Arbitrum：区块链扩容的未来？

从历史角度而言，以太坊的 Gas 费用曾三次飙升至天文数字的高度：2017 年的牛市期间、2020 年的 DeFi 之夏以及 2021 年的 NFT 之夏。如下图所示：

上图：2015年至2021年11月的以太坊网络 Gas 费用上涨情况。

每次 Gas 费再次飙升时，围绕以太坊区块链可扩展性的讨论就会再次燃起，与此同时更多人则争先恐后地寻找下一个与之竞争的区块链网络。实际上，高涨的 Gas 费用只是我们必须应对的冰山一角。当前 Gas 费用如此之高的原因是因为以太坊无法扩展，也即对交易的需求仍然比以太坊区块链每次实际能够处理的更多。

理解可扩展性之争

区块链被创建为一种以去中心化的方式处理交易并将其记录在区块中的模式，从而避免了双花问题和依赖可信机构。早期的区块链网络，如比特币和以太坊，是基于它们的 PoW (工作量证明) 共识模式来处理和记录这些交易。

在 PoW 模式中，一旦某笔交易被发起，则该笔交易将被放入一个等待被处理的交易池中，并被广播给网络中的所有节点。尽管会被广播给了所有节点，但只会有一个节点成功解决计算难题并将这笔交易连同其他的交易一起添加到某个区块中，并获得交易费作为奖励。

首先，由于在交易被验证之前和之后，必须将交易广播到网络中，这会使交易的处理时间很长。其次，解决数学难题所需的计算能力会消耗大量电力。最后，每个区块对于其中能够包含多少笔交易有着有限的区块空间，这造成了用户之间竞争并推高 Gas 费用，甚至有时超过了交易价值。随着越来越多的 dApps (去中心化应用) 使用区块链技术来处理和存储交易 <span ql-global="true"  droid="" font-size:=""  margin-top: 0pt;font-size: 11pt;color: rgb(73, 73, 73);line-height: 2em;"> 

因此，为了解决这些问题，以太坊必须进行扩展，从而增加网络可以处理的交易数量 (以 TPS (每秒交易量) 衡量) 以及交易速度。为此，已经开发了许多可扩展性解决方案，主要包括以太坊2.0、其他竞争性的 L1 区块链网络、侧链以及 L2 方案。像以太坊2.0、Polkadot 和 Solana 等 L1 网络从结构上改变了当前以太坊网络的底层共识和出块规则，而 L2 方案则是构建在以太坊主网及其协议之上。

在这场竞争中脱颖而出的少数区块链/L2网络将为整个 DeFi 领域、NFTs 提供动力，维持 DAOs 和虚拟世界，同时也支持整个创作者经济和元宇宙。下面我们将详细阐述为什么我们认为像 Arbitrum (由 Marc Cuban、Polychain Capital 和Pantera Capital 等投资) 这样的 L2 方案至少在未来5年内将引领以太坊的可扩展性。

02. 概述以太坊可扩展性方案

如上所述，扩展指的是增加交易吞吐量和交易速度。以下是目前旨在实现这一目标的现有方案：

上图：2021年可扩展性解决方案格局，制图：@yasminekarimi_

扩展区块链生态系统有两种方式：

L1 解决方案

L1 (第一层) 解决方案通过处理区块链的底层协议，也即主网区块链本身的代码，以此来增加区块链的交易吞吐量。它们可以进一步划分为：

1) 协议改进

协议改进是指对底层协议进行的更改来扩大交易吞吐量，这主要是通过增加单个区块中可以包含的交易数量 (仅在短期内可持续)，减少区块创建之间的时间差，或者从 PoW 共识模式向 PoS 的结构性转变来实现。与 PoW 模式不同，PoS 根据验证者质押的区块链原生代币的数量来选择验证者。由于验证者是在此基础上选择的，因此不需要大量的计算能力，也不存在导致 Gas 费达到天文数字的矿工之间的竞争。验证交易所需的时间要少得多，因为单个节点不需要投入那么多的处理能力，正如 Solana (50,000 TPS) 和 Polkadot (1000 TPS) 等基于 PoS 的区块链所展现的那样。相比之下，当前的以太坊只能处理 16 PTS。

