撰文：Paul Veradittakit，區塊鏈投資機構 Pantera Capital 合夥人
翻譯：Perry Wang
2019 年初，Pantera 領投了 Offchain Labs 的 種子輪融資，Offchain Labs 構建了 Arbitrum 協議，即一種使用 Optimistic Rollups 技術的以太坊 DApp 擴容解決方案。似乎（NBA 達拉斯獨行俠隊老闆）馬克·庫班最近又追加了一些投資！
上週五，僅對開發者開放的 Arbitrum 主網上線，包括得到 Uniswap 社羣的支援，將「在 Arbitrum 上部署 Uniswap v3」。您可以在下面正文中閱讀更多關於 Arbitrum 工作原理以及它與以太坊上其他第 2 層（L2）解決方案的比較。
- 由於以太坊的設計理念中是將安全性和信任置於效率之上，隨著以太坊的大規模普及和交易吞吐量劇增，導致其網路效率極為低下。 以太坊 DApp 上的加密使用者因此遭遇了糟糕的使用者體驗，他們通常必須支付高得離譜的交易費用，並且得面對極其緩慢的交易時間。 因此對在以太坊上打造 L2 解決方案的需求不斷增長，L2 解決方案找到了一種有效打包交易資料並定期將其釋出到以太坊網路的方法，解決了以太坊原始網路的許多效率低下問題。
- Offchain Labs 最近宣佈部署 Arbitrum One，即其 L2 擴容技術 Arbitrum 的主網測試版，該技術採用了 Optimistic Rollups 機制。
- Arbitrum 圍繞一個 Rollup 鏈構建，該鏈執行提交到 Arbitrum 網路的所有交易，並將其資料記錄在以太坊上的收件箱（inbox ）智慧合約中。
- 為了在以太坊上反映這些交易，驗證者可以將收件箱中多個交易的資料彙總成一個簡明的摘要，稱為「斷言」（assertion），然後將其釋出到以太坊主網。 這些斷言被樂觀地認為是有效的，除非在設定的等待期內受到另一個驗證者的質疑；不正確的斷言或質疑會被處以罰沒資金的懲罰。
- 這種機制有效地減少了以太坊網路必須完全驗證的單個交易的數量，使 Arbitrum 能夠提供顯著提升交易速度、降低交易成本。
- Arbitrum 還被設計為對開發者非常友好，與以太坊虛擬機器（EVM） 完全相容，並原生支援 Etherscan、Hardhat 和 Truffle 等第三方工具。 這些優勢，以及 Arbitrum 的大規模擴容性改進，使得該協議成為吸引構建高吞吐量 DApp 開發者的熱門種子選手。
- 支援 L2 協議的兩種相互競爭的技術是側鏈和 ZK Rollups。
- (Polygon 所採用的) 側鏈本質上是一個完全獨立的區塊鏈，它透過將區塊頭髮布到以太坊來定期與以太坊「同步狀態」。由於這些側鏈僅接收到以太坊交易量的一小部分，因此可以顯著提高成本效率和速度。然而由於側鏈完全獨立於底層區塊鏈執行，它們容易受到各種攻擊，影響到開發者在側鏈上進行構建的決心。
- (StarkWare 所採用的) ZK Rollups 與 Optimistic Rollup 技術類似：它們在鏈下（在一個 Rollup 鏈上）執行交易，記錄所有交易資料，並定期將聚合多個交易的斷言釋出到以太坊主網。不過與 Optimistic Rollups 不同，並不總是樂觀地假設斷言是有效的。驗證者還必鬚髮布隨附的有效性證明，即 ZK-STARK。 不幸的是，ZK-STARK 技術仍然不成熟，不能很好地概括，並且通常其計算構建起來非常緩慢。 該技術出色的安全保證使其成為以太坊擴容解決方案的遠期候選者，但在目前狀態下，它們仍然難以使用且難以處理。
- Optimistic Rollups 某種程度上介於側鏈與 ZK Rollup 之間，透過開發良好、可用的基礎架構，保留了與 ZK-STARK 相同的很多安全保障。
- Arbitrum 開發者主網測試版上線一週之內，逾 250 個專案陸續登陸，清晰顯示了對以太坊擴容基礎設施的瘋狂需求。在這一測試版期間，如有必要，Arbitrum 團隊將保持暫停或升級網路的能力，以消除最後一刻出現的任何錯誤或效率低下。在所有專案都能夠在 Arbitrum 上構建和測試其應用後，該協議計劃向終端使用者開放，並開始向完全去中心化過渡。
- 最終，隨著加密貨幣和 DeFi 繼續贏得爆炸式增長，Arbitrum 為希望在以太坊上構建強大、使用者友好且高效的 DApp 的開發者提供了最有前途的候選擴容方案之一。
什麼是 Arbitrum？
在過去的一週中，Offchain Labs 將其以太坊擴容解決方案 Arbitrum 協議部署到了以太坊主網上。作為 L2 協議，Arbitrum 使用 Optimistic Rollups 技術將智慧合約執行資料高效緊湊地打包到以太坊上，從而顯著提高交易速度和降低交易成本。
