Arbitrum：区块链扩容的未来？

从历史来看，以太坊的Gas费曾三次飙升至天文高度：2017年牛市期间、2020年DeFi盛夏、2021年NFT盛夏。如下图：

上图：从 2015 年到 2021 年 11 月，以太坊网络的汽油费增加。

每当 gas 费用再次飙升时，围绕以太坊区块链可扩展性的讨论就会重新点燃，同时更多的人争先恐后地寻找下一个竞争性区块链网络。 事实上，高昂的 gas 成本只是我们要应对的冰山一角。 目前 gas 费用如此之高的原因是以太坊无法扩展，即交易需求仍然比以太坊区块链每次实际处理的要多。

01. 了解可扩展性争论

区块链被创建为一种处理交易并以去中心化方式将其记录在块中的模式，避免了双重支出问题和对可信机构的依赖。 早期的区块链网络，如比特币和以太坊，基于他们的 PoW（工作量证明）共识模型处理和记录这些交易。

在 PoW 模式下，一旦发起交易，交易将被放入交易池中等待处理，并广播到网络中的所有节点。 虽然它被广播到所有节点，但只有一个节点成功解决了计算难题并将该交易与其他交易一起添加到一个区块中，并获得交易费奖励。

首先，交易需要很长时间才能处理，因为它们必须在验证之前和之后广播到网络。 其次，解决数学难题所需的计算能力消耗大量电力。 最后，每个区块的区块空间数量有限，无法容纳多少笔交易，这会在用户之间造成竞争并推高 Gas 成本，有时甚至超过交易价值。 随着越来越多的 dApp（去中心化应用程序）使用区块链技术来处理和存储交易（目前约有 3,000 个 dApp），这种情况变得越来越成问题。

因此，为了解决这些问题，以太坊必须扩展，从而增加网络可以处理的交易数量（以 TPS（每秒交易数）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、其他竞争的 L1 区块链网络、侧链和 L2 解决方案。 以太坊2.0、Polkadot、Solana等L1网络在结构上改变了当前以太坊网络的底层共识和区块生成规则，而L2解决方案则建立在以太坊主网及其协议之上。

从这场比赛中脱颖而出的少数区块链/L2 网络将为整个 DeFi 空间、NFT、维持 DAO 和虚拟世界提供动力，同时也支持整个创作者经济和元宇宙。 下面我们将详细说明为什么我们相信像 Arbitrum（由 Marc Cuban、Polychain Capital 和 Pantera Capital 等投资）这样的 L2 解决方案将至少在未来 5 年内引领以太坊的可扩展性。

02. 以太坊扩容解决方案概述

如上所述，扩展是指提高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，由@yasminekarimi_ 绘制

扩展区块链生态系统有两种方式：

L1溶液

L1（Layer 1）解决方案通过处理区块链的底层协议，即主网区块链本身的代码，来增加区块链的交易吞吐量。 它们可以进一步分为：

1) 协议改进

协议改进是指对底层协议进行的更改以扩大交易吞吐量，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延迟，或者从实现 PoW 共识模型向 PoS 的结构转变。 与 PoW 模型不同，PoS 是根据验证者质押的区块链原生代币数量来选择验证者。 由于验证者是在此基础上选择的，因此不需要大量的算力，也没有矿工之间的竞争导致天文数字的 gas 费用。 验证交易所需的时间要少得多，因为各个节点不需要投入那么多的处理能力，正如基于 PoS 的区块链所证明的那样，例如 Solana（50,000 TPS）和 Polkadot（1000 TPS）。 相比之下，目前的以太坊只能处理 16 个 PTS。

2）碎片化

分片是指将一个区块链的计算任务和数据空间分成多条链，比如Eth2.0就会有。 在区块链协议上实施分片直观地意味着将初始网络的节点分成更小的组，其中每个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。 节点分配到分片链的方式是通过VRF（Verifiable Random Function）实现的加密抽签机制，避免单个分片包含大部分恶意节点并接管分片的情况。 由于在分片中，交易分配给特定的节点进行验证，而不是整个区块链网络进行验证，因此没有竞争导致交易费用高，交易速度更快，从而提高了每秒的交易速度。 可以处理的事务数。 Vitalik Buterin 表示，在以太坊 2.0 上，分片和 PoS 共识模型应该可以达到 100,000 TPS。

L2 解决方案

上述L1方案主要是改变区块链协议，而L2（第二层）方案是通过在链上构建智能合约来扩展L1。 这通过将交易执行外包给 L2 网络，然后将交易处理结果报告给 L1 网络，为未决交易创造了额外的空间。 目前有多种方法可以实现这一点：