2) 分片

分片 (sharding) 是指将一个区块链的计算任务和数据空间划分为多条链，比如 Eth2.0 中将会有许多条分片链。对区块链协议实施分片直观地意味着将初始网络的节点划分为更小的组，其中每个小组负责验证网络中待处理交易的不同子集，并存储全局状态的子集。将节点分配到分片链的方式是一种通过 VRF (可验证随机函数) 来实现的加密抽签机制，以避免出现在单个分片中包含大部分恶意节点并接管该分片的情况。由于在分片中，交易被分配给特定的节点来进行验证，而不是由整个区块链网络进行验证，因此不存在导致高昂交易费的竞争，而且交易速度也更快，进而增加了每秒可以处理的交易数量。Vitalik Buterin 表示，在以太坊2.0上，分片和 PoS 共识模型应该能够实现 100,000 TPS。

L2 解决方案

上述 L1 解决方案主要是改变区块链协议，而 L2 (第二层) 解决方案则是由构建在链上的智能合约来实现对 L1 的扩展。通过将交易执行外包给 L2 网络来进行，然后 L2 网络再将交易处理结果汇报给 L1 网络，从而为待处理交易创造了额外的空间。当前有多种方式可以实现这一点：

1) 侧链

你可以将资产转移到交易费用和速度更优的侧链 (Sidechains) 上，比如 xDai 使用委托权益证明共识机制实现快速的交易时间 (5秒) 和低交易费用 ($0.000021)。跨链资产转移是通过一个双向锚定协议(2WP) 来实现的，该协议首先将资产在第一个区块链网络 (比如以太坊) 中锁定，然后在第二个区块链网络 (比如 Polygon) 中创建一笔交易，这笔交易的输入包含了有关该资产锁定操作正确的加密证明。其中一个很好的侧链例子就是 Polygon。

2) Plasma

Plasma 是在区块链中构建区块链。资产被发送到管理 Plasma 链的智能合约。Plasma 链执行交易，只有区块头哈希才会被提交到根链 (比如以太坊) 上，除非有欺诈证明表明存在欺诈问题，这种情况下 Plasma 区块将被回滚，且该区块创建者将被惩罚。这种机制带来了巨大的可扩展性，因为根链状态更新的最小化可以使交易更快进行。

3) 通道

通道 (Channels) 是一种允许参与者进行 X 次链下交易但仅需向以太坊提交 2 次链上交易的开源协议和智能合约。当用户第一次打开通道时，他们必须创建并支付一笔以太坊交易；当他们准备关闭通道时，他们必须再次支付费用以在以太坊链上处理一笔交易。这减少了必须处理和存储的交易数量，并将 Gas 费用降低到只用于打开和关闭一个通道。在以太坊上利用状态通道的主要项目有 State Channels、Celer、Perun 和 Raiden。

4) Rollups

Rollups 通过使用压缩工具将交易以分批次的方式在链下进行验证，之后再将数据存储在 L1 上，从而为 L1 主网 (比如以太坊) 带来扩容。压缩和批处理能带来更高的吞吐量，加快交易速度和最小化每笔交易的成本。

有两种不同类型的 Rollups 依赖于这种验证方法：Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups。验证交易是指检查交易在 Rollups 批次中被执行之后的状态根 (包括在 Rollup 中的账户余额、合约代码等) 是否正确。ZK-Rollups 会为每个交易批次生成一个称为 zk-SNARK 的有效性证明；而 Arbitrum 等 Optimistic Rollups 会“乐观地”假设交易的有效性，只有当某个节点怀疑某笔交易存在欺诈时才会执行计算证明 (也即提交欺诈证明) ，从而能够进一步提高交易速度和吞吐量。

作为用户，我如何与 Arbitrum 交互？

作为用户，你很可能会与 Arbitrum 进行交互，以使用上面的任何 dApps (比如 Uniswap 或 Aave)，这些 dApps 通常在以太坊上也可以使用但需要更高的费用。具体来说，首先将 Arbitrum One 网络添加到你的 Metamask 钱包中，连接该网络并将资产桥接到该网络中。

