintenus et le développement d'un autre client basé sur Erigon est en cours déjà en cours. En 2016, un problème dans la gestion de la mémoire de geth a été exploité pendant un certain temps. L'attaque DoS et la première ligne de défense consistaient à recommander l'utilisation de Parity, le deuxième plus client utilisé à l'époque 5. StarkNet est confronté au même problème avec les preuves de validité, mais les clients doivent être écrits à partir de zéro et le système de preuve est beaucoup plus complexe, et par conséquent il est également beaucoup plus complexe de garantir l'exactitude.

Conclusion

1. Conclusion Les rollups sont la solution la plus prometteuse disponible aujourd'hui pour résoudre le problème d'évolutivité dans des blockchain décentralisés, ouvrant la voie à l'ère des blockchain modulaires par opposition aux blockchain monolithiques. Le choix de développer soit un Rollup Optimiste, soit un Rollup de Validité est principalement illustré comme un compromis entre complexité et agilité. StarkNet présente de nombreux avantages tels que la rapidité retraits, incapacité structurelle à avoir des transitions d'état invalides, coût de transaction inférieur au au prix d'une période de développement plus longue et d'une incompatibilité avec EVM, alors que Optimism a a tiré parti de l’économie de réseau pour conquérir rapidement une part importante du marché. Optimism Bedrock possède cependant une conception modulaire qui lui permet de devenir un Validity 5https://blog.ethereum.org/2016/09/22/ethereum-network-currently-undergoing-dos-attack

Rollup dans le futur : Cannon utilise actuellement minigeth compilé en MIPS pour sa preuve de panne système, mais la même architecture peut être utilisée pour obtenir un circuit et produire des preuves de validité. Compiler une machine complexe telle que la EVM pour une microarchitecture aboutit à un système plus simple. circuit qui n’a pas besoin d’être modifié et revérifié en cas de mises à niveau. RISC Zéro est un microarchitecture vérifiable avec des preuves STARK déjà en développement basées sur RISC-V qui peut être utilisé à cette fin comme alternative à MIPS [28]. Un aspect à ne pas sous-estimer est la complexité de comprendre comment le la technologie fonctionne. L’un des points forts des blockchain traditionnels est de pouvoir vérifier l’état de le blockchain sans faire confiance à aucune entité tierce. Cependant, dans le cas de StarkNet, il est nécessaire de faire confiance à la mise en œuvre lorsqu'il n'est pas possible de vérifier les différents composants basé sur la cryptographie et les mathématiques avancées. Cela peut initialement créer des frictions pour le l'adoption de la technologie, mais à mesure que les outils et l'utilisation des preuves d'intégrité progressent encore en dehors du champ blockchain, ce problème sera, espérons-le, résolu.