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扩容金牌种子选手Arbitrum优势解析

Rollup 终于来了！随着 Arbitrum 于 5 月 29 日宣布其主要网络测试版，以太坊社区终于要实现了期待已久的可扩展性。我们愿景是：将原始数据存放在以太坊Layer1上，而成本高昂的执行和存储将移至Layer2。同时，Rollup的安全性由Layer1保证，所以比侧链之类的其他解决方案更安全。不同Layer2解决方案的深度对比详见下图：

Arbitrum 的历史可以追溯到 2014 年。当时这只是学生项目，Ed Felten 教授是导师。在 2015 年至 2017 年期间，Ed Felten 在白宫担任顾问，这个项目也随之中断了一段时间。到了2017 年才重新开始运行，当时Ed Felten 教授回到普林斯顿大学，Steven Goldfeder 和 Harry Kalodner 说服他再次参与该项目。Arbitrum一直都是Rollup项目，只是当时还没有这个术语。接下来，我们将仔细研究Arbitrum Layer2的争议解决机制，这是所有架构的核心所在。

多轮争议解决机制

Cardano主网已上线Layer 2扩容解决方案Hydra:金色财经报道，Cardano的Layer 2扩容解决方案Hydra已在主网上线。Cardano开发团队Input Output发推文称，Hydra是一项Layer 2协议，旨在使Cardano更具可扩展性和适应性，适用于需要快速和廉价交易的各种用例。第一个Hydra head最近在主网上开放。[2023/5/5 14:44:47]

Arbitrum 的目的一直是解决交互式争议。因此 Arbitrum 命名指的是法律术语中的“仲裁员”，意为裁决争议的人。如果有人在交易执行后对结果提出异议，验证者就用这种裁决争议的方法来就达成一致。在多轮交互rollup中，程序会反复将N条指令分成大小为N/K的K个部分，直到找到有争议的具体执行步骤。以下是该过程的图解：

来源: Tracer.Finance

在发生争议的情况下，由L 1重新执行交易中最后产生争议的步骤，以解决争议并决定争议的赢家。程序将交易分成多个步骤，并且在L 1只运行有争议的步骤，减少了在L 1重新执行整个过程的成本。还有一个显著的好处是，在Arbitrum 上运行智能合约/交易不受以太坊的执行能力/gas 限制，我们只需在 Layer1 上为整批交易发布一个状态证明就足够了，从而降低了整体的成本。

火币全球站与以太坊扩容解决方案Arbitrum达成技术合作:火币全球站（HuobiGlobal）宣布与以太坊扩容解决方案Arbitrum达成技术合作。Arbitrum是行业领先的OptimisticRollups解决方案，由OffchainLabs开发，旨在让用户体验新一代二层技术带来的更方便、更快捷、更安全的服务。（Cointelegraph）[2021/8/20 22:26:29]

而对于Optimism等单轮争议解决机制中，即使争议解决立即发生且因为多轮机制不计入额外的时间（Arbitrum的额外时间是一周），L 1都必须执行整个交易来验证。这意味着 Layer2 受到 Layer1 区块 gas费的限制。此外，每次交易后还需要在发布链上状态根，进一步增加了成本。

Layer2 最大的期望之一是低交易成本。Arbitrum 团队也提到他们已经将简单交易的 gas 成本降低到 2000 gwei。主要成本来自在 Layer1 上记录交易数据。 Arbitrum 压缩了头部数据，且不需要在每次交易后将状态根发布到 L 1，从而提高了 gas 效率。

多轮交互争议解决程序有一个强加的时间限制，即为期一周的争议额外时间。它类似于玩家轮流换手的国际象棋时钟。验证人必须在这一周内做出行动，否则他们会在争议中失败。这意味着，在实践中解决争议的过程会更短。

