觅新｜Arbitrum：极具前景的L2解决方案

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本文翻译已经得到VeradiVerdict授权。

2019年初，Pantera领投Offchain Labs的种子轮融资，该公司也是Arbitrum的开发者，Arbitrum是扩容解决方案，针对以太坊中使用optimistic rollups的去中心化应用。看来最近Mark Cuban又追加了一些投资!

上周五，Arbitrum正式向开发者开放，Uniswap社区提供了支持，在交易所中部署该解决方案。下文将介绍Arbitrum的运行原理，还会将其与以太坊上其他第2层解决方案进行比较。

l 目前以太坊大受欢迎，交易吞吐量大幅上升，导致了网络低效问题越发突出，但是以太坊网络本来就将安全性和信任置于效率之上。以太坊dapps加密用户要面对糟糕用户体验的问题，通常必须支付高得离谱的交易费用，交易时间非常缓慢。因此，对以太坊中Layer2解决方案的需求不断增长，通过这些解决方案，以太坊网络能够高效打包交易数据，定期将其发布到网络中，解决许多低效问题。

l 最近Offchain Labs宣布部署了Arbitrum One，这是Layer2解决方案Arbitrum的主网测试版，由optimistic rollups提供支持。

Arbitrum基于Rollup链构建，该链负责执行提交到Arbitrum网络的所有交易，并将数据记录在以太坊inbox智能合约中。

为了在以太坊上反映这些交易，验证节点可以将智能合约中多个交易数据聚合为一个简洁摘要，称为“断言”，然后发布到以太坊主网。optimistic会假定这些都是有效的“断言”数据，除非在设定的等待期间受到另一个验证节点挑战。如果节点发出不正确的“断言”或挑战，将受到惩罚，损失资金。

在以太坊网络中，这种机制有效减少了必须完全验证的单个交易数量，通过Arbitrum，交易速度能够得到明显提升，交易成本也会降低。

Arbitrum操作对开发人员非常友好，与EVM完全兼容，给第三方工具提供原生支持，例如Etherscan、Hardhat和Truffle。另外在扩容性方面，Arbitrum进行了巨大改进，成为了非常具有潜力的候选解决方案，基于Arbitrum，开发人员能构建高吞吐量dapp。

两种与Arbitrum竞争的技术是侧链和ZK rollup，都能为Layer2协议提供支持。

Polygon使用的侧链技术本质上是一个完全独立的区块链，通过将区块头信息发布到以太坊，定期地与以太坊进行状态同步。这些侧链只接收以太坊一小部分交易量，所以它们可以以低成本的方式提升速度。然而，侧链完全独立于底层区块链运行，容易受到各种攻击，开发人员不愿意在其基础上进行开发。

ZK rollups类似于optimistic rollups，也在链下rollup链中执行交易，记录所有交易数据，定期将聚合多个交易“断言”发布到以太坊。然而，与optimistic rollups不同的是，ZK rollups不会假定“断言”是有效的，在“断言”中，验证节点还必须提供数据有效性证明，即ZK-SNARK。不幸的是，ZK-SNARKs仍不成熟，不能应用于各种使用场景，并且运算和搭建速度都非常慢。尽管如此，基于强大安全性和最近在zk验证者效率方面的进步，ZK-SNARK会成为以太坊扩容一个有前景的长期候选方案。

某种程度上，optimistic rollups结合了侧链和ZK rollups的优点，提供成熟且方便使用的基础设施，也能实现许多与ZK- starks相同的安全保障。

Arbitrum上线一周后，超过250个项目请求加入开发者主网测试版，这表明了对高扩容性基础设施的巨大需求。在测试期间，Arbitrum团队将在必要时保持暂停或升级网络的能力，消除最后漏洞，解决效率问题。在所有项目都有能力在Arbitrum上构建和测试应用程序后，该协议计划向终端用户开放，开始向完全去中心化过渡。

最终，加密货币和DeFi慢慢将得到广泛使用，开发人员希望在以太坊中构建稳定、方便使用的高效dapps，而Arbitrum将成为最有前景的扩容候选方案之一。

什么是Arbitrum？

上周，Offchain Labs在以太坊主网上部署了以太坊扩容解决方案Arbitrum。作为Layer2协议，通过optimistic rollups，Arbitrum能够将智能合约执行数据压缩后，高效打包上传到以太坊，大大提高交易速度，降低交易成本。

