L2 - 深入理解OVM

Optimistic Rollup是Layer2潜在的一种方案。周末有点时间，在网络上翻了翻。网络上的文章，Optimistic Rollup深入技术的文章不多，介绍OVM底层技术细节的文章则更少。感兴趣看了看Optimism实现的OVM功能相关的智能合约，对Optimistic Rollup的理解很有帮助。总结一下，感兴趣的小伙伴可以看看。

1. Optimistic Rollup vs. zk Rollup

网络上对比这两种Rollup的方案文章不多。主要的一篇文章是：

https://medium.com/matter-labs/optimistic-vs-zk-rollup-deep-dive-ea141e71e075

国内也有对应的翻译文章：

Optimistic Rollup vs. ZK Rollup 对比

具体的性能和安全性对比，感兴趣的小伙伴可以直接看这篇文章。个人觉得，因为方案都不够成熟，目前方案能够达到的TPS都只是理论值。没必要太多的讨论。主要说说两种Rollup的技术实现的区别：

两种方案都是Rollup，Layer2的所有Transaction的信息都会作为CallData“存储”在Layer1，并且Layer2的状态也及时同步到Layer1。两者的区别在于，Layer2的状态在Layer1的正确性保证。Optimistic Rollup采用的是“检察”的方式，任何一个节点发现Layer2的状态的错误，提交相关的证明。如果错误的状态被验证，在Layer1的Layer2的状态需要回滚，提交错误状态的节点被惩罚。zk Rollup采用的方式直接了当，在向Layer1提交Layer2状态的同时，提交相关状态改变的证明。这些证明都是在Layer2生成。也就是说，zk Rollup在向Layer1提交Layer2状态的同时，同时提交了Layer2状态转换的计算证明。这个计算证明是通过零知识证明的算法产生。简单的说，如果转换的状态复杂，生成零知识证明的时间越长。

目前，zk Rollup只是支持简单的账户系统以及世界状态，并不能支持智能合约等复杂的世界状态。Optimistic Rollup虽然能支持智能合约，事实上，因为Layer1的计算能力比较弱，智能合约的支持也比较有限。Optimistic Rollup支持的智能合约的执行环境，类似EVM，称为 OVM（Optimistic Virtual Machine）。

2 OVM

OVM - Optimistic Virtual Machine。OVM是Layer2交易的执行环境。因为提交到Layer1的状态需要检验正确性，Layer1需要“重放”Layer2的交易，也就是说，Layer1在有些情况下需要执行OVM交易的执行。Optimistic Rollup最复杂的地方也在于此，用EVM模拟OVM，并执行Layer2的交易。

Optimism实现了EVM模拟OVM的逻辑，相关的项目的Github地址：

https://github.com/ethereum-optimism/contracts-v2

本文中使用的代码的最后一个提交信息如下：

commit ca1fede6c8cb9e4eacd8205c1d53284d0c8debdc
Author: Mark Tyneway 
Date:   Fri Oct 30 12:14:50 2020 -0700

 deploy: use layer 2 chainid (#42)

核心代码在contracts-v2/contracts/optimistic-ethereum/OVM目录中。除了OVM目录，iOVM目录是接口定义，libraries目录是各种库的实现，包括编解码，二叉树等等。

2.1 OVM/chain

Layer1的智能合约中用两条链维护交易信息和状态信息，分别是CanonicalTransactionChain和StateCommitmentChain。

Layer2的所有的交易信息，一个个Batch的通过CallData提交到Layer1。每个Batch中的交易的Hash信息组织成Merkle树。简单的说，CanonicalTransactionChain存储的是一个个Batch交易的Merkle树根。这些树根用来判断某个具体的交易是否在链中。

Layer2的世界状态，通过一个个交易的状态改变来表示。每个交易后的状态也是通过一个个Batch提交到Layer1。每个Batch中的状态，也再次组织成Merkle树。这些树根用来判断某个状态是否在链中。

具体两条链的存储信息，可以查看源代码：OVM_CanonicalTransactionChain.sol和OVM_StateCommitmentChain.sol。

2.2 OVM/execute

execute是OVM在EVM执行的核心逻辑，包括ExecuteManager，StateManager以及SafetyChecker。对应的源代码分别是：OVM_ExecutionManager.sol，OVM_SafetyChecker.sol和OVM_StateManager.sol。

ExecuteManager是整个智能合约执行环境以及指令集的处理。OVM其实和EVM逻辑上采用同样的指令集，但是在OVM的环境下，特别在Layer1的EVM执行OVM时，需要将这些指令集“转义”。之所以叫OVM的原因，可能很大程度为了区分EVM，表述方便。蛮多指令需要转义，把OVM在Layer1的实现想象成虚拟机。这些指令包括：TIMESTAMP，CALL，STATICCALL，DELEGATECALL，GASLIMIT，SLOAD，SSTORE等等。一个交易的执行从ExecuteManager的run函数开始：

 function run(
 Lib_OVMCodec.Transaction memory _transaction,
 address _ovmStateManager
 )

run函数提供了执行的交易，以及执行交易前的状态。

StateManager实现了智能合约以及账户的存储状态管理。ExecuteManager在执行一个交易时会通过StateManager更新状态。

SafetyChecker检查OVM的指令合约中的指令集是否正常，有没有超过目前可以执行的范围。安全性检查通过OVM_SafetyChecker.sol的isBytecodeSafe函数实现。

 function isBytecodeSafe(
 bytes memory _bytecode
 )
 override
 external
 pure
 returns (bool)
 {