什麼是 L2？
以太坊無疑是當今人氣最高的 DApp 區塊鏈之一，以太坊上的各種 DeFi 協議鎖定了近 650 億美元資產，基於以太坊的 DApp 每天有超過 100,000 名活躍使用者。以太坊網路主打最佳化可驗證性和安全性，面對所收到的大量交易（每天近 150 萬筆），其處理能力捉襟見肘，導致交易速度極其緩慢，且 Gas 費用高得離譜。這裡介紹個背景知識，以太坊使用者目前預計自己的交易大約得需要 4 分鐘才能完成結算，平均 Gas 費用為 1 美元。對於更大規模的交易，比如 Uniswap 交易，Gas 費用可能接近 8-9 美元。
過去一年以 Gwei 為計價單位的以太坊 Gas 費水準，來源：YCharts
為了更好地處理 Dapp 和 DeFi 協議的高吞吐量，有幾個專案推出了 L2 解決方案，構建中被稱為區塊鏈「第一層」 L1 的以太坊之上。L2 協議在高層次上找到了一種有效打包交易資料並定期將其釋出到以太坊網路的方法。當交易量很高時，直接在以太坊上驗證每筆交易可能會導致費用上天、效率慢如蝸牛； 而 L2 能夠比原生以太坊實現更為巨大的效能改進，因為它們有效地減少了每筆交易在區塊鏈網路上的計算負載。
Arbitrum 如何提升以太坊的效率？
Arbitrum L2 解決方案的關鍵是 Optimistic Rollup。在 Rollup 中，交易驗證者透過在鏈下執行這些交易，將多個交易打包在一起，然後將交易資料和智慧合約最終狀態的簡明賬戶（稱為「斷言」）釋出到 L1 區塊鏈中。
Arbitrum 特別使用 Optimistic Rollups，其中釋出到以太坊的斷言被樂觀地「假設」為真實和正確，除非受到其他驗證者的質疑。驗證者只將斷言——而不需要隨附的有效性證明——釋出到以太坊網路。為了激勵誠實驗證，驗證者還必須在特定時間段內向以太坊投入保證金。在這一視窗期，如果另一個驗證者對原始驗證者的斷言提出異議，他們可以在以太坊上正式「挑戰」該斷言，並投入自己的保證金。如果原始驗證者的斷言不正確，原始驗證者將失去其保證金。如果挑戰者不正確，挑戰者將失去自己的保證金。 如果一個斷言在沒有受到任何成功挑戰的情況下度過了指定的時間視窗，它就會被「接受」為真實，將與以太坊區塊鏈的最終狀態合併。
Arbitrum 上的斷言驗證和挑戰，來源：Arbitrum Whitepaper
透過將多個交易聚合為與以太坊的單一互動（釋出單個斷言），Arbitrum 大大減少了以太坊所必須處理的單個交易的總數。所有這些交易在技術上仍然「釋出」到以太坊（透過斷言），但網路不再需要獨立驗證每個交易（並在每個節點上完全執行每個交易的每個步驟）。此外，由於斷言被設計為緊湊型，它們通常在以太坊區塊鏈上佔用的空間更少，這有助於它們能更快地被打包進以太坊區塊中。總而言之，這些效率提升帶來了交易速度和成本的顯著提高，使得 DApp 能更容易應對大量使用者和交易。
從架構角度來看，Arbitrum 上的交易被提交到 Arbitrum Rollup 鏈，後者可以被認為是一個側鏈，用於處理以太坊鏈下的交易執行。來自這些交易的資料被記錄下來，然後釋出到以太坊上一個開放的收件箱智慧合約。驗證者（可以是任何人，因為 Arbitrum 是完全無需許可的）然後將收件箱中的交易資料聚合成斷言，然後釋出到以太坊中。 外部使用者可以透過簡單執行釋出到收件箱中的交易，來恢復 Arbitrum Rollup 鏈的當前狀態。
Arbitrum 還針對開發難度進行了高度最佳化，包括完全的 EVM 相容性、與 Etherscan 的整合以及對 Hardhat 和 Truffle 等流行工具的原生支援。這些特色，再加上 Arbitrum 的大規模擴容性改進，使得該協議成為吸引構建高吞吐量 DApp 開發者的熱門種子選手。
Arbitrum 與 L2 賽道其他協議相比有何優劣？
鑑於以太坊的廣泛流行，一些專案已經推出了 L2 解決方案，以增強區塊鏈的擴容性。 除了 Optimistic Rollup 技術之外，L2 解決方案的另外兩種高人氣技術是 zk-Rollups 和側鏈。
