以太坊 Layer2 的中心化問題:去中心化排序器探索

1. 要點

• Layer2 rollup 的主要作用是爲用戶提供廉價安全的交易環境。rollup 將用戶交易匯總後提交到以太坊 Layer1。

• 排序器負責將用戶交易排序並打包。目前主流 rollup 項目都使用中心化排序器,存在審查、MEV 攫取和單點故障等風險。

• 去中心化共享排序器網路是解決方案之一,可以爲多個 rollup 提供去中心化的排序服務。

• Espresso、Astria、Radius 等項目正在開發創新的共享排序解決方案,各有特色。

• 排序器去中心化對 rollup 生態系統的安全性和互操作性至關重要,是未來發展的重要方向。

2. 簡介

隨着以太坊 Layer2 rollup 生態系統的不斷普及,排序器的作用越來越受到關注。排序器負責交易排序,通過使用排序器,rollup 可以提供更好的用戶體驗、更低的費用和更快的交易確認。

然而,目前主流的以太坊 Layer2 項目都採用了中心化排序器,這可能會引發審查、MEV 攫取和單點故障等問題,與加密貨幣去中心化的精神相悖。

雖然大多數 rollup 項目都將排序器去中心化列入了路線圖,但對於如何實現去中心化還沒有達成共識。值得注意的是,Arbitrum 和 Optimism 自2021年下半年就推出了相關方案,但在去中心化排序器方面還沒有取得實質性進展。

本報告將詳細探討排序器的作用和以太坊 rollup 領域的現狀,深入分析正在開發解決方案的項目,並思考這對以太坊 Layer2 rollup 生態的未來發展可能產生的影響。

3. 排序器簡介

區塊鏈本質上是一個由按區塊排序的帶有時間戳的交易數據組成的分布式帳本。最初這些交易數據是無序的,經過排序後才能組織成區塊並執行,生成區塊鏈的新狀態。對於以太坊等 Layer1 區塊鏈,這種交易排序發生在基礎層本身。

在以太坊最流行的擴容方案 - Layer2 rollup 中,交易排序已成爲一個日益重要的問題。rollup 的主要作用是爲用戶提供一個安全的低成本交易環境。簡單來說,Layer2 rollup 爲用戶提供執行層,然後將交易數據匯總提交給上層 Layer1,如 Arbitrum、Optimism、zkSync 等。提交給 Layer1 的一批交易通常包含數百或數千個壓縮的 Layer2 交易,從而降低了向 Layer1 發送數據的成本。

在 Layer2 rollup 世界中,排序器是負責將交易排序成組的實體。排序器接收來自用戶的無序交易,在鏈下將其處理成組,然後生成一批壓縮的有序交易。這些交易隨後可以被放入區塊並發送到父 Layer1。成批的交易還可以在數據可用性層(通常是以太坊,用於當前的大多數 rollup)上使用。排序器還向用戶提供軟承諾,即在收到用戶的交易後,會提供一個近乎即時的收據作爲"軟確認"。而"硬確認"是在交易被發送到 Layer1 層之後收到的。

爲什麼 Rollup 要使用排序器,爲什麼它是一個問題?

排序器的根本目標是改善用戶體驗。使用排序器進行 Layer2 交易類似於使用"快車道",意味着更低的費用和更快的交易確認。實際上,排序器可以將數百上千筆 Layer2 交易批量壓縮成單筆 Layer1 交易,從而節省 gas 費。此外,排序器提供的軟確認意味着 rollup 交易能夠爲用戶提供快速的區塊確認。這種組合有助於改善用戶使用 Layer2 rollup 的體驗。

需要注意的是,rollup 並不一定需要排序器;這只是爲了提供更好的用戶體驗而做出的設計選擇。例如,就像大多數 rollup 使用以太坊 Layer1 來提高數據可用性一樣,它們也可以使用以太坊來進行排序。然而,以太坊的基礎層效率相對較低且昂貴,特別是考慮到 Layer2 交易量很大。從本質上講,rollup 的交易吞吐量將受到以太坊 Layer1 數據排序率的限制。用戶還將經歷與在以太坊上交易相同的交易確認延遲。這意味着,迄今爲止,每一個主要的 Layer2 rollup 項目都發現,運行一個中心化排序器更方便、更便宜、更易於用戶使用。雖然 Layer2 用戶可以直接向 Layer1 提交交易以繞過排序器,但他們必須向 Layer1 支付交易 gas 費,而且交易可能需要更長的時間才能最終完成。這在很大程度上違背了利用 Layer2 rollup 執行交易的初衷。

由於排序器控制着交易的排序,理論上它有權不將用戶交易納入其中(不過,如果用戶有能力並願意支付 gas 費,也可以直接向 Layer1 提交交易)。排序器還可以從交易組中提取 MEV,這可能會對用戶羣造成經濟損失。如果只有一個排序器,就像目前所有主流 rollup 的情況一樣,中心化的風險就會更大。在這種情況下,如果唯一的排序器出現故障,那麼整個 rollup 都會受到影響。多排序器設置可以降低這種風險。

通過這種設置,排序器可被視爲用戶的半信任方。雖然排序器不能阻止用戶使用 Layer2,但它可以延遲用戶的交易,導致用戶支付額外的 gas 費,並從用戶的交易中獲取價值。

