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月的以太坊網路 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充套件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鏈網路。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充套件，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. 理解可擴充套件性之爭
區塊鏈被建立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。早期的區塊鏈網路，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，一旦某筆交易被髮起，則該筆交易將被放入一個等待被處理的交易池中，並被廣播給網路中的所有節點。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新增到某個區塊中，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路中，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，這造成了使用者之間競爭並推高 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儲存交易 (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，以太坊必須進行擴充套件，從而增加網路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充套件性解決方案，主要包括以太坊2.0、其他競爭性的 L1 區塊鏈網路、側鏈以及 L2 方案。像以太坊2.0、Polkadot 和 Solana 等 L1 網路從結構上改變了當前以太坊網路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網路將為整個 DeFi 領域、NFTs 提供動力，維持 DAOs 和虛擬世界，同時也支援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充套件性。
02. 概述以太坊可擴充套件性方案
如上所述，擴充套件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年可擴充套件性解決方案格局，製圖：@yasminekarimi_
擴充套件區塊鏈生態系統有兩種方式：
L1 解決方案
L1 (第一層) 解決方案透過處理區塊鏈的底層協議，也即主網區塊鏈本身的程式碼，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，這主要是透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)，減少區塊建立之間的時間差，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資料空間劃分為多條鏈，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路的節點劃分為更小的組，其中每個小組負責驗證網路中待處理交易的不同子集，並儲存全域性狀態的子集。將節點分配到分片鏈的方式是一種透過 VRF (可驗證隨機函式) 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，而不是由整個區塊鏈網路進行驗證，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慧合約來實現對 L1 的擴充套件。透過將交易執行外包給 L2 網路來進行，然後 L2 網路再將交易處理結果彙報給 L1 網路，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)。跨鏈資產轉移是透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鏈網路 (比如以太坊) 中鎖定，然後在第二個區塊鏈網路 (比如 Polygon) 中建立一筆交易，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) Plasma
Plasma 是在區塊鏈中構建區塊鏈。資產被髮送到管理 Plasma 鏈的智慧合約。Plasma 鏈執行交易，只有區塊頭雜湊才會被提交到根鏈 (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，且該區塊建立者將被懲罰。這種機制帶來了巨大的可擴充套件性，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慧合約。當使用者第一次開啟通道時，他們必須建立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儲存的交易數量，並將 Gas 費用降低到只用於開啟和關閉一個通道。在以太坊上利用狀態通道的主要專案有 State Channels、Celer、Perun 和 Raiden。
4) Rollups
Rollups 透過使用壓縮工具將交易以分批次的方式在鏈下進行驗證，之後再將資料儲存在 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。
有兩種不同型別的 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、合約程式碼等) 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。
作為使用者，我如何與 Arbitrum 互動？
作為使用者，你很可能會與 Arbitrum 進行互動，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 網路新增到你的 Metamask 錢包中，連線該網路並將資產橋接到該網路中。
03. 為什麼 Arbitrum 在不久的將來將引領以太坊的可擴充套件性？
1) Arbitrum 解決了區塊鏈的三難困境：可擴充套件性、去中心化和安全性。
僅僅擁有可擴充套件性是不夠的。在增加交易吞吐量的同時，區塊鏈網路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充套件性方案是像 Arbitrum 這樣的 Rollups 網路。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 網路上的每日總交易量 (藍線) 和網路每日 Gas 總費用 (綠線) 變化趨勢。
在處理能力方面，Arbitrum 網路應該可以實現 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 的資料，撰文時 Arbitrum 的費用約為2美元，而以太坊網路約為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，這意味著使用者將能夠以幾十美分的成本來鑄造一枚 NFT 或轉移 ETH。Arbitrum 網路上每日花費的 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 網路每日的 Gas 總費用 (藍線) 對比以太坊網路每日的 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 區塊鏈網路 (比如當前的以太坊和比特幣網路) 優先考慮去中心化和安全性，但犧牲了可擴充套件性，當前以太坊網路高昂的 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，因為這兩個網路分別只有 150 個和 21 個節點能夠控制它們的網路。反過來，這種中心化也會影響網路的安全性，因為這增加了 51% 攻擊的可能性。
同樣，側鏈也可能在網路中帶來攻擊向量，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 網路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 相容性到 EVM 等效性
截止當前，Arbitrum 是最相容 EVM(以太坊虛擬機器) 的 L2 解決方案之一。EVM 相容性使得開發者將現有的以太坊應用遷移到 Rollups 網路變得輕而易舉，因為他們無需重寫大部分程式碼。Arbitrum 是當前最大的以太坊 L2 網路，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 網路已經支援了現有的以太坊 dApps，比如 Uniswap、1inch、Aave、Balancer、Curve、MakerDAO、Gnosis Safe 等等。相比之下，當前的 ZK-Rollups 和支付通道僅支援簡單的支付、交易和其他特定於應用程式的用例。此外，Arbitrum 當前共有 2361 個經驗證的 (應用) 智慧合約，自 9 月份以來平均每天增加 12 個合約，如下圖所示：
上圖：Arbitrum 網路中每日驗證的合約數量。圖源：Arbiscan.io
隨著越來越多的 dApps 整合到 Arbitrum 網路中，Arbitrum 不僅對開發者很有吸引力，而且對使用者也很有吸引力。這一點可以透過使用 Arbitrum 的唯一地址數的增長得到印證，如下圖所示：
上圖：Arbitrum 網路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，使用了以太坊網路的 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 構建在智慧合約領域王者 (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充套件性的另一個原因是，它們是建立在以太坊之上，而以太坊是智慧合約領域的王者。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專案、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 網路的能力。
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充套件性解決方案。以太坊2.0將要實現的資料分片 (data sharding) 將專注於加速 Rollups。透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 的可擴充套件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充套件性解決方案的浪潮。
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 網路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 轉移資產和資料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。但由於使用者有動機去獲取儘可能最好的價格，隨著時間的推移，我們可以看到流動性會累積到 Arbitrum 等 Rollups 網路中。
05. 未來的可擴充套件性正規化
實際上，從長遠來看，Rollups 的潛力並不侷限於以太坊。實際上，未來的可擴充套件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充套件性專案組成。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) 將主導可擴充套件性方案的格局，並將透過以太坊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效能，從而在交易執行方面與其他 L1 網路競爭。
第二個趨勢是，當其他 L1 網路達到滿負荷執行時，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 網路都需要 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 網路。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 最近宣佈了其先進的 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，所有的可擴充套件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充套件性問題，今天有許多可擴充套件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 網路，也是在未來幾年裡最有可能主導可擴充套件性解決方案的 Rollup 網路。
Arbitrum 已被證明能夠在不犧牲去中心化和安全性的情況下擴充套件以太坊。由於使用者希望獲得儘可能好的價格，越來越多的開發者將在 Arbitrum 上進行構建，因為它是最相容 EVM 的 L2 方案之一。除了以太坊，Rollups 將在其他競爭性的 L1 網路中採用，並融合到日益複雜的可擴充套件性解決方案格局中。
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