什么是Layer2层解决方案？

以太坊无疑是当今最受欢迎的 DApp 区块链之一，各种 DeFi 协议锁定了近 650 亿美元资产，以太坊 DApp 每天有超过100000名活跃用户。以太坊网络注重可验证性和安全性，其次才是交易速度，所以无法面对每天近 150 万笔大量交易，导致交易速度极其缓慢，且 Gas 费用高得离谱。另外，目前以太坊预计的用户交易结算时间大约是 4 分钟，平均 Gas 费用为 1 美元。对于更大规模的交易，比如Uniswap资产互换，Gas 费用可能接近 8-9 美元。

过去一年以 Gwei 为计价单位的以太坊Gas费用

为了更好地处理Dapp和DeFi协议的大交易量，有几个项目推出了Layer2解决方案，这些解决方案都是基于以太坊，即Layer1。Layer2协议找到了一种有效打包交易数据并定期将其发布到以太坊网络的方法。当交易量大时，如果在以太坊上直接验证每笔交易，Gas费用会大幅上升，而且效率慢如蜗牛。而 Layer2解决方案有效减少了每笔交易在区块链网络上的计算负载，能够实现比原生以太坊更为巨大的性能改进。

Arbitrum如何提升以太坊的效率？

Arbitrum L2解决方案的关键是Optimistic rollup。在rollup中，交易验证者通过在链下执行交易，将多个交易打包在一起，然后将“断言”发布到 L1 区块链中，“断言”中包含交易数据和智能合约最终状态。

Arbitrum专门使用Optimistic rollups，后者会假定发布到以太坊中的“断言”是正确的，除非受到其他验证者的挑战。验证者只要“断言”发布到以太坊网络，无需提供数据有效性证明。为了激励诚实验证，验证者还必须在特定时间段内向以太坊交纳保证金。在窗口期内，如果另一个验证者对原始验证者的“断言”提出异议，可以在以太坊上对该“断言”发起挑战，并交纳保证金。如果原始验证者的“断言”不正确，原始验证者将失去保证金。如果发起的挑战不正确，则挑战者将失去保证金。 如果“断言”没有受到任何成功挑战，度过了指定的窗口期，数据就会得到验证并且接收，将与以太坊区块链最终状态合并。

Arbitrum的“断言”验证和挑战过程

通过将多个交易聚合为单个断言，与以太坊进行单一交互，Arbitrum大大减少了以太坊必须处理的单个交易总数。从技术层面而言，所有这些交易仍然要通过“断言”，发布到以太坊，但网络无需独立验证每个交易，每个节点也不用完全执行交易的每个步骤。此外，“断言”数据大小经过压缩，通常在以太坊区块链上占用更少空间，这有助于数据更快地打包进以太坊区块中。总而言之，这些效率提升带来了高交易速度，同时降低成本，让DApp能更容易应对大量用户和交易。

从架构角度来看，Arbitrum中的交易会提交到Arbitrum Rollup链，后者可以当做是侧链，用于处理以太坊链下交易执行。这些交易数据都会得到记录，然后发布到以太坊中的开放inbox智能合约。验证者然后将智能合约中的交易数据聚合成“断言”，然后发布到以太坊中，任何人都能成为验证者，因为Arbitrum具有完全无需许可的性质。外部用户通过简单执行发布到智能合约中的交易，来恢复当前Arbitrum Rollup链的状态。

Arbitrum经过优化，开发难度非常低，完全兼容EVM，能够集成到Etherscan中，提供 Hardhat和Truffle等的原生支持，再加上高扩容性，对于想打造高吞吐量DApp开发者，Arbitrum会成为热门候选解决方案。

Arbitrum与其他Layer2解决方案相比有何优劣？

以太坊目前非常火爆，一些项目已经推出了Layer2解决方案，以增强区块链扩容性。除了 Optimistic Rollup 技术之外，另外两种两种高人气的解决方案是zk-Rollups和侧链。