1) 侧链

您可以将资产转移到交易费用和速度更好的侧链，例如 xDai 使用委托权益证明共识机制来实现快速交易时间（5 秒）和低交易费用（0.000021 美元）。 跨链资产转移通过双向挂钩协议（2WP）实现，先将资产锁定在第一个区块链网络（如以太坊），再将资产锁定在第二个区块链网络（如Polygon），输入该交易的 包含加密证明资产的锁定操作是正确的。 侧链的一个很好的例子是 Polygon。

2) 等离子

Plasma 正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，只会将区块头哈希提交给根链（如以太坊），除非有欺诈证明存在欺诈问题，此时 Plasma 区块将被回滚，并且创建的块将受到惩罚。 这种机制带来了极大的可扩展性，因为根链的最小状态更新允许交易进行得更快。

3）频道

通道是一种开源协议和智能合约，允许参与者进行 X 次链下交易，但只需向以太坊提交 2 次链上交易。 当用户首次打开通道时，他们必须创建并支付以太坊交易； 当他们准备关闭通道时，他们必须再次支付以处理以太坊链上的交易。 这减少了必须处理和存储的交易数量，并将 gas 费用减少到仅打开和关闭一个通道。 在以太坊上使用状态通道的主要项目是状态通道、Celer、Perun 和 Raiden。

4）汇总

Rollups 通过使用压缩工具在将数据存储在 L1 上之前批量验证链下交易，从而为 L1 主网（例如以太坊）带来可扩展性。 压缩和批处理可实现更高的吞吐量以太坊2.0每秒交易速度，加快交易速度并最大限度地降低每笔交易的成本。

有两种不同类型的 Rollups 依赖于这种验证方法：Optimistic Rollups 和 ZK-Rollups。 验证交易是指在 Rollup batch 中检查交易执行后的状态根（包括 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名为 zk-SNARK 的有效性证明； Arbitrum等Optimistic Rollups会“乐观地”假设交易的有效性，只有当节点怀疑交易存在欺诈时才会进行计算证明（即提交欺诈证明），可以进一步提高交易速度和吞吐量。

作为用户，我如何与 Arbitrum 互动？

作为用户，您可能会与 Arbitrum 交互以使用上述任何 dApp（如 Uniswap 或 Aave），这些 dApp 通常在以太坊上也可用，但需要更高的费用。 具体来说，首先连接 Arbitrum One 网络，并将资产桥接到网络中。

03. 为什么Arbitrum会在不久的将来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。

仅仅具有可扩展性是不够的。 在提高交易吞吐量的同时，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”。 截至目前，唯一满足所有三个属性的以太坊可扩展性解决方案是像 Arbitrum 这样的 Rollups 网络。 截至 2021 年 9 月 12 日，Arbitrum 上处理的交易总数为 356 万笔，每日最高交易量为 26.8 万笔。

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

在处理能力方面，Arbitrum 网络应该可以达到 40,000 TPS，平均成本比使用以太坊基础层低 5 倍（根据 l2fees.info，撰写本文时 Arbitrum 费用约为 2 美元美元，而以太坊网络大约为 10 美元）。 除此之外，Arbitrum 实际上正在努力进一步降低 90%-95% 的费用，这意味着用户将能够以几十美分的成本铸造 NFT 或转移 ETH。 在 Arbitrum 网络上花费的每日 Gas 费用总额也一直低于以太坊。 每日总 gas 费用中唯一值得注意的峰值是 9 月 12 日在 Arbitrum 上推出名为 ArbiNYAN 的 L2 收益农场，如下图所示：

上图：Arbitrum 网络每日总 gas 成本（蓝线）与以太坊网络每日总 gas 成本（绿线）。

Arbitrum 从以太坊 L1 共识中获得安全性，同时实现更高的吞吐量。 相比之下，早期的 L1 区块链网络（例如当前的以太坊和比特币网络）以可扩展性为代价优先考虑去中心化和安全性，当前以太坊网络的高 gas 成本就是明证。 这一点。 同样，Solana 和 EOS 等其他竞争性 L1 区块链牺牲了去中心化，因为分别只有 150 和 21 个节点能够控制它们的网络。 反过来，这种中心化会影响网络的安全性，因为它增加了 51% 攻击的可能性。

同样，侧链可能会在网络中引入攻击向量，因为侧链依赖于它们自己的共识和区块验证模型。 安全性有限的另一个例子是协议改进，因为具有较大块大小的区块链本质上更难以验证，并且可能变得更加中心化，因此安全性降低。 然而，值得注意的是，并非所有 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 致力于逐渐去中心化。

