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区块链基础：PoW v.s. PoS

场外交易市场（OTC），虚拟货币已形成一定规模，但鉴于其去中心化、参与者知识壁垒较高，使得虚拟货币作为通货或者金融产品具有较多问题，例如，价格波动较大、参与者更容易利用市场机制出现不合适的行为，达到自身利益最大化，以及作为通货的流通市场小。笔者认为，无论从事哪个行业，都有必要了解比特币市场机制和区块链的跨界应用。

目前，不同于各国央行发行的具有主权信用背书的货币，虚拟币（如比特币、以太坊）具有流通有限、价格波动影响暂时不大的特点。然而，短期内没有央行信用风险，并不意味着，不存在长期去中心化带来的系统风险。

虚拟币原始获取，即兑换成本基于其奖励机制：起初用工作量证明（PoW）证明参与者对虚拟市场的贡献，并予以奖励。当部分参与者有了虚拟资产原始积累，参与者开启权益证明（PoS），即可以用已有的货币进行“挖矿”，进而“铸币”，即创造通货。

比特采用PoW，挖矿消耗网络资源多，市场价格30000美元左右；以太坊采用PoS，挖矿消耗资源少，仅为比特币1/1000，市场价格2000美元左右。 点击：详细阅读两种证明的解释。


区块链层级


区块链扩容

区块链技术面临的最大问题在于：交易确认时间长、网络拥堵严重等，总结为性能问题。提升性能的行为，称为区块链扩容，较流行的衡量指标。一是TPS（Transactions Per Second），单位时间内处理的交易数量；二是“平均处理时间”，相当于一个代币币种范式下，一个矿工的处理能力。

Layer-1扩容，即On-Chain扩容，采用优化、改进公链基本协议提升区块链性能（CSDN作者，2020）。举个例子，扩容之前的以太坊，同一时间只有一个矿工可记账，而 “扩容”使得以太坊可同时允许多个矿工记账，最终反应为TPS提高。

Layer-2扩容，即Off-Chain扩容，不改变公链基本协议，在应用层改进提升性能。Layer2扩容有两种解决方案，一是状态通道（State Channel），例如，比特币的Lightning Network 和以太坊的Raiden Network。二是侧链（Side-Chain），如以太坊的Plasma协议。

状态通道（State Channel），临时点对点通信，只支持两个用户。具体机制，交易开启时锁定双方固定金额，设定有效时间，并在其时间内可由任意一方关闭，即基于特定技术协议进行数据交互、数字资产转移。然后，可以接入网络时，到达约定时间或者某方主动向主链同步，主链只记录最终结果。

该解决方案主要应用于小额高频交易，存在如下问题。一是鉴于其临时通路（数据不永久存储），参与方设备故障会导致数字资产损失。二是仅支持两个用户，通道建立由特定路由算法选出（选出已有的、最优的）。当一种代币币种范式下有许多参与者同时交易，实则是一个通道网络。小额高频场景可保证资产损失可控。

侧链（side-chain），也是区块链，有独立的物理地址、独立记账功能，独立增长子区块链。同样有矿工、永久存储机制和共识算法。例如，以太坊的Plasma协议是目前的流行方案。笔者注：这部分暂时属于初步理解，在筛选资料的过程中，加入了自己的理解。

主链与侧链的交互，即主链记录侧链的若干个离散状态，称为状态迁移（State Transition）。侧链产生时，主链将自身的状态记录在侧链，为其初始状态。侧链演进过程中，定期将其自身状态记录在主链，主要用于解决争议、退出侧链时恢复状态之用。上述“状态”，可以包括账户余额、持有数字资产（ERC20或ERC721 Token)。所谓“状态转移”，即将上述状态内容全部或部分记录在侧链上。

侧链“退出”机制是技术难点，原理和工程均较复杂。参与者如果想从侧链退出，需要提出申请，将自己在侧链中的状态映射回主链。可以推知，侧链中的状态变动，必然由参与者与其他参与者交互引起，因此也会影响其他参与者状态，于是引入“争议期”概念。争议期内，参与者可发起争议。提交状态和技术证明，此时主链上的“仲裁合约”依据技术证明自动化判断状态变动是否合法，进行主链状态更改。鉴于侧链的几乎独立性，在实践中的要求是更高的处理能力，因此采用PoS、DPoS机制，并且考虑欺诈行为的惩罚机制。宏观层面来说，侧链形成，形同增加了一个层级，可以几乎无线扩展，也因此被归类为Layer-2（知乎作者，2018）。 点击：关于Plasma以及新宠Polygon介绍。