2.3 OVM/verification

verification是OVM调用的业务逻辑。在Layer1，只是在验证的时候才需要通过OVM执行判断某个交易执行是否正确。verification逻辑中包括了BondManager（抵押管理），StateTransitioner（状态转换管理）和FraudVerifier（错误状态验证逻辑）。FraudVerifier逻辑是最核心的逻辑。整个验证过程的逻辑调用关系如下：

通过调用initializeFraudVerification函数，开始让Layer1开始验证某个交易执行后的状态是否正确。StateTransitioner准备交易之前的世界状态以及交易执行的中间状态存储。在世界状态准备就绪后（proveContractState/proveStorageSlot），通过调用ExecutionManager的run函数执行交易并更新状态。更新后的状态通过StateTransitioner的completeTransition函数生成世界状态。生成的世界状态和提交的世界状态进行对比，如果不一致，之前提交世界状态的节点通过BondManager进行惩罚。

仔细的分析一下FraudVerifier的initializeFraudVerification和finalizeFraudVerification函数。先从initializeFraudVerification函数开始：

 function initializeFraudVerification(
 bytes32 _preStateRoot,
 Lib_OVMCodec.ChainBatchHeader memory _preStateRootBatchHeader,
 Lib_OVMCodec.ChainInclusionProof memory _preStateRootProof,
 Lib_OVMCodec.Transaction memory _transaction,
 Lib_OVMCodec.TransactionChainElement memory _txChainElement,
 Lib_OVMCodec.ChainBatchHeader memory _transactionBatchHeader,
 Lib_OVMCodec.ChainInclusionProof memory _transactionProof
 )

_preStateRoot是之前的世界状态的Merkle树根。通过_preStateRootBatchHeader和_preStateRootProof可以验证某个状态是在StateCommitmentChain上。

 require(
 ovmStateCommitmentChain.verifyStateCommitment(
 _preStateRoot,
 _preStateRootBatchHeader,
 _preStateRootProof
 ),
 "Invalid pre-state root inclusion proof."
 );

_transction信息是需要验证的交易信息。通过_txChainElement，_transactionBatchHeader以及_transactionProof可以验证某个交易是否在CanonicalTransactionChain上。

 require(
 ovmCanonicalTransactionChain.verifyTransaction(
 _transaction,
 _txChainElement,
 _transactionBatchHeader,
 _transactionProof
 ),
 "Invalid transaction inclusion proof."
 );

在确定了交易以及状态都合法后，创建StateTransitioner准备执行交易。

 transitioners[_preStateRoot] = iOVM_StateTransitionerFactory(
 resolve("OVM_StateTransitionerFactory")
 ).create(
 address(libAddressManager),
 _preStateRootProof.index,
 _preStateRoot,
 Lib_OVMCodec.hashTransaction(_transaction)
 );

执行交易的逻辑，直接忽略，感兴趣的小伙伴可以看OVM_StateTransitioner.sol的applyTransaction函数。交易执行完，通过finalizeFraudVerification函数检查执行后的世界状态的结果。

 function finalizeFraudVerification(
 bytes32 _preStateRoot,
 Lib_OVMCodec.ChainBatchHeader memory _preStateRootBatchHeader,
 Lib_OVMCodec.ChainInclusionProof memory _preStateRootProof,
 bytes32 _postStateRoot,
 Lib_OVMCodec.ChainBatchHeader memory _postStateRootBatchHeader,
 Lib_OVMCodec.ChainInclusionProof memory _postStateRootProof
 )

先检查提供的两个世界状态是否在StateCommitmentChain上存在：

 require(
 ovmStateCommitmentChain.verifyStateCommitment(
 _preStateRoot,
 _preStateRootBatchHeader,
 _preStateRootProof
 ),
 "Invalid pre-state root inclusion proof."
 );

 require(
 ovmStateCommitmentChain.verifyStateCommitment(
 _postStateRoot,
 _postStateRootBatchHeader,
 _postStateRootProof
 ),
 "Invalid post-state root inclusion proof."
 );

并且，保证两个状态是连续的：

 require(
 _postStateRootProof.index == _preStateRootProof.index + 1,
 "Invalid post-state root index."
 );

查看OVM执行的世界状态是否和提交的状态一致：

 require(
 _postStateRoot != transitioner.getPostStateRoot(),
 "State transition has not been proven fraudulent."
 );

如果不一致，需要回滚世界状态：

 ovmStateCommitmentChain.deleteStateBatch(
 _postStateRootBatchHeader
 );

并且对提交世界状态的节点进行惩罚：

 ovmBondManager.finalize(
 _preStateRoot,
 _postStateRootBatchHeader.batchIndex,
 publisher,
 timestamp
 );

简单的看，OVM在EVM的模拟，涉及到两个重要的点：1/之前世界状态的表示 2/当前交易的执行。整个逻辑涉及到多次Layer1的交易，除此之外，还需要足够的时间保证链上数据能够同步并检查。目前，世界状态的挑战过程必须在相应交易后的7天内完成：

 /// The dispute period
 uint256 public constant disputePeriodSeconds = 7 days;

总结：

Optimistic Rollup是Layer2潜在的一种方案。和zk Rollup一样，所有Transaction的信息都会作为CallData“存储”在Layer1。在Layer2， Optimistic Rollup通过OVM执行智能合约，并使用“检察”的方式确定Layer2世界状态在Layer1的正确性。Optimistic Rollup的难点也在OVM，需要在EVM的基础上模拟OVM的执行，并判断状态的正确性。目前，Optimistic Rollup的挑战期为7天。也就是说，只有7天前的状态是“确定”的，不会回滚。