Arbitrum 是目前最大的以太坊L2 網絡。
撰文：Yasmine Karimi，來源：Nansen
編輯：南風
從歷史角度而言，以太坊的Gas 費用曾三次飆升至天文數字的高度：2017 年的牛市期間、2020 年的DeFi 之夏以及2021 年的NFT 之夏。如下圖所示：
上圖：2015年至2021年11月的以太坊網絡Gas 費用上漲情況。
每次Gas 費再次飆升時，圍繞以太坊區塊鏈可擴展性的討論就會再次燃起，與此同時更多人則爭先恐後地尋找下一個與之競爭的區塊鍊網絡。實際上，高漲的Gas 費用只是我們必須應對的冰山一角。當前Gas 費用如此之高的原因是因為以太坊無法擴展，也即對交易的需求仍然比以太坊區塊鏈每次實際能夠處理的更多。
01. 理解可擴展性之爭
區塊鏈被創建為一種以去中心化的方式處理交易並將其記錄在區塊中的模式，從而避免了雙花問題和依賴可信機構。早期的區塊鍊網絡，如比特幣和以太坊，是基於它們的PoW (工作量證明) 共識模式來處理和記錄這些交易。
在PoW 模式中，一旦某筆交易被發起，則該筆交易將被放入一個等待被處理的交易池中，並被廣播給網絡中的所有節點。儘管會被廣播給了所有節點，但只會有一個節點成功解決計算難題並將這筆交易連同其他的交易一起添加到某個區塊中，並獲得交易費作為獎勵。
首先，由於在交易被驗證之前和之後，必須將交易廣播到網絡中，這會使交易的處理時間很長。其次，解決數學難題所需的計算能力會消耗大量電力。最後，每個區塊對於其中能夠包含多少筆交易有著有限的區塊空間，這造成了用戶之間競爭並推高Gas 費用，甚至有時超過了交易價值。隨著越來越多的dApps (去中心化應用) 使用區塊鏈技術來處理和存儲交易(目前大約有3000 個dApps)，這種情況越來越成問題。
因此，為了解決這些問題，以太坊必須進行擴展，從而增加網絡可以處理的交易數量(以TPS (每秒交易量) 衡量) 以及交易速度。為此，已經開發了許多可擴展性解決方案，主要包括以太坊2.0、其他競爭性的L1 區塊鍊網絡、側鏈以及L2 方案。像以太坊2.0、Polkadot 和Solana 等L1 網絡從結構上改變了當前以太坊網絡的底層共識和出塊規則，而L2 方案則是構建在以太坊主網及其協議之上。
在這場競爭中脫穎而出的少數區塊鏈/L2網絡將為整個DeFi 領域、NFTs 提供動力，維持DAOs 和虛擬世界，同時也支持整個創作者經濟和元宇宙。下面我們將詳細闡述為什麼我們認為像Arbitrum (由Marc Cuban、Polychain Capital 和Pantera Capital 等投資) 這樣的L2 方案至少在未來5年內將引領以太坊的可擴展性。
02. 概述以太坊可擴展性方案
如上所述，擴展指的是增加交易吞吐量和交易速度。以下是目前旨在實現這一目標的現有方案：
上圖：2021年可擴展性解決方案格局，製圖：@yasminekarimi_
擴展區塊鏈生態系統有兩種方式：
L1 解決方案
L1 (第一層) 解決方案通過處理區塊鏈的底層協議，也即主網區塊鏈本身的代碼，以此來增加區塊鏈的交易吞吐量。它們可以進一步劃分為：
1) 協議改進
協議改進是指對底層協議進行的更改來擴大交易吞吐量，這主要是通過增加單個區塊中可以包含的交易數量(僅在短期內可持續)，減少區塊創建之間的時間差，或者從PoW 共識模式向PoS 的結構性轉變來實現。與PoW 模式不同，PoS 根據驗證者質押的區塊鏈原生代幣的數量來選擇驗證者。由於驗證者是在此基礎上選擇的，因此不需要大量的計算能力，也不存在導致Gas費達到天文數字的礦工之間的競爭。驗證交易所需的時間要少得多，因為單個節點不需要投入那麼多的處理能力，正如Solana (50,000 TPS) 和Polkadot (1000 TPS) 等基於PoS 的區塊鏈所展現的那樣。相比之下，當前的以太坊只能處理16 PTS。
2) 分片
