以太坊 Layer2 的中心化问题:去中心化排序器探索

1. 要点

• Layer2 rollup 的主要作用是为用户提供廉价安全的交易环境。rollup 将用户交易汇总后提交到以太坊 Layer1。

• 排序器负责将用户交易排序并打包。目前主流 rollup 项目都使用中心化排序器,存在审查、MEV 攫取和单点故障等风险。

• 去中心化共享排序器网络是解决方案之一,可以为多个 rollup 提供去中心化的排序服务。

• Espresso、Astria、Radius 等项目正在开发创新的共享排序解决方案,各有特色。

• 排序器去中心化对 rollup 生态系统的安全性和互操作性至关重要,是未来发展的重要方向。

2. 简介

随着以太坊 Layer2 rollup 生态系统的不断普及,排序器的作用越来越受到关注。排序器负责交易排序,通过使用排序器,rollup 可以提供更好的用户体验、更低的费用和更快的交易确认。

然而,目前主流的以太坊 Layer2 项目都采用了中心化排序器,这可能会引发审查、MEV 攫取和单点故障等问题,与加密货币去中心化的精神相悖。

虽然大多数 rollup 项目都将排序器去中心化列入了路线图,但对于如何实现去中心化还没有达成共识。值得注意的是,Arbitrum 和 Optimism 自2021年下半年就推出了相关方案,但在去中心化排序器方面还没有取得实质性进展。

本报告将详细探讨排序器的作用和以太坊 rollup 领域的现状,深入分析正在开发解决方案的项目,并思考这对以太坊 Layer2 rollup 生态的未来发展可能产生的影响。

3. 排序器简介

区块链本质上是一个由按区块排序的带有时间戳的交易数据组成的分布式账本。最初这些交易数据是无序的,经过排序后才能组织成区块并执行,生成区块链的新状态。对于以太坊等 Layer1 区块链,这种交易排序发生在基础层本身。

在以太坊最流行的扩容方案 - Layer2 rollup 中,交易排序已成为一个日益重要的问题。rollup 的主要作用是为用户提供一个安全的低成本交易环境。简单来说,Layer2 rollup 为用户提供执行层,然后将交易数据汇总提交给上层 Layer1,如 Arbitrum、Optimism、zkSync 等。提交给 Layer1 的一批交易通常包含数百或数千个压缩的 Layer2 交易,从而降低了向 Layer1 发送数据的成本。

在 Layer2 rollup 世界中,排序器是负责将交易排序成组的实体。排序器接收来自用户的无序交易,在链下将其处理成组,然后生成一批压缩的有序交易。这些交易随后可以被放入区块并发送到父 Layer1。成批的交易还可以在数据可用性层(通常是以太坊,用于当前的大多数 rollup)上使用。排序器还向用户提供软承诺,即在收到用户的交易后,会提供一个近乎即时的收据作为"软确认"。而"硬确认"是在交易被发送到 Layer1 层之后收到的。

为什么 Rollup 要使用排序器,为什么它是一个问题?

排序器的根本目标是改善用户体验。使用排序器进行 Layer2 交易类似于使用"快车道",意味着更低的费用和更快的交易确认。实际上,排序器可以将数百上千笔 Layer2 交易批量压缩成单笔 Layer1 交易,从而节省 gas 费。此外,排序器提供的软确认意味着 rollup 交易能够为用户提供快速的区块确认。这种组合有助于改善用户使用 Layer2 rollup 的体验。

需要注意的是,rollup 并不一定需要排序器;这只是为了提供更好的用户体验而做出的设计选择。例如,就像大多数 rollup 使用以太坊 Layer1 来提高数据可用性一样,它们也可以使用以太坊来进行排序。然而,以太坊的基础层效率相对较低且昂贵,特别是考虑到 Layer2 交易量很大。从本质上讲,rollup 的交易吞吐量将受到以太坊 Layer1 数据排序率的限制。用户还将经历与在以太坊上交易相同的交易确认延迟。这意味着,迄今为止,每一个主要的 Layer2 rollup 项目都发现,运行一个中心化排序器更方便、更便宜、更易于用户使用。虽然 Layer2 用户可以直接向 Layer1 提交交易以绕过排序器,但他们必须向 Layer1 支付交易 gas 费,而且交易可能需要更长的时间才能最终完成。这在很大程度上违背了利用 Layer2 rollup 执行交易的初衷。

由于排序器控制着交易的排序,理论上它有权不将用户交易纳入其中(不过,如果用户有能力并愿意支付 gas 费,也可以直接向 Layer1 提交交易)。排序器还可以从交易组中提取 MEV,这可能会对用户群造成经济损失。如果只有一个排序器,就像目前所有主流 rollup 的情况一样,中心化的风险就会更大。在这种情况下,如果唯一的排序器出现故障,那么整个 rollup 都会受到影响。多排序器设置可以降低这种风险。

通过这种设置,排序器可被视为用户的半信任方。虽然排序器不能阻止用户使用 Layer2,但它可以延迟用户的交易,导致用户支付额外的 gas 费,并从用户的交易中获取价值。

