去中心化共享排序器:以太坊Layer2的安全基础

1. 要点

• 交易排序已成为Layer 2（"L2"）领域日益严重的问题。L2 rollup的主要作用是为用户提供低成本交易的安全场所。L2 rollup为用户提供执行层,然后将交易数据提交给上层Layer 1（"L1"）,如以太坊的Arbitrum、Optimism、zkSync等。

• 排序器是有权将交易排序成批的实体。排序器接收来自用户的无序交易,在链下将其处理成批,然后生成压缩的有序交易批次。这些交易批次随后可被放入区块并发送到父L1链。

• Rollup实际上不需要排序器;这只是一种设计选择,目的是为用户带来更低费用和更快交易确认的体验。例如,就像大多数rollup使用以太坊基础层来获得数据可用性一样,它们也可以使用基础层来进行排序。然而,以太坊的基础层可能相对低效且昂贵。这意味着迄今为止,每个主要的L2 rollup项目都发现运行中心化排序器更方便、更便宜、更用户友好。

• 由于排序器控制交易排序,它有权审查用户交易(尽管完全审查不太可能,因为用户可以直接向L1提交交易)。排序器还可以提取最大可提取价值("MEV"),这可能对用户群造成经济损失。此外,可用性也可能是一个大问题,即如果唯一的中心化排序器宕机,用户将无法使用该排序器,整个rollup都会受到影响。

• 解决方案是共享、去中心化排序器。共享排序器本质上是为rollup提供去中心化服务。除了解决审查、MEV提取和可用性等问题外,共享排序器还引入了跨rollup功能,开启了各种新的可能性。Espresso、Astria和Radius正在开发创新的共享排序解决方案,它们在各自的架构中具有独特功能。Espresso试图利用EigenLayer来引导其网络,而Astria则与模块化数据可用性网络Celestia保持密切联系。Radius则将其独特的加密mempool引入讨论。

2. 简介

随着以太坊L2 rollup生态系统不断普及,一个经常被忽视的方面是排序器。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,问题在于,迄今为止,所有主要的以太坊L2项目都发现运行自己唯一的中心化排序器最为方便、用户友好且成本更低。考虑到排序器在交易审查、MEV提取和创建单点故障(即可用性问题)方面的权力,这可能被视为不可取的结果,也不符合加密货币的精神。

虽然大多数公司都已经将各自排序器的去中心化作为路线图的一部分,但对于如何实现去中心化还没有达成真正的共识。我们还应该注意到,Arbitrum和Optimism自2021年下半年以来就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还没有取得实质性进展。

在本报告中,我们将仔细研究排序器的作用和以太坊rollup领域的现状。然后,我们深入探讨了正在研究解决方案的项目,即去中心化的共享排序网络。我们将详细介绍这些项目及其解决方案的独特之处。我们还思考了这对以太坊L2 rollup领域的未来发展可能意味着什么。

3. 什么是排序器?

区块链是一个分布式数据账本,由按区块排序的带有时间戳的交易数据组成。最初,这些交易数据是无序和无组织的。经过排序后,可以将其组织成区块并执行,以创建区块链的新状态。对于像以太坊这样的第一层("L1")区块链,这种交易排序发生在以太坊基础层本身。

在以太坊最受欢迎的可扩展性解决方案——Layer-2("L2") rollup层中,交易排序已成为一个日益严重的问题。请记住,rollup的主要作用是为用户提供一个安全的廉价交易场所。简单来说,L2 rollup为用户提供执行层,然后将其交易数据提交给上级L1,即以太坊的Arbitrum、Optimism、zkSync等。提交给L1的单批交易通常包含数百或数千个压缩的L2交易,从而降低了向L1发送数据的成本。

在L2 rollup世界中,排序器是有权将交易排序成组的实体。排序器接收来自用户的无序交易,在链外将其处理成组,然后生成一批压缩的有序交易。然后,这些交易可被放入区块并发送到父L1。成批的交易还可以在数据可用性("DA")层(通常是以太坖,用于当前的大多数rollup)上使用。它还向用户提供软承诺,即在收到用户的交易后,排序器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L1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?

从根本上说,排序器有一个非常明确的目标:改善用户体验。使用排序器进行L2交易类似于使用"快车道",这意味着费用更低,交易确认更快。事实上,排序器可将成百上千笔L2交易批量压缩成单笔L1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L2 rollup的体验。

重要的是要记住,rollup并不需要排序器;它只是为了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L1来提高数据可用性一样,它们也可以使用它来进行排序。以太坊基金会的Justin Drake最近称这些为"基于rollup"。然而,以太坊的基础层很可能相对低效和昂贵,特别是考虑到L2交易量很大。从本质上讲,rollup的交易吞吐量将受到以太坊L1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L2延展项目都发现,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L2用户可以直接向L1提交交易以绕过排序器,但他们必须向L1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L2 rollup执行交易的初衷。

鉴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L1提交交易)。排序器还可以从交易组中提取MEV(稍后详述),这可能会对用户群造成经济损失。如果只有一个排序器,就像目前所有主要rollup交易的情况一样,中心化的风险就会更大。在这种情况下,可用性可能会成为一个问题,即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L2,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,超出了一阶采矿(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的常见形式包括前置运行和三明治攻击。

鉴于排序器在L2 rollup中扮演的角色,它们可以了解链外的所有用户交易。此外,由于这些定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抽取。即使没有这些顾虑,随着项目运行自己的中心化排序器,这些协议的不可信和去中心化程度也会对用户造成影响。这些协议的可信度和去中心化肯定会受到质疑。

排序器市场现状

在撰写本文时,所有主要的以太坊L2版本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L2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L2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解决了各自排序器的去中心化问题,并将其作为路线图的一部分。虽然这是一个积极的信号,表明去中心化是L2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,而不是专注于权力下放。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L1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L2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mempool。

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L1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L2 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L2 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定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