OpenWeaver上线以太坊扩容方案Polygon:金色财经报道，Layer0扩展项目Marlin宣布，OpenWeaver已上线以太坊扩容方案Polygon。通过使用OpenWeaver，Polygon网络中的区块生产者和完整节点可以在接近物理限值的延迟下发送和接收大区块，同时使DeFi交易者、套利和清算机器人可以几乎立即访问交易内存池。[2021/8/5 1:35:06]

Arbitrum架构概述

Arbitrum Layer2与Ethereum Layer1之间有一套名为EthBridge的智能合约。EthBridge一方面裁判Layer2链上的纠纷，另一方面监督Layer2链的收件箱和发件箱。以太坊L 1上的 Arbitrum 收件箱合约是 Arbitrum 架构的重要组成部分。收件箱收集所有交易，并按照先到先得的原则进行排序。

Arbitrum虚拟机（AVM）读取Layer1链上的收件箱合约，并以即定的方式执行计算。ArbOS（Arbitrum Layer2的操作系统）则在AVM上运行，并执行Arbitrum Layer2链上的智能合约。

除了上述的重要组成部分，验证者是Arbitrum生态系统中的主要参与者。验证者是节点，观察Arbitrum Layer2上的活动并推进rollup链状态。注意，不是所有的节点都是验证者。验证Arbitrum链是完全无权需许可的。如果要发布交易或提出异议，参与者只需要运行一个节点软件并在区块中进行质押。Arbitrum上有三种验证者：

以太坊二层扩容方案StarkEx 3.0主网上线 包含L1 Vaults和SHARP功能:以太坊二层扩容方案StarkEx 3.0主网正式上线，包含L1 Vaults和SHARP两大新功能。通过L1 Vaults，StarkEx用户可与以太坊地址特别是智能合约地址进行资产交互， L1 Vaults允许通过智能合约将资金存入任何以太坊地址、发布限价单交易并提取资金；SHARP（SHARed Prover）则从数个StarkEx驱动的应用中收集交易，然后将它们打包成一个证明，从而提高了每笔交易的Gas使用率并实现了更快的交易确认速度。[2021/7/28 1:20:00]

主动验证者：持续关注Layer2链，并通过提出新的区块来推进其状态。

防御性验证者：经常关注Layer2链，只有看到另一个验证者提出的恶意区块才采取行动。

观望型验证者：与防御性验证者类似，监视Layer2链以发现不诚实的行为。与防御性验证者不同的是，他们不会对恶意验证者提出异议或验证正确的区块，而只是提醒系统中的其他验证者。

Arbitrum的验证者负责通过在新区块的质押，来推进链的延申和rollup的状态。验证者需要质押一定数量的ETH，以便在rollup链生成区块。一旦在一个区块上质押代币，验证者就不能撤销，直到该区块被确认。如果另一个验证者对某个区块有争议，他们应该提出他们认为正确的区块版本，并对其进行抵押。根据争议机制的结果，获胜的验证者将获得不诚实验证者的部分注，而其余的金额将被烧毁。

Matter Labs推出新型以太坊Layer2扩容方案zkPorter:以太坊研究小组Matter Labs宣布推出新型以太坊Layer2扩容方案zkPorter 。zkPorter是一种基于zkSNARK的新型扩容技术，通过结合zkRollup和分片技术来处理数据可用性，它能支持任意多个分片，每个分片都有自己的数据可用性策略，由分片内的智能合约定义，各分片的选择在个人帐户级别进行控制。Matter Labs表示，目前zkRollup能在ETH 1.0上达到3000 TPS的性能，且保守估计（取决于 ETH 2.0实施细节）在分片的ETH 2.0上至少可以处理20000TPS，但zkPorter的目标是支持数十亿用户的需求，需要进一步降低成本，提升性能。（Medium）[2020/8/3]

区块上的质押金额是由协议本身动态调整的。Arbitrum设置了一个基本质押参数。这个基础金额将乘以一个系数，如果由于攻击而导致链的速度减慢，这个系数将以指数增长。

