研究 | Arbitrum的技术原理、市场和生态分析（上）

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　　Layer2扩容是以太坊提速降费的关键话题。作为起步较早的Layer2技术，Arbitrum在市场上占据重要地位。本文将对Layer2作简单介绍，并对Arbitrum的技术原理、结构以及市场生态进行研究分析。

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　　以太坊引入的去中心化计算机或者说智能合约概念让区块链的应用范围大大扩大，人人可编程的特性催生了庞大的区块链DAPP市场。伴随着以太坊应用的爆发，以太坊网络上的交易量急速增加，处理交易的平均速度放缓，Gas费用也水涨船高。越来越高的Gas费用以及ETH价格的上涨导致交易成本居高不下，长此以往的以太坊网络将会陷入恶性循环，新项目由于高额的手续费很难对缺乏了解的用户产生吸引力，旧项目gas费用又会因为市场追捧进一步抬高，以太坊的流动性和创新能力都将大大下降。因此，提高以太坊交易处理能力和速度的扩容方案势在必行。

　　扩容分为两条路径，一条是Layer1扩容，即从以太坊网络结构本身进行改进，以道路做类比即是拓宽主干道，提高主干道的容载能力；另一条是Layer2扩容，即增加侧链分担主链的处理压力，以道路做类比是增加支路分流，在合适的时机再汇回主干道。Layer1扩容包括分片、Casper Pos等技术，但对主链进行改造的难度和工作量比较大，以Layer1扩容为核心的ETH2.0升级计划开发进度目前尚处于非常早期的阶段。因此，Layer2扩容是目前以太坊解决拥堵问题的主要方式。

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　　总体来说，Layer2方案分为侧链、状态通道、Rollup、Plasma以及Validium等。

　　侧链：侧链的概念类似于主干道分叉的支路，是指在主链之外引入以不同共识机制独立运行的区块链，并在一定的时间将侧链状态同步回主链，达到减轻主链处理压力的目的。侧链技术的主要重点在于跨链机制，即资产和状态锁在主链，当这些信息在Layer2发生变化后返回Layer1机制的设计，主要包括公证人模式以及中继模式等。采用侧链技术的Layer2项目包括BSC、Heco等交易所公链，但同时对这些拥有独立稳定市场的交易所是否还属于以太坊生态，行业内也存在着争议。

　　状态通道：状态通道简单来说就是把每一笔交易进行打包，主链只验证更新系列交易之后的资产变化净值。流程简述如下：

• 　　交易双方将资产锁定在智能合约内，开启交易通道；

• 　　达成交易后互相发送签名的交易证明进行资产交易；

• 　　当有一方希望终止交易时，向智能合约展示交易证明并申请关闭交易通道，此时另一方也需要展示交易证明以完成交易通道的关闭。

• 　　当双方都进行交易证明展示后，交易通道关闭，双方可以取回自己的资产。假如有一方不配合展示交易证明，系统将根据单方面出示的交易证明进行资产状态的结算。

　　最后一个流程既是状态通道方案设计的优势所在也是它的缺陷。优势在于提出交易通道关闭申请时，参与者的资金安全即使在对方不配合的情况下也能得到保证，而缺陷则在于交易方需要时常关注对方提出的交易通道关闭申请，以确保自己的权益。此外，状态通道的应用局限于交易操作，也影响了它的应用前景。采用状态通道方案的项目主要包括闪电网络等。

　　Minimal Viable Plasma

　　Plasma：Plasma方案分为Plasma MVP与Plasma Cash，基本设计是将链下的状态证明上传主链，以防止Layer2链下出现的安全问题影响链上的资产安全。Plasma MVP使用UTXO在Layer2记录交易信息，用户将哈希值上传到智能合约，使用Merkle Proof进行资产证明并取出资产，Plasma Cash则使用NFT进行Layer2的资产记录。Plasma方案在通过密码学手段保障用户资产安全的同时也具有欺诈风险。系统只能对哈希值进行简单验证的结果是用户可以通过上传某个阶段的Merkle Proof来达到取出自己已经花费掉的UTXO的目的。因此Plasma方案赋予其他用户进行举证质疑的权利以保证提出资产的合法性，而这一流程可能需要花费数日乃至一周之久。此外，在用户大规模提出提款申请时，主链将会出现集中式的拥堵。

　　Rollup：Rollup是最被业内看好的方案，包括Optimistic Rollup与zkRollup两类。Rollup的基本思路和Plasma一致，将链下状态传到主链保存以保证资产安全，在Plasma简单哈希值的基础上，Rollup方案将所有交易进行打包压缩，主链用户可以对信息进行解压查看交易细节并进行验证。两种Rollup方案之间的区别在于验证方式的不同。zkRollup基于零知识证明，即每次发送交易时需要发送对应的零知识证明，以确认交易的真实性。Optimistic Rollup则基于同Plasma类似的欺诈证明，发送交易的用户需要质押一定的资产，任何用户在交易发布后的一段时间内都可以提出欺诈证明，而被判定欺诈的交易者将会失去他的质押资产。本文将要详细介绍的Arbitrum也是基于Rollup的方案。

　　Validium：Validium的设计和zkRollup非常类似，唯一的区别在于zkRollup的交易数据存在链上，而Validium的交易数据存在链下。二者使用的都是零知识证明的方法。为了防止执行者作恶，Validium引入了一个“数据可用性委员会”，委员会中的委员负责对数据签名，只要满足法定人数的委员在线并且他们是诚实的，用户就能保证成功退出资金。

　　不同的方案各有优劣，以下是Matter Labs整理的各方案优劣势分析：

　　数据参考：Offchain Labs 不同Layer2方案优劣势分析表

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