MEV 的相關性

MEV 在這裏尤爲重要。MEV 指的是從區塊生產中獲得的價值,超出了一階挖礦(或質押)區塊獎勵和 gas 費。它是通過操縱區塊內的交易,即通過納入、排除和改變交易順序來提取的價值。例如,提取 MEV 的常見形式包括搶先交易和三明治攻擊。

鑑於排序器在 Layer2 rollup 中扮演的角色,它們可以了解鏈外的所有用戶交易。此外,由於這些排序器通常由項目本身或附屬團隊運行,例如 OP Mainnet 的樂觀基金會和 Arbitrum One 和 Nova 的 Arbitrum 基金會,許多用戶擔心他們無法看到潛在的 MEV 攫取。即使沒有這些顧慮,隨着項目運行自己的中心化排序器,這些協議的可信度和去中心化程度也會受到質疑。

排序器市場現狀

目前,所有主要的以太坊 Layer2 rollup 都依賴於中心化排序器。隨着越來越多的以太坊交易轉移到 Layer2 解決方案上,盡管以太坊的驗證器集本身是去中心化的,但似乎大量的交易(即那些在 Layer2 上的交易)都會受到以唯一排序器爲形式的中心化力量的影響。

不出所料,這些公司中的大多數都已經將各自排序器的去中心化列入了路線圖。雖然這是一個積極的信號,表明去中心化是 Layer2 願景的一部分,但我們應該注意到,Arbitrum 和 Optimism 自2021年末就已推出了自己的解決方案,可以說,它們在去中心化排序器方面尚未取得實質性進展。

大多數頂級公司似乎都將資源用於改進其核心產品和功能,而不是專注於去中心化。這並不完全是一種批評,因爲在競爭激烈的環境中,在擁有有競爭力的產品之前就專注於去中心化並不符合任何公司的最佳利益,這在某種程度上是可以理解的。然而,隨着網路公司的成熟,這種觀點正在發生變化,人們的討論正迅速轉向排序器去中心化和提高可信度。

其他問題

值得強調的是,關於依賴中心化排序器所帶來的風險程度存在一些討論。

如上所述,由於排序器控制着交易的排序,它們可以排除用戶交易,也可以提取 MEV。然而,排序器最終也無法將用戶完全排除在 rollup 交易之外。用戶可以繞過排序器,直接向 Layer1 提交交易(只要他們樂意並願意支付增加的 gas 成本)。雖然行爲不當的排序器可能會導致交易延遲和用戶承擔額外費用,但它最終無法完全審查。在此之前,沒有任何一家大型 Layer2 公司極其專注於去中心化其排序器,這很可能就是原因之一。盡管如此,排序器重新排序交易以提取 MEV 仍是一個問題,尤其是像 OP Mainnet 這樣的私有內存池。

也許,更大的問題在於實時性。鑑於主要的 rollup 程序都在運行唯一的中心化排序器,如果這些排序器出現問題,整個 rollup 程序都會受到不利影響。雖然用戶仍然可以通過直接訪問 Layer1 來完成交易,但這並不是一個特別持久的方法,而且不太可能對大多數交易起作用。請記住,使用 Layer2 rollup 的全部意義在於節省交易成本。鑑於加密貨幣背後的基本理念之一是防止依賴唯一的中心化提供商(就像在傳統金融領域一樣),排序器中心化顯然是一個亟待解決的重要問題,也是共享排序器將爲 Layer2 rollup 市場帶來的關鍵解鎖之一。

4. 解決方案:去中心化共享排序器

概述

解決上述問題的新方案是去中心化共享排序器。雖然不同項目的解決方案各不相同,但取代唯一的中心化排序器的基本理念是相同的。這裏的"共享"指的是多個不同的 rollup 可以使用同一個網路,也就是說,來自多個 rollup 的交易在排序之前會被聚合在一個內存池中(有助於減少 MEV 提取和審查的可能性)。這裏的"去中心化"指的是領導者輪換的概念,即並不總是由單個行爲者對所有交易進行排序,而是從一組去中心化的行爲者中選出一個領導者。這有助於防止審查,並提供有效性保證。

這與各種不同的 Layer1 使用領導者輪換機制的運作方式非常相似。事實上,構建去中心化排序層與構建去中心化 Layer1 類似,即需要構建驗證器集。正如我們在本節後面將看到的,不同的項目採取了不同的方法來滿足這一要求。

共享排序器旨在緩解 MEV 提取問題,提供抗審查能力,並提高 rollup 的有效性保證,即解決中心化排序器所面臨的問題(如上所述)。此外,還有兩點值得注意:

• 去中心化即服務:共享排序器解決方案旨在爲任意數量的 rollup 提供排序器去中心化服務。然後,所有這些 rollup 都將受益於去中心化網路所能提供的抗審查性和實時性,而無需自行建立該網路。鑑於這可能是一個非常昂貴和耗時的過程,這是共享排序器網路的一個主要賣點。請記住,目前還沒有任何一家公司對其排序器進行去中心化,而且它們中的大多數都有足夠的資金來這樣做,這意味着這並不是一個完