为什么 Arbitrum 在不久的将来将引领以太坊的可扩展性？

1) Arbitrum 解决了区块链的三难困境：可扩展性、去中心化和安全性。

仅仅拥有可扩展性是不够的。在增加交易吞吐量的同时，区块链网络必须保持区块链技术的两个基本属性：去中心化和安全性。这被称为区块链的「三难困境」。截至目前，唯一满足所有这三个属性的以太坊可扩展性方案是像 Arbitrum 这样的 Rollups 网络。截至截至 2021 年 9 月 12 日，在 Arbitrum 上处理的交易总数达 356 万笔，每日最多可达 26.8 万笔。

上图：Arbitrum 网络上的每日总交易量 (蓝线) 和网络每日 Gas 总费用 (绿线) 变化趋势。

在处理能力方面，Arbitrum 网络应该可以实现 40,000 TPS，并且平均成本要比使用以太坊基础层要低 5 倍 (根据 l2fees.info 的数据，撰文时 Arbitrum 的费用约为2美元，而以太坊网络约为10美元)。除此之外，Arbitrum 实际上正在致力于进一步降低 90%-95% 的费用，这意味着用户将能够以几十美分的成本来铸造一枚 NFT 或转移 ETH。Arbitrum 网络上每日花费的 Gas 总费用也一直低于以太坊。唯一值得注意的 Gas 日总费用高峰是在 9 月 12 日一个名为 ArbiNYAN 的 L2 收益农场在 Arbitrum 上推出，如下图所示：

上图：Arbitrum 网络每日的 Gas 总费用 (蓝线) 对比以太坊网络每日的 Gas 总费用 (绿线)。

Arbitrum 在实现更高吞吐量的同时，从以太坊 L1 共识中获得了安全性。相比之下，早期的 L1 区块链网络 (比如当前的以太坊和比特币网络) 优先考虑去中心化和安全性，但牺牲了可扩展性，当前以太坊网络高昂的 Gas 费用就证明了这一点。类似地，其他竞争性的 L1 区块链 (比如 Solana 和 EOS 等) 牺牲了去中心化，因为这两个网络分别只有 150 个和 21 个节点能够控制它们的网络。反过来，这种中心化也会影响网络的安全性，因为这增加了 51% 攻击的可能性。

同样，侧链也可能在网络中带来攻击向量，因为侧链依赖于自身的共识和区块验证模式。另一个安全性有限的例子是协议改进，因为拥有更大区块大小的区块链本质上会更难以验证，并很可能变得更加中心化，进而更加不安全。但需要注意的是，并不是所有 Rollups 网络在其早期阶段都是去中心化的，尽管大多数 (如果不是全部) Rollups 都致力于逐步实现去中心化。

2) 从 EVM 兼容性到 EVM 等效性

截止当前，Arbitrum 是最兼容 EVM(以太坊虚拟机) 的 L2 解决方案之一。EVM 兼容性使得开发者将现有的以太坊应用迁移到 Rollups 网络变得轻而易举，因为他们无需重写大部分代码。Arbitrum 是当前最大的以太坊 L2 网络，撰文时其 DeFi 协议中锁定的总价值 (TVL) 超过了 25 亿美元。

当前，Arbitrum 网络已经支持了现有的以太坊 dApps，比如 Uniswap、1inch、Aave、Balancer、Curve、MakerDAO、Gnosis Safe 等等。相比之下，当前的 ZK-Rollups 和支付通道仅支持简单的支付、交易和其他特定于应用程序的用例。此外，Arbitrum 当前共有 2361 个经验证的 (应用) 智能合约，自 9 月份以来平均每天增加 12 个合约，如下图所示：

上图：Arbitrum 网络中每日验证的合约数量。图源：Arbiscan.io

随着越来越多的 dApps 集成到 Arbitrum 网络中，Arbitrum 不仅对开发者很有吸引力，而且对用户也很有吸引力。这一点可以通过使用 Arbitrum 的唯一地址数的增长得到印证，如下图所示：

上图：Arbitrum 网络中的唯一地址数增长情况。图源：Arbiscan.io

在这些地址中，Smart Money (聪明的钱) 地址似乎已经转移到了 Arbitrum。如下图所示，使用了以太坊网络的 ETH 百万富翁中有 50% 也使用 Arbitrum。(注：ETH 百万富翁地址是指 ETH 余额至少为 1,000,000 美元的地址。)