2）从EVM兼容到EVM等价

截至目前，Arbitrum 是与 EVM（以太坊虚拟机）最兼容的 L2 解决方案之一。 EVM 兼容性使开发人员可以轻而易举地将现有的以太坊应用程序迁移到 Rollups 网络，因为他们不需要重写大部分代码。 Arbitrum 目前是最大的以太坊 L2 网络，在撰写本文时，其 DeFi 协议中锁定的总价值 (TVL) 超过 25 亿美元。

目前，Arbitrum 网络已经支持现有的以太坊 dApp，如 Uniswap、1inch、Aave、Balancer、Curve、MakerDAO、Gnosis Safe 等。相比之下，目前的 ZK-Rollups 和支付渠道仅支持简单的支付、交易等应用-特定用例。 此外，Arbitrum目前共有2361个已验证（申请）的智能合约，自9月以来平均每天增加12个合约，如下图所示：

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

随着越来越多的 dApp 被集成到 Arbitrum 网络中，Arbitrum 不仅对开发者有吸引力，对用户也有吸引力。 使用 Arbitrum 的唯一地址数量的增长证明了这一点，如下图所示：

上图：Arbitrum 网络中唯一地址数量的增长。 资料来源：Arbiscan.io

在这些地址中，Smart Money 地址似乎已转移到 Arbitrum。 如下图所示，使用以太坊网络的 ETH 百万富翁中有 50% 也使用 Arbitrum。 （注意：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建立在智能合约之王（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建立在以太坊之上，以太坊是智能合约之王。 这给了他们先发优势。 首先，以太坊仍然是世界上使用最广泛的区块链协议，有超过 3,000 个 dApp 为整个 DeFi 生态系统、NFT 项目、DAO 和虚拟世界提供动力。 比特币是这方面唯一可比的区块链，但比特币缺乏承载 Rollups 网络的能力。

然而，与大多数人认为以太坊 2.0 将淘汰 Rollups 不同，考虑到以太坊 2.0 在几年内不会完全部署，Arbitrum 等 Rollups 实际上是主要的可扩展性解决方案。 以太坊 2.0 将实施的数据分片将侧重于加速 Rollups。 交易历史通过分片进行划分，Rollups 将自己注册在特定的分片链中，Rollups 的可扩展性吞吐量将迎来指数级增长，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。

04. Rollups目前的一些挑战

对 Rollups 的第一个批评是 Optimistic Rollups 的提取时间很长（最多可能需要 7 天）。 提款需要延迟，以便观察员有时间出具欺诈证明，并在涉嫌欺诈的情况下取消提款。

同时，保证 Optimistic Rollups 网络安全的条件是至少有一个节点是诚实的，能够识别欺诈交易。

此外，Rollups 仍处于早期阶段并且还不能互操作，尽管我们可以预期跨 Rollups 移动资产和数据会变得越来越容易。 话虽如此，我们已经有了 Hop Protocol、Connext、cBridge 和 Biconomy 等互操作性解决方案。

最后，许多人认为以太坊的流动性在不同的 Rollup 之间是分散的。 但由于用户有获得尽可能最好的价格的动机，随着时间的推移，我们可以看到像 Arbitrum 这样的 Rollups 网络的流动性增加。

05.未来的可扩展性范式

事实上，从长远来看，Rollups 的潜力不仅限于以太坊。 实际上，未来的可扩展性解决方案将是一个更复杂的系统，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，我们可以预见三个主要趋势。

如上所述，在短期内，以太坊上的 Rollups（例如 Arbitrum）将主导可扩展性解决方案的格局以太坊2.0每秒交易速度，而以太坊 2.0 及其分片方案的部署将进一步增强这种格局。 L2 解决方案（包括但不限于 Rollups）将继续发展和提高性能，以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 网络达到满负荷时，他们将开始在主网上构建 Rollups。 事实上，大多数人仍然不明白的是，每个 L1 网络都需要 Rollups，而以太坊只是第一个为此准备了很长时间（从 2015 年开始）的 L1 网络。 例如，Tezos 正在采用以 Rollup 为中心的路线图。 NEAR、Celestia 和 Polygon 也是如此，它们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正在增长，我们也可以预期所有可扩展性解决方案都将是有效且必要的，以满足当前和未来市场参与者不断增长的需求。 需要。

06.总结

总之，高额的Gas费确实只是冰山一角。 以太坊从一开始就面临可扩展性问题，今天有许多可扩展性解决方案致力于解决这个问题。 其中，Arbitrum 是目前最大的以太坊 L2 网络，也是未来几年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。 由于用户想要尽可能最好的价格，越来越多的开发人员将在 Arbitrum 上构建，因为它是 EVM 最兼容的 L2 方案之一。 除了以太坊之外，Rollups 还将被其他竞争性 L1 网络采用，并融入日益复杂的可扩展性解决方案领域。