来源: Arbitrum Official Documentation

为了更好地理解 Arbitrum 机制，让我们看一下 Arbitrum 交易的生命周期：

1）用户将交易发送到以太坊 Layer1 上的 Arbitrum 收件箱智能合约。

这些交易由AVM以先到先得的方式执行。

输入收件箱中的交易，进入Arbitrum Layer-2执行过程。

2) Arbitrum Layer-2 上的验证者在收件箱中读取这些交易，并以确定性的方式一起执行它们

一旦交易进入收件箱，任何查看收件箱的人都会知道交易的结果。

这意味着，用户的交易一旦到达收件箱，在 Arbitrum 和以太坊 Layer1 上是都是最终的结果。

- 终结点：每个人都知道交易结果的时间点。

- 确认点：以太坊第 1 层验证交易正确性的时间点。

3) 随后，Arbitrum 上的验证者将提出一个包含用户交易执行的Rollup块。

此时，每个关注Arbitrum链的人都已经知道该区块是否正确。

一旦产生 rollup 块，将会有一个为期一周的争议挑战，直到交易在 Ethereum Layer-1 上得到确认。

4) 在 1 周的争议窗口之后，如果没有人对区块内交易的正确性提出异议，则该区块将由以太坊 Layer1 确认。

需要强调的一个重点是，从 Layer1 到 Layer2 的交易很快就会得到确认，类似于正常的以太坊 Layer1上的 交易。但是，对于从 Layer2 到 Layer1 的交易，在 Layer1 确认交易之前有 1 周的争议期。尽管以太坊链仅在 1 周争议期后才知道 rollup 块的正确性，但由于 Arbitrum 虚拟机的确定性，一旦交易进入收件箱合约，每个观察第 2 层的人都已经知道结果。

另一个需要注意的重点是 Arbitrum 目前没有共识协议。权益证明中，占大多数的验证者可以强制确认正确的状态。与之相反， Arbitrum 有正确性证明。即使只有一个诚实节点（N 个中的 1 个）也可以证明大多数恶意节点是错误的。归根结底，是争议解决算法决定谁对谁错，而不管多数票。

 Arbitrum的进展

Arbitrum 自 2020 年 10 月 4 日起进入测试网阶段，并于 5 月 29 日在以太坊主网上部署了 Abitrum 智能合约。自 10 月份首次发布测试网以来，他们已收到逾300个访问开发者发布的团队请求。

目前在Arbitrum One主网测试版上已经有超过700个账户创建，500个合约部署。在Arbitrum One上已经有了大量且不断增长的活动。

与该领域的其他Rollup不同，Arbitrum 没有项目的候补名单，每个人都可以访问，可以在此基础上进行开发。Arbitrum 也成功吸引了顶级项目，其中一些宣布在 Arbitrum 上构建的项目包括 Uniswap、Sushiswap、MCDEX、DODO、Biconomy 等，还集成了领先的基础设施提供商如 The Graph、 Etherscan 和 Chainlink。

结论

Rollup十分安全，并且可以集成 Layer1，是最有希望的以太坊扩容解决方案之一。Rollup还有了不同的方案，包括广为讨论的optimistic rollups和基于零知识的解决方案。我们相信，在不远的未来，Rollup的竞争将继续下去。这种公开和透明的竞争会使整个生态系统受益。

由于多轮交互的争端解决机制，Arbitrum在gas限制和 Layer2 链的虚拟机设计方面具有极大的优势。虽然陪审团还没有定论，但已经可以看到其潜力，Arbitrum将获得大量采用。然而最终无论谁是Rollup竞争的胜利者，以太坊生态系统都将从中获益，这一点是无可争议的。

我们相信Arbitrum会对以太坊最大的可扩展性提供巨大帮助。Arbitrum团队在过去的几年里一直努力钻研，目前看来他们将成功领先市场。从他们开放的开发方式和大量的合作关系来看，Arbitrum的推出是大获成功的。

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