分片(sharding) 是指將一個區塊鏈的計算任務和數據空間劃分為多條鏈，比如Eth2.0 中將會有許多條分片鏈。對區塊鏈協議實施分片直觀地意味著將初始網絡的節點劃分為更小的組，其中每個小組負責驗證網絡中待處理交易的不同子集，並存儲全局狀態的子集。將節點分配到分片鏈的方式是一種通過VRF (可驗證隨機函數) 來實現的加密抽籤機制，以避免出現在單個分片中包含大部分惡意節點並接管該分片的情況。由於在分片中，交易被分配給特定的節點來進行驗證，而不是由整個區塊鍊網絡進行驗證，因此不存在導致高昂交易費的競爭，而且交易速度也更快，進而增加了每秒可以處理的交易數量。 Vitalik Buterin 表示，在以太坊2.0上，分片和PoS 共識模型應該能夠實現100,000 TPS。
L2 解決方案
上述L1 解決方案主要是改變區塊鏈協議，而L2 (第二層) 解決方案則是由構建在鏈上的智能合約來實現對L1 的擴展。通過將交易執行外包給L2 網絡來進行，然後L2 網絡再將交易處理結果匯報給L1 網絡，從而為待處理交易創造了額外的空間。當前有多種方式可以實現這一點：
1) 側鏈
你可以將資產轉移到交易費用和速度更優的側鏈(Sidechains) 上，比如xDai 使用委託權益證明共識機制實現快速的交易時間(5秒) 和低交易費用($0.000021)。跨鏈資產轉移是通過一個雙向錨定協議(2WP) 來實現的，該協議首先將資產在第一個區塊鍊網絡(比如以太坊) 中鎖定，然後在第二個區塊鍊網絡(比如Polygon) 中創建一筆交易，這筆交易的輸入包含了有關該資產鎖定操作正確的加密證明。其中一個很好的側鏈例子就是Polygon。
2) 等離子
Plasma 是在區塊鏈中構建區塊鏈。資產被發送到管理Plasma 鏈的智能合約。 Plasma 鏈執行交易，只有區塊頭哈希才會被提交到根鏈(比如以太坊) 上，除非有欺詐證明表明存在欺詐問題，這種情況下Plasma 區塊將被回滾，且該區塊創建者將被懲罰。這種機制帶來了巨大的可擴展性，因為根鏈狀態更新的最小化可以使交易更快進行。
3) 通道
通道(Channels) 是一種允許參與者進行X 次鏈下交易但僅需向以太坊提交2 次鏈上交易的開源協議和智能合約。當用戶第一次打開通道時，他們必須創建並支付一筆以太坊交易；當他們準備關閉通道時，他們必須再次支付費用以在以太坊鏈上處理一筆交易。這減少了必須處理和存儲的交易數量，並將Gas 費用降低到只用於打開和關閉一個通道。在以太坊上利用狀態通道的主要項目有State Channels、Celer、Perun 和Raiden。
4) 匯總
Rollups 通過使用壓縮工具將交易以分批次的方式在鏈下進行驗證，之後再將數據存儲在L1 上，從而為L1 主網(比如以太坊) 帶來擴容。壓縮和批處理能帶來更高的吞吐量，加快交易速度和最小化每筆交易的成本。
有兩種不同類型的Rollups 依賴於這種驗證方法：Optimistic Rollups 和ZK-Rollups。驗證交易是指檢查交易在Rollups 批次中被執行之後的狀態根(包括在Rollup 中的賬戶餘額、合約代碼等) 是否正確。 ZK-Rollups 會為每個交易批次生成一個稱為zk-SNARK 的有效性證明；而Arbitrum 等Optimistic Rollups 會“樂觀地”假設交易的有效性，只有當某個節點懷疑某筆交易存在欺詐時才會執行計算證明(也即提交欺詐證明) ，從而能夠進一步提高交易速度和吞吐量。
作為用戶，我如何與Arbitrum 交互？
作為用戶，你很可能會與Arbitrum 進行交互，以使用上面的任何dApps (比如Uniswap 或Aave)，這些dApps 通常在以太坊上也可以使用但需要更高的費用。具體來說，首先將Arbitrum One 網絡添加到你的Metamask 錢包中，連接該網絡並將資產橋接到該網絡中。
03. 為什麼Arbitrum 在不久的將來將引領以太坊的可擴展性？
1) Arbitrum 解決了區塊鏈的三難困境：可擴展性、去中心化和安全性。