Polygon（以前稱為 Matic Network）使用的側鏈本質上是一個完全獨立的區塊鏈，用於執行交易，偶爾會與 L1 區塊鏈互動。由於側鏈只處理 L1 網路總交易量的一小部分，側鏈被高吞吐量「阻塞」的可能性大大降低，因此可以提供更低的交易費用和更快的交易速度。為了確保側鏈和 L1 區塊鏈是一致的，側鏈會定期將它們的區塊頭髮布到 L1 鏈，確保兩條鏈的「狀態」保持一致。側鏈透過在以太坊之外執行交易來提高效率，減少以太坊的整體計算負載。 這樣做的一個不幸後果是，側鏈通常無法提供與 L1 區塊鏈相同的安全保證，因為從根本上說，它要求 L1 鏈不會自行驗證每個交易 / 區塊。無效狀態轉換攻擊隨之成為可能，即多數側鏈驗證者串通一氣，人為地產生一個區塊，從交易參與者那裡竊取資金，並將伴隨的區塊頭髮布到以太坊以完成盜竊。Optimistic Rollups 透過將所有交易資料記錄到以太坊的收件箱來防止此類攻擊。任何人都可以在收件箱中執行交易以確認 Rollup 鏈的狀態，驗證或挑戰驗證者的斷言。側鏈和 Optimistic Rollups 之間的主要區別在於，側鏈將區塊鏈的歷史快照發布到以太坊，而 Optimistic Rollups 將整個區塊鏈歷史記錄到以太坊。
StarkEx 所採用的 ZK-Rollups 技術在架構上類似於 Optimistic Rollups。兩者都在單獨的 Rollup 鏈中執行交易，然後定期使用斷言將所有資料記錄到以太坊中，以驗證 Rollup 交易。兩者的關鍵區別在於，在 zk-Rollups 中，驗證者必須向以太坊釋出有效性證明以及他們的斷言； 與 Optimistic Rollups 不同， zk-Rollups 協議並不樂觀地假設這些斷言是有效的。其字首 ZK 來自這樣一個事實，即隨附的證明是一個 ZK-STARK，或者叫簡潔的全透明零知識證明。 ZK-STARK 的具體技術細節不在本文的討論範圍內，但簡單說，ZK-STARK 是一種加密原語，允許使用者證明他們「瞭解」某些事實，而在證明自身中無需包含有關該事實的任何揭示性資訊。ZK-STARK 在擴容方面的主要好處是它們非常緊湊，大大提升驗證者將斷言和相關證明發布到以太坊的效率。這些證明也保證了 Rollup 鏈的狀態始終與以太坊同步；由於所有斷言都必須是可證明有效的，因此與 Optimistic Rollups 不同的是，不存在可能有無效斷言儲存在以太坊中的「挑戰期」。
儘管具有緊湊的結構和強大的安全保證，但用於有效構建和計算 ZK-STARK 的技術和抽象仍然相當不發達，使得這一技術難以使用，並且通常具有高度的用例特定性。 ZK Rollups 的大多數現有實現只能處理特定型別的交易，例如代幣轉移或原子交換。此外它們的構建速度可能非常緩慢；以具有約 1000 筆交易的一個區塊為例，要在非專業硬體上搭建驗證架構可能需要近 20 分鐘。 隨著專門服務於 ZK-STARKS 的更專業硬體（例如 GPU 驗證器）和加密抽象開始出現，ZK Rollups 可能會被證明是最成功的 L2 擴容機制之一。 在那之前，該技術在效率改進和可用性方面仍然非常捉襟見肘，這使得 Optimistic Rollups 在短期內成為更有前途的解決方案。
Arbitrum 接下來有何舉措？
上週推出的 Arbitrum 主網被特別命名為「Arbitrum One」，以將其明確為由 Arbitrum 技術提供支援的旗艦區塊鏈。隨著 Arbitrum 生態系統的不斷髮展和完善，其他 Rollup 鏈（也使用 Arbitrum 技術，但可能會進行修改）也可能會湧現，專門為各種用例量身定製。
Arbitrum One 目前處於主網測試階段，如果需要，Arbitrum 團隊將有能力暫停和升級區塊鏈。在這段時間裡，開發者可以感受通 Arbitrum 的安全性和效率，並在該區塊連結受天量吞吐量之前甄別任何最後一刻出現的漏洞或錯誤。 目前 Arbitrum One 向所有請求訪問的開發者開放（已有超過 250 個專案），一旦所有專案都能夠在 Arbitrum 上構建和測試其 Dapp，屆時將向終端使用者開放訪問。該團隊的目標是在今年夏天尾聲時過渡到完全去中心化。
一點感想
最近外界對加密領域興趣激增是一把雙刃劍——帶來了新使用者和流動性來源，隨之而來的是以太坊出現嚴重的網路堵塞、漫長的交易時間和鉅額的 Gas 費。隨著以太坊當前和未來不斷的普及，構建可持續的基礎設施、高效、安全地為吞吐量更大的 DApp 提供動力，顯得比以往任何時候都更加重要。
Arbitrum 為使用 Optimistic Rollups 作為 L2 擴容機制提供了強大的現實樣本，大大提高了以太坊交易的成本和時間效率，同時保留了幾個關鍵的安全保證。大量專案（250 個，並且還在增加中）已經在 Arbitrum 開發者主網上進行構建，證明了對這種可擴容基礎設施的需求，以及對當前 L2 賽道選手的失望。 隨著以太坊生態系統繼續蓬勃發展，Arbitrum L2 解決方案催生出新一代高度可擴容、高效的 DApp，為世界各地的加密使用者提供有顯著提升（更便宜、更快捷）的體驗。