MEV 的相关性

MEV 在这里尤为重要。MEV 指的是从区块生产中获得的价值,超出了一阶挖矿(或质押)区块奖励和 gas 费。它是通过操纵区块内的交易,即通过纳入、排除和改变交易顺序来提取的价值。例如,提取 MEV 的常见形式包括抢先交易和三明治攻击。

鉴于排序器在 Layer2 rollup 中扮演的角色,它们可以了解链外的所有用户交易。此外,由于这些排序器通常由项目本身或附属团队运行,例如 OP Mainnet 的乐观基金会和 Arbitrum One 和 Nova 的 Arbitrum 基金会,许多用户担心他们无法看到潜在的 MEV 攫取。即使没有这些顾虑,随着项目运行自己的中心化排序器,这些协议的可信度和去中心化程度也会受到质疑。

排序器市场现状

目前,所有主要的以太坊 Layer2 rollup 都依赖于中心化排序器。随着越来越多的以太坊交易转移到 Layer2 解决方案上,尽管以太坊的验证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)都会受到以唯一排序器为形式的中心化力量的影响。

不出所料,这些公司中的大多数都已经将各自排序器的去中心化列入了路线图。虽然这是一个积极的信号,表明去中心化是 Layer2 愿景的一部分,但我们应该注意到,Arbitrum 和 Optimism 自2021年末就已推出了自己的解决方案,可以说,它们在去中心化排序器方面尚未取得实质性进展。

大多数顶级公司似乎都将资源用于改进其核心产品和功能,而不是专注于去中心化。这并不完全是一种批评,因为在竞争激烈的环境中,在拥有有竞争力的产品之前就专注于去中心化并不符合任何公司的最佳利益,这在某种程度上是可以理解的。然而,随着网络公司的成熟,这种观点正在发生变化,人们的讨论正迅速转向排序器去中心化和提高可信度。

其他问题

值得强调的是,关于依赖中心化排序器所带来的风险程度存在一些讨论。

如上所述,由于排序器控制着交易的排序,它们可以排除用户交易,也可以提取 MEV。然而,排序器最终也无法将用户完全排除在 rollup 交易之外。用户可以绕过排序器,直接向 Layer1 提交交易(只要他们乐意并愿意支付增加的 gas 成本)。虽然行为不当的排序器可能会导致交易延迟和用户承担额外费用,但它最终无法完全审查。在此之前,没有任何一家大型 Layer2 公司极其专注于去中心化其排序器,这很可能就是原因之一。尽管如此,排序器重新排序交易以提取 MEV 仍是一个问题,尤其是像 OP Mainnet 这样的私有内存池。

也许,更大的问题在于实时性。鉴于主要的 rollup 程序都在运行唯一的中心化排序器,如果这些排序器出现问题,整个 rollup 程序都会受到不利影响。虽然用户仍然可以通过直接访问 Layer1 来完成交易,但这并不是一个特别持久的方法,而且不太可能对大多数交易起作用。请记住,使用 Layer2 rollup 的全部意义在于节省交易成本。鉴于加密货币背后的基本理念之一是防止依赖唯一的中心化提供商(就像在传统金融领域一样),排序器中心化显然是一个亟待解决的重要问题,也是共享排序器将为 Layer2 rollup 市场带来的关键解锁之一。

4. 解决方案:去中心化共享排序器

概述

解决上述问题的新方案是去中心化共享排序器。虽然不同项目的解决方案各不相同,但取代唯一的中心化排序器的基本理念是相同的。这里的"共享"指的是多个不同的 rollup 可以使用同一个网络,也就是说,来自多个 rollup 的交易在排序之前会被聚合在一个内存池中(有助于减少 MEV 提取和审查的可能性)。这里的"去中心化"指的是领导者轮换的概念,即并不总是由单个行为者对所有交易进行排序,而是从一组去中心化的行为者中选出一个领导者。这有助于防止审查,并提供有效性保证。

这与各种不同的 Layer1 使用领导者轮换机制的运作方式非常相似。事实上,构建去中心化排序层与构建去中心化 Layer1 类似,即需要构建验证器集。正如我们在本节后面将看到的,不同的项目采取了不同的方法来满足这一要求。

共享排序器旨在缓解 MEV 提取问题,提供抗审查能力,并提高 rollup 的有效性保证,即解决中心化排序器所面临的问题(如上所述)。此外,还有两点值得注意:

• 去中心化即服务:共享排序器解决方案旨在为任意数量的 rollup 提供排序器去中心化服务。然后,所有这些 rollup 都将受益于去中心化网络所能提供的抗审查性和实时性,而无需自行建立该网络。鉴于这可能是一个非常昂贵和耗时的过程,这是共享排序器网络的一个主要卖点。请记住,目前还没有任何一家公司对其排序器进行去中心化,而且它们中的大多数都有足够的资金来这样做,这意味着这并不是一个完