僅僅擁有可擴展性是不夠的。在增加交易吞吐量的同時，區塊鍊網絡必須保持區塊鏈技術的兩個基本屬性：去中心化和安全性。這被稱為區塊鏈的「三難困境」。截至目前，唯一滿足所有這三個屬性的以太坊可擴展性方案是像Arbitrum 這樣的Rollups 網絡。截至截至2021 年9 月12 日，在Arbitrum 上處理的交易總數達356 萬筆，每日最多可達26.8 萬筆。
上圖：Arbitrum 網絡上的每日總交易量(藍線) 和網絡每日Gas 總費用(綠線) 變化趨勢。
在處理能力方面，Arbitrum 網絡應該可以實現40,000 TPS，並且平均成本要比使用以太坊基礎層要低5 倍(根據l2fees.info 的數據，撰文時Arbitrum 的費用約為2美元，而以太坊網絡約為10美元)。除此之外，Arbitrum 實際上正在致力於進一步降低90%-95% 的費用，這意味著用戶將能夠以幾十美分的成本來鑄造一枚NFT 或轉移ETH。 Arbitrum 網絡上每日花費的Gas 總費用也一直低於以太坊。唯一值得注意的Gas 日總費用高峰是在9 月12 日一個名為ArbiNYAN 的L2 收益農場在Arbitrum 上推出，如下圖所示：
上圖：Arbitrum 網絡每日的Gas 總費用(藍線) 對比以太坊網絡每日的Gas 總費用(綠線)。
Arbitrum 在實現更高吞吐量的同時，從以太坊L1 共識中獲得了安全性。相比之下，早期的L1 區塊鍊網絡(比如當前的以太坊和比特幣網絡) 優先考慮去中心化和安全性，但犧牲了可擴展性，當前以太坊網絡高昂的Gas 費用就證明了這一點。類似地，其他競爭性的L1 區塊鏈(比如Solana 和EOS 等) 犧牲了去中心化，因為這兩個網絡分別只有150 個和21 個節點能夠控制它們的網絡。反過來，這種中心化也會影響網絡的安全性，因為這增加了51% 攻擊的可能性。
同樣，側鏈也可能在網絡中帶來攻擊向量，因為側鏈依賴於自身的共識和區塊驗證模式。另一個安全性有限的例子是協議改進，因為擁有更大區塊大小的區塊鏈本質上會更難以驗證，並很可能變得更加中心化，進而更加不安全。但需要注意的是，並不是所有Rollups 網絡在其早期階段都是去中心化的，儘管大多數(如果不是全部) Rollups 都致力於逐步實現去中心化。
2) 從EVM 兼容性到EVM 等效性
截止當前，Arbitrum 是最兼容EVM(以太坊虛擬機) 的L2 解決方案之一。 EVM 兼容性使得開發者將現有的以太坊應用遷移到Rollups 網絡變得輕而易舉，因為他們無需重寫大部分代碼。 Arbitrum 是當前最大的以太坊L2 網絡，撰文時其DeFi 協議中鎖定的總價值(TVL) 超過了25 億美元。
當前，Arbitrum 網絡已經支持了現有的以太坊dApps，比如Uniswap、1inch、Aave、Balancer、Curve、MakerDAO、Gnosis Safe 等等。相比之下，當前的ZK-Rollups 和支付通道僅支持簡單的支付、交易和其他特定於應用程序的用例。此外，Arbitrum 當前共有2361 個經驗證的(應用) 智能合約，自9 月份以來平均每天增加12 個合約，如下圖所示：
上圖：Arbitrum 網絡中每日驗證的合約數量。圖源：Arbiscan.io
隨著越來越多的dApps 集成到Arbitrum 網絡中，Arbitrum 不僅對開發者很有吸引力，而且對用戶也很有吸引力。這一點可以通過使用Arbitrum 的唯一地址數的增長得到印證，如下圖所示：
上圖：Arbitrum 網絡中的唯一地址數增長情況。圖源：Arbiscan.io
在這些地址中，Smart Money (聰明的錢) 地址似乎已經轉移到了Arbitrum。如下圖所示，使用了以太坊網絡的ETH 百萬富翁中有50% 也使用Arbitrum。 (注：ETH 百萬富翁地址是指ETH 餘額至少為1,000,000 美元的地址。)
3) Arbitrum 構建在智能合約領域王者(即以太坊) 之上
