Ethereum Layer網路的中心化排序器問題及去中心化解決方案

1. 要點

• 排序器負責將Layer網路上的交易排序打包,是一個關鍵組件。目前主流Layer網路普遍使用中心化排序器,存在審查、MEV提取和單點故障等風險。

• 去中心化共享排序器網路是解決這些問題的方案,可以爲多個Layer網路提供排序服務,實現抗審查、快速確認和跨rollup互操作性。

• Espresso、Astria和Radius等項目正在開發去中心化共享排序器解決方案,各有特色。Espresso利用EigenLayer,Astria與Celestia合作,Radius採用加密內存池。

• 現有Layer網路面臨三個選擇:繼續使用中心化排序器、集成第三方共享排序器、或自行開發去中心化方案。不同選擇各有利弊。

• 排序器去中心化將是Layer生態系統發展的重要趨勢,關係到安全性、互操作性和用戶體驗。未來將有更多項目加入這一賽道。

2. 簡介

隨着以太坊Layer擴容網路的普及,排序器這一關鍵組件正引發越來越多關注。排序器負責交易排序,可以提供更好的用戶體驗、更低費用和更快確認。但目前主流Layer網路普遍採用中心化排序器,存在審查、MEV提取和單點故障等風險,與加密貨幣去中心化精神相悖。

雖然大多數Layer項目都將排序器去中心化列入路線圖,但實現方式尚無共識。本報告將深入探討排序器的作用、當前現狀,以及正在開發的去中心化共享排序器解決方案。我們將詳細介紹Espresso、Astria和Radius等主要項目的技術特點,並思考這對以太坊Layer生態的未來影響。

3. 什麼是排序器?

區塊鏈本質上是一個分布式數據帳本,由按區塊排序的帶時間戳的交易數據組成。這些交易數據最初是無序的,需要經過排序後組織成區塊並執行,以創建新的區塊鏈狀態。對於以太坊等Layer 1區塊鏈,這種交易排序發生在基礎層本身。

在Layer rollup網路中,交易排序已成爲一個重要問題。rollup的主要作用是爲用戶提供低成本交易的安全場所。簡單來說,Layer rollup爲用戶提供執行層,然後將交易數據提交給上層Layer 1。提交給Layer 1的單批交易通常包含數百或數千個壓縮的Layer交易,從而降低向Layer 1發送數據的成本。

在Layer rollup世界中,排序器是有權將交易排序成組的實體。排序器接收來自用戶的無序交易,在鏈外將其處理成組,然後生成一批壓縮的有序交易。這些交易可被放入區塊並發送到Layer 1。排序器還向用戶提供近乎即時的收據作爲"軟確認",而"硬確認"則是在交易被發送到Layer 1後收到。

爲什麼Rollups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Layer交易類似於使用"快車道",可以實現更低費用和更快確認。排序器可將成百上千筆Layer交易批量壓縮成單筆Layer 1交易,從而節省gas費。此外,排序器提供的軟確認使rollup交易能夠爲用戶提供快速確認。

重要的是,rollup並不必須使用排序器;這只是爲了更好用戶體驗而做出的設計選擇。例如,rollup也可以使用以太坊Layer 1來進行排序,但這可能效率較低且成本較高。這就是爲什麼迄今爲止,每個主要的Layer項目都選擇運行中心化排序器,認爲這更方便、更便宜、更易於使用。

然而,由於排序器控制着交易排序,它理論上有權不將用戶交易納入其中(盡管用戶可以直接向Layer 1提交交易)。排序器還可以從交易組中提取MEV,這可能對用戶造成經濟損失。如果只有一個中心化排序器,單點故障風險就會更大。

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Layer,但它可以延遲用戶交易、導致額外gas費,並從用戶交易中獲取價值。

MEV的相關性

MEV(最大可提取價值)在這裏尤爲重要。MEV指的是從區塊生產中獲得的超出標準區塊獎勵和gas費的額外價值,通過操縱區塊內交易順序來提取。常見形式包括搶先交易和三明治攻擊等。

鑑於排序器在Layer rollup中的角色,它們可以了解鏈外的所有用戶交易。由於這些排序器通常由項目本身或附屬團隊運行,許多用戶擔心無法看到潛在的MEV提取。即使沒有這些顧慮,中心化排序器的使用也會影響這些協議的去中心化程度。

排序器市場現狀

目前所有主要的以太坊Layer網路都依賴中心化排序器。隨着越來越多以太坊交易轉移到Layer,盡管以太坊驗證器集本身是去中心化的,但大量交易似乎都受到以中心化排序器爲形式的中心化力量影響。

大多數Layer項目都已將排序器去中心化列入路線圖。但值得注意的是,Arbitrum和Optimism自2021年末就推出了自己的解決方案,可以說在去中心化排序器方面尚未取得實質性進展。

大多數頂級項目似乎都將資源用於改進核心產品和功能,而非專注於去中心化。這在競爭激烈的環境中可以理解,但隨着網路成熟,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