Polygon（之前名为Matic Network）使用的侧链本质上是一个完全独立的区块链，用于执行交易，偶尔会与Layer1区块链交互。由于侧链只处理 L1 网络总交易量的一小部分，出现阻塞的可能性大大降低，因此交易费用更低，交易速度更快。侧链会定期将区块头发布到L1链，确保两条区块链状态一致。侧链通过在以太坊之外执行交易，提高效率，减少以太坊整体计算负载。但是这样会产生一个问题，那就是侧链通常无法实现与 L1 区块链相同的安全性能，因为从根本上说，L1 链不会自行验证每个区块内的交易。在这种情况下，无效状态转换攻击可能会出现，即多数侧链验证者相互勾结，产生一个区块，窃取交易参与者的资金，并将区块头发布到以太坊以完成攻击。为了防止此类攻击，Optimistic Rollups会将所有交易数据记录到以太坊的inbox智能合约。任何人都可以在智能合约中执行交易，确认Rollup链状态，验证或挑战验证者的“断言”。侧链和Optimistic Rollups的主要区别在于，侧链只会将自己数据的历史快照发布到以太坊，而Optimistic Rollups将整个区块链历史记录到以太坊。

在架构上，ZK-Rollups类似于Optimistic Rollups。两者都在单独Rollup 链中执行交易，定期通过“断言”，将所有数据记录到以太坊中，聚合交易验证。两者关键区别在于，在 zk-Rollups中，验证者必须向以太坊发布数据有效性证明和“断言”。与Optimistic Rollups 不同，zk-Rollups 协议不会假定这些“断言”是有效数据。其前缀ZK代表了数据有效性证明是ZK-STARK。本文不会对ZK-STARK的具体技术细节进行讨论，但简单说，ZK-STARK是一种加密原语，用户通过ZK-STARK，能够证明掌握了某种事实，而证明本身没有任何揭露该事实的信息。在扩容方面，ZK-STARK的主要优势是其大小，能够大幅提升验证者将“断言”和相关证明发布到以太坊的效率。这些证明也保证了Rollup链的状态始终与以太坊同步。由于所有“断言”都必须附带有效性证明，因此不存在以太坊中的挑战窗口期，在该期限内，没有经过验证的证明会储存在以太坊中，这也是与Optimistic Rollups的差别。

尽管结构紧凑，安全性能强大，但在有效搭建和运算方面，ZK-STARK仍然不成熟，难以应用于高频使用场景。 ZK Rollups大多数现有实例只能处理特定类型交易，例如代币转账或原子资产转换。此外其构建速度非常缓慢，以大约1000笔交易的一个区块为例，在非专业硬件上搭建验证架构可能需要近20分钟。随着专门针对 ZK-STARKS 的更专业硬件（例如GPU验证器）和加密抽象开始出现，ZK Rollups 可能会成为最成功的L2扩容机制之一。 在这之前，该技术在效率和可用性方面仍然存在问题，那么在短期内，Optimistic Rollups会成为更有潜力的解决方案。

Arbitrum未来的目标是什么？

上周Arbitrum推出了其名为Arbitrum One的主网，将其明确作为Arbitrum技术提供支持的旗舰区块链。随着Arbitrum生态系统不断发展和完善，其他Rollup链也会逐渐采用Arbitrum技术，而且会进行调整，以针对各种使用场景。

目前Arbitrum One处于主网测试阶段，在必要情况下，Arbitrum团队将有能力暂停和升级区块链。在测试阶段中，开发者可以感受Arbitrum的安全性和效率，检查最后漏洞或问题，这样才能保证区块链实现高吞吐量。 目前Arbitrum One向所有请求访问的开发者开放，已有超过 250 个项目进行了申请，一旦所有项目都能够在该协议上构建和测试其Dapp，终端用户就能公开使用Arbitrum。该团队的目标是在今年夏天结束时过渡到完全去中心化。

总结

最近外界对加密领域兴趣激增除了带来新用户和流动性，也会带来以太坊严重的网络堵塞，引起交易时间过长问题，Gas费用大幅上升。随着以太坊在未来不断得到普及，构建可持续基础设施，高效安全地为吞吐量更大的DApp提供发展动力，显得比以往任何时候都更加重要。

在L2扩容机制方面，Arbitrum为Optimistic Rollups提供了强大实例，大大提高了以太坊交易效率，降低成本，同时保留了几个关键的安全性能。大量项目已经在Arbitrum开发者主网上进行搭建，证明了对可扩容基础设施的巨大需求，以及对当前L2解决方案的失望，目前项目数量是250个，而且还会增多。随着以太坊生态系统蓬勃发展，Arbitrum L2 解决方案催生出新一代高度扩容的高效DApp，显著提升世界各地加密用户体验。

本文内容来自VeradiVerdict