我們相信像Arbitrum 這樣的Rollups 將在未來幾年主導以太坊可擴展性的另一個原因是，它們是建立在以太坊之上，而以太坊是智能合約領域的王者。這給了它們先發優勢。首先，以太坊仍然是世界上使用最多的區塊鏈協議，有超過3000 個dApps，為整個DeFi 生態系統、 NFT項目、DAOs 和虛擬世界提供了動力。在這方面，比特幣是唯一可以與之相提並論的區塊鏈，但比特幣缺乏託管Rollups 網絡的能力。
然後，不像大多數人認為的以太坊2.0將淘汰Rollups，考慮到以太坊2.0在幾年後才會全面部署，Arbitrum 等Rollups 實際上是首要的可擴展性解決方案。以太坊2.0將要實現的數據分片(data sharding) 將專注於加速Rollups。通過分片來劃分交易歷史記錄，同時Rollups 將自己註冊到特定的分片鏈中，Rollups 的可擴展性吞吐量將迎來指數增長，到2030 年可能達到1400 萬TPS。
由於這些原因，很明顯，像Arbitrum 這樣的Rollups 將在不久的將來引領以太坊可擴展性解決方案的浪潮。
04. Rollups 當前的一些挑戰
針對Rollups 的第一個批評是，Optimistic Rollups 的取款時間很長(可能需要7 天時間)。取款操作需要延遲，從而讓觀察者有時間在疑似欺詐的情況下發布欺詐證明和取消取款操作。
同時，確保Optimistic Rollups 網絡安全的條件是至少有一個節點是誠實的，並識別欺詐性交易。
此外，Rollups 還處於早期階段，還不具備互操作性，儘管我們可以預計跨Rollups 轉移資產和數據將會變得越來越容易。話雖如此，我們已經有了像Hop Protocol、Connext、cBridge 和Biconomy 這樣的互操作性解決方案。
最後，許多人認為，以太坊的流動性在不同的Rollups 之間是碎片化的。但由於用戶有動機去獲取盡可能最好的價格，隨著時間的推移，我們可以看到流動性會累積到Arbitrum 等Rollups 網絡中。
05. 未來的可擴展性範式
實際上，從長遠來看，Rollups 的潛力並不局限於以太坊。實際上，未來的可擴展性解決方案將是一個更加複雜的系統，由多個L1 區塊鏈上相互依賴的可擴展性項目組成。儘管如此，在這個複雜的未來，我們可以預期三個主要趨勢。
如上所述，在短期內，以太坊上的Rollups (如Arbitrum) 將主導可擴展性方案的格局，並將通過以太坊2.0及其分片方案的部署進一步增強。 L2 方案(包括但不限於Rollups) 將繼續發展並並提高性能，從而在交易執行方面與其他L1 網絡競爭。
第二個趨勢是，當其他L1 網絡達到滿負荷運行時，它們將開始在主網上構建Rollups。事實上，大多數人仍然不能理解的是，每個L1 網絡都需要Rollups，以太坊只是第一個為此準備了很長一段時間(從2015年開始) 的L1 網絡。例如，Tezos 正在採用一個以Rollup 為中心的路線圖。同樣地，NEAR、Celestia 和Polygon 也是如此，Polygon 最近宣布了其先進的zk-STARKs 解決方案Polygon Maiden。
事實上，考慮到對以太坊和區塊鏈技術的需求是不斷增長的，我們也可以預期，所有的可擴展性解決方案都是有效和必要的，以滿足當前和未來市場參與者日益增長的需求。
06. 總結
總之，高昂的Gas 費用的確只是冰山一角。以太坊自誕生以來就一直面臨著可擴展性問題，今天有許多可擴展性解決方案都在致力於解決這個問題。其中，Arbitrum 是目前最大的以太坊L2 網絡，也是在未來幾年裡最有可能主導可擴展性解決方案的Rollup 網絡。
Arbitrum 已被證明能夠在不犧牲去中心化和安全性的情況下擴展以太坊。由於用戶希望獲得盡可能好的價格，越來越多的開發者將在Arbitrum 上進行構建，因為它是最兼容EVM 的L2 方案之一。除了以太坊，Rollups 將在其他競爭性的L1 網絡中採用，並融合到日益複雜的可擴展性解決方案格局中。
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