3) Arbitrum 构建在智能合约领域王者 (即以太坊) 之上

我们相信像 Arbitrum 这样的 Rollups 将在未来几年主导以太坊可扩展性的另一个原因是，它们是建立在以太坊之上，而以太坊是智能合约领域的王者。这给了它们先发优势。首先，以太坊仍然是世界上使用最多的区块链协议，有超过 3000 个 dApps，为整个 DeFi 生态系统、 NFT项目、DAOs 和虚拟世界提供了动力。在这方面，比特币是唯一可以与之相提并论的区块链，但比特币缺乏托管 Rollups 网络的能力。

然后，不像大多数人认为的以太坊2.0将淘汰 Rollups，考虑到以太坊 2.0在几年后才会全面部署，Arbitrum 等 Rollups 实际上是首要的可扩展性解决方案。以太坊2.0将要实现的数据分片 (data sharding) 将专注于加速 Rollups。通过分片来划分交易历史记录，同时 Rollups 将自己注册到特定的分片链中，Rollups 的可扩展性吞吐量将迎来指数增长，到 2030 年可能达到 1400 万 TPS。

由于这些原因，很明显，像 Arbitrum 这样的 Rollups 将在不久的将来引领以太坊可扩展性解决方案的浪潮。

Rollups 当前的一些挑战

针对 Rollups 的第一个批评是，Optimistic Rollups 的取款时间很长 (可能需要 7 天时间)。取款操作需要延迟，从而让观察者有时间在疑似欺诈的情况下发布欺诈证明和取消取款操作。

同时，确保 Optimistic Rollups 网络安全的条件是至少有一个节点是诚实的，并识别欺诈性交易。

此外，Rollups 还处于早期阶段，还不具备互操作性，尽管我们可以预计跨 Rollups 转移资产和数据将会变得越来越容易。话虽如此，我们已经有了像 Hop Protocol、Connext、cBridge 和 Biconomy 这样的互操作性解决方案。

最后，许多人认为，以太坊的流动性在不同的 Rollups 之间是碎片化的。但由于用户有动机去获取尽可能最好的价格，随着时间的推移，我们可以看到流动性会累积到 Arbitrum 等 Rollups 网络中。

未来的可扩展性范式

实际上，从长远来看，Rollups 的潜力并不局限于以太坊。实际上，未来的可扩展性解决方案将是一个更加复杂的系统，由多个 L1 区块链上相互依赖的可扩展性项目组成。尽管如此，在这个复杂的未来，我们可以预期三个主要趋势。

如上所述，在短期内，以太坊上的 Rollups (如 Arbitrum) 将主导可扩展性方案的格局，并将通过以太坊2.0及其分片方案的部署进一步增强。L2 方案 (包括但不限于 Rollups) 将继续发展并并提高性能，从而在交易执行方面与其他 L1 网络竞争。

第二个趋势是，当其他 L1 网络达到满负荷运行时，它们将开始在主网上构建 Rollups。事实上，大多数人仍然不能理解的是，每个 L1 网络都需要 Rollups，以太坊只是第一个为此准备了很长一段时间 (从2015年开始) 的 L1 网络。例如，Tezos 正在采用一个以 Rollup 为中心的路线图。同样地，NEAR、Celestia 和 Polygon 也是如此，Polygon 最近宣布了其先进的 zk-STARKs 解决方案 Polygon Maiden。

事实上，考虑到对以太坊和区块链技术的需求是不断增长的，我们也可以预期，所有的可扩展性解决方案都是有效和必要的，以满足当前和未来市场参与者日益增长的需求。

总结

总之，高昂的 Gas 费用的确只是冰山一角。以太坊自诞生以来就一直面临着可扩展性问题，今天有许多可扩展性解决方案都在致力于解决这个问题。其中，Arbitrum 是目前最大的以太坊 L2 网络，也是在未来几年里最有可能主导可扩展性解决方案的 Rollup 网络。

Arbitrum 已被证明能够在不牺牲去中心化和安全性的情况下扩展以太坊。由于用户希望获得尽可能好的价格，越来越多的开发者将在 Arbitrum 上进行构建，因为它是最兼容 EVM 的 L2 方案之一。除了以太坊，Rollups 将在其他竞争性的 L1 网络中采用，并融合到日益复杂的可扩展性解决方案格局中。