本篇直接转载所有的扩容方案，以求宏观地理解目前区块链技术关卡，但并未对多有的扩容方案有深入研究。


Arbitrum：有望成为最早实现大规模Layer2方案



区块链的技术困难，主要是网络拥塞和gas费过高，诸多基于区块链基础设施的DeFi（去中心化金融）和DEX应用对于扩容需求强烈，以求更高效安全的交易环境。

目前Layer２扩容技术主要是状态通道、侧链、Rollup类解决方案。其中，Rollup是最受关注、最可能实现的，鉴于其支持通用EVM代码，允许现有应用轻松转移，仍属于早期技术。

Arbitrum是Rollup的一种，是Offchain Labs团队基于Optimistic Rollup技术创建的，建立在以太坊之上，可形成Layer1与Layer2之间通信及资产转移，原始数据提交以太坊，执行以及合约存储处于Off Chain，也因此gas花费少。和其他Rollup方案一样，Arbitrum也是将交易信息存储到不同区块上，以节省gas费用，但这会影响行为本身的安全性。

Arbitrum创始人Ed Felten表示，协议将遵循以下三点：一是与以太坊兼容；二是尽可能多的链下（Off Chain）交易；三是建立一套无需信任的交易体系，使得所有人都能做出正确的交易行为。如何达到这三点原则？

首先，以太坊建立了公正的奖励机制，也会给该币种范式下增加财富。以Arbitrum Rollup为例，该解决方案基于Optimistic，由Optimistic Rollup协议保障。任何用户均可质疑Rollup执行并提出“断言”，其他用户可进行质疑，最终由以太坊调解，诚实用户可获奖励，而争议失败者将被收取保证金。

其次，Arbitrum完全兼容EVM。预期，ZK Rollup将有一位研究人员加入Arbitrum，引入零知识证明技术，以实现链下批量执行所有计算。届时，只需向以太坊提供零知识证明验证，并保证主链存储数据充足，可具有以太坊层级的安全性。

最后是环境方面优势。一方面，Arbitrum获得Uniswap大力支持；二是已经有DeFi交易所采用该公司扩容方案，即去中心化永续合约与期货交易所MCDEX。除了上述提到的成本低、完全兼容EVM之外，还有两方面原因使得MCDEX采用Arbitrum扩容方案，一是Arbitrum提供更详细的文档、代码、无许可测试网；二是其序列器模型允许用户在Layer2快速确认交易状态（韩玲，2021）。


交易成本：gas费用

以太坊虚拟机（EVM）上每一个操作都有相应的 gas成本。例如，两个数字相加花费3gas，获取账户余额花费400gas，发送一笔交易花费21000个gas。智能合约，通常包括多个操作，加起来花费数十万gas。总的来说，gas是用于测量在以太坊区块链上执行特定操作所需的计算工作量的单位。

计算区块链上的交易费用，为gas与gas价格的乘积，gas价格单位gwei，1gwei = 0.000000001ETH。举个例子，如果ETH价格1800美元（近期跌破了2000美元），由以太坊钱包（如Metamask）估算gas价格，进而计算交易费用。假设估计gas价格为100gwei，于是交易费用满足：



以太坊功能强大，可执行任意代码。因此，存在永续程序的可能，而gas存在的意义，则是让程序运行产生成本，规避有意或无意的永续程序，避免网络停滞（狸猫云算，2021）。


参考文献

[1] 简书作者（2020），区块链的层级结构（什么是区块链的Layer0/1/2），简书，2020.

[2] CSDN作者（2020），区块链 layer0、layer1和layer2是什么 有什么作用，CSDN，2020

[3] 知乎作者（2018），区块链100讲：浅谈区块链的 Layer2 扩展，知乎，2018

[4] 链得得-韩玲（2021），Arbitrum应用生态一览：目前哪些DeFi大户站队Arbitrum？，钛媒体，2021.

[5] 狸猫云算（2021），解读：什么是gas费用？为什么需要gas？，知乎，2021