關於依賴中心化排序器所帶來的風險程度存在一些討論。

如前所述,由於排序器控制交易排序,它們可以排除用戶交易和提取MEV。但排序器最終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Layer 1提交交易(只要願意支付更高gas費)。這可能是一些大型Layer項目此前不太關注去中心化排序器的原因之一。但排序器重新排序交易以提取MEV仍是一個問題,尤其是對於私有內存池。

也許更大的問題在於可用性。如果唯一的中心化排序器出現問題,整個rollup網路都會受到影響。雖然用戶仍可以直接訪問Layer 1完成交易,但這並不是一個可持續的方法,且不適用於大多數交易。考慮到加密貨幣的基本理念之一是避免依賴單一中心化提供商,排序器中心化顯然是一個亟待解決的重要問題。

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。不同項目的具體實現各不相同,但基本理念是用去中心化網路取代單一中心化排序器。這裏的"共享"指多個rollup可以使用同一個網路,來自多個rollup的交易在排序前會被聚合在一個內存池中。這有助於減少MEV提取和審查的可能性。"去中心化"指採用領導者輪換機制,從一組去中心化節點中選出排序者。這有助於防止審查,並提供可用性保證。

這與各種Layer 1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Layer 1類似,都需要構建驗證器集。不同項目採取了不同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的可用性保證。此外還有兩點值得注意:

1. 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。所有這些rollup都將受益於去中心化網路提供的抗審查性和可用性,而無需自行建立該網路。考慮到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。

2. 跨rollup可組合性:由於這些共享排序器解決方案旨在處理多個rollup的交易排序,因此能夠提供目前無法實現的獨特互操作性保證。例如,用戶可以指定Rollup 1上的交易僅在Rollup 2上的特定交易也包含在同一區塊時才執行。這種有條件的交易包含可以釋放新的可能性,包括原子跨rollup套利等。

下面我們將重點介紹幾個主要的共享排序器項目及其策略。

Espresso

Espresso Systems致力於構建將Web3引入主流的工具,特別關注Layer rollup和以太坊生態系統。

Espresso排序器是一個去中心化共享排序網路,旨在去中心化rollup,同時提供安全、高吞吐量、低延遲的交易排序和數據可用性。它的設計目的是處理rollup的去中心化排序和數據可用性,在rollup和底層Layer 1之間充當中間件網路。

Espresso排序器的核心是HotShot共識協議。HotShot是開放的、無許可的,它將參與排序器網路的權力下放,在提供高吞吐量和快速最終性的同時,還保證了安全性和可用性。HotShot採用權益證明安全模型,Espresso團隊對其提出的關鍵要求之一是在不影響驗證器集規模的情況下實現強大的性能。

Espresso Systems試圖通過使用以太坊現有的驗證器集,爲其排序器實現以太坊級別的安全性。這種設置有兩個關鍵原因:

1. 安全性:啓動去中心化PoS共識協議的成本極高。通過使用與以太坊相同的驗證器,排序器可以達到自身很難達到的安全性、可用性和去中心化水平。

2. 激勵一致:從概念上講,讓以太坊Layer 1驗證者參與運行以太坊Layer rollup所使用的協議是合理的。將排序器去中心化,並與Layer 1驗證者合作確保其安全性,是減少相關擔憂的好方法。

Espresso將尋求通過與EigenLayer建立合作關係來實現這一點。通過EigenLayer重質押,用戶可以在多個協議中質押他們的以太坊和以太坊流動性質押代幣,從而將經濟安全性擴展到以太坊本身之外。

Espresso還使用其高效的Tiramisu數據可用性解決方案來降低交易成本。Tiramisu有三個層次:Savoiardi基礎層提供最高級別安全性,Mascarpone中間層通過選舉小型數據管理委員會保證高效數據恢復,Cocoa頂層爲Tiramisu提供內容分發網路。

Espresso Systems最近宣布了多個合作夥伴關係,包括與Polygon zkEVM、Injective、AltLayer、Caldera和Spire等項目的集成。他們還發布了Doppio測試網,這是HotShot和Espresso排序器的第二個重要裏程碑。

Astria

Astria正在建立一個共享排序器網路,同時開發Astria EVM作爲首個由該網路支持的rollup。

Astria的共享排序器網路允許多個不同的rollup共享一個單一、無許可、去中心化的排序器網路。有了這個網路,Astria提供了一個開箱即用的解決方案,使rollup具有抗審查、快速區塊確認和原子跨rollup合成能力。

Astria的網路本身是一個中間件區塊鏈,利用CometBFT就一組有序交易達成共識。該網路接受來自多個rollup的交易,將它們排序爲一個區塊並寫入數據可用性層。

Rollup可以在創建區塊後立即從Astria獲取已排序區塊,通過"軟承諾"爲用戶提供快速確認。或者,rollup可以從數據可用性層檢索有序區塊,以獲得"硬承諾"。

Astria EVM將是首個由Astria共