文/ Web3er Liu，CatcherVC
原文標題：剖析新版Metis：Gas最低Layer2的去中心化進行時|CatcherVC Research
本文重點：
· Optimism和Arbitrum等OP Rollup的根本問題在於Sequencer節點的中心化，這需要可靠的解決方案。
· Metis嘗試率先實現Sequencer的去中心化，項目方開放了對等節點（Peer Node）網絡，將運行Sequencer節點的權力讓渡給社區成員或其他機構。
· Metis變更了存儲層結構，改變了在以太坊上發布數據的形態。通過集成Memolabs，可大幅壓縮存儲費用，成為主流Layer2中Gas費最低的一個。
· 通過引入新機制，Metis集成Memolabs後的新版本仍具備可靠的安全性與數據可用性。團隊判斷了潛在情況，並製定了有效措施。
· Metis支持節點運行者以DAC（機構級DAO）的形式註冊，以獲得持續性的代幣收益；同時，提供簡易的一站式DAO搭載服務，降低DAO運營難度，並開放社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡的權限進一步讓渡給社區成員。
傳統OP Rollup的問題
隨著近一年來Web3、元宇宙、NFT等概念走進大眾視野，Crypto行業正式進入了高速增長期。在各路資本和海量用戶的追捧下，以太坊憑藉先發優勢成為了整個Web3敘事的核心，其係統架構在經歷漫長演化後，已充分實現去中心化和安全性，成為名副其實的“恆星公鏈”。與此同時，效率的低下嚴重限制了這條公鏈的發展。相比於每秒處理幾千筆交易的VISA，TPS不到20的以太坊宛若舊時代的古董，與Vitalik口中“世界級去中心化應用平台”的宏大願景相去甚遠。
為了滿足Web3市場的龐大需求，側鏈、新公鏈、Rollup等不同方案先後走上歷史舞台，BSC、Polygon、Solana、Arbitrum、Optimism等明星項目在瓜分流量的同時，其固存的缺陷卻愈發明晰。由於TPS受到出塊速度的約束，各大Layer2或新公鏈幾乎都壓縮了節點數量，或將“共識”與出塊過程解綁，這直接降低了出塊時間，卻嚴重削弱了去中心化和系統安全性。
以Optimism為例，它採用一個稱作Sequencer（排序器）的單一礦工節點在Layer2秒級出塊，新區塊不需要立刻交給其他節點做驗證，可立即在本地敲定，節省了大量時間；同時，由於只有一個出塊節點，“記賬權”的分配是確定的，可直接取締POW過程（隨機分配記賬權的步驟）。
通過縮減出塊流程，Layer2本地區塊從產生到敲定可降至1秒甚至更低，用戶發起交易請求後，最快只要兩三秒就可收到結果，與微信支付旗鼓相當。
但此時，Layer2的新區塊沒有被驗證節點審計，存在不合規的可能性。對此，Sequencer要定期在Layer1發布本地的區塊副本，包括交易數據和狀態根（關聯著Layer2上的賬戶信息）。 Layer2的Verifier驗證節點會自動讀取Sequencer發布的內容，並進行審計，判斷Sequencer是否有造假嫌疑。
從本質來看，Optimism將以太坊作為一個披露數據、處理糾紛的“法院”，而關鍵點在於，Sequencer要多久在Layer1上發布一次數據。如果Sequencer很久才提交一次本地數據，無疑會拖延Verifier的審計進度，節點間達成共識就要過很久，這會嚴重削弱Layer2的可靠性。
根據Optimism官方瀏覽器，Sequencer在以太坊上發布狀態信息的時間頻率，可以慢到37分鐘一次，這意味著Sequencer出塊後，Verifier要等37分鐘才能做審計。相比之下，以太坊的新區塊只需13秒便可被全網節點審計完。顯然，Optimism的Sequencer和Verifier節點間信息不對稱很嚴重，共識機制的可靠性遠低於以太坊。
【讀者可參考CatcherVC此前文章：《深度解讀Optimism：基本架構、Gas機制與挑戰》】
對此，同處OP Rollup派系的Arbitrum將提交狀態信息的間隔縮短為2~5分鐘一次，這使得Verifier節點可以盡快進行狀態審計，大幅降低了信息差。
但Arbitrum有和Optimism相同的缺陷：負責出塊的Sequencer節點由官方運行，沒有將“記賬權”讓渡給外界，其理由在於，Sequencer的實權太大，關係到所有用戶的資產安全，在機制設計尚未健全的情況下，無法保障“程序正義”。為保險起見，Arbitrum和Optimism的出塊節點均由官方作信用背書，以彌補目前系統機制的不完善。
這樣做的後果很明顯：Arbitrum和Optimism實質成為了中心化運營商。雖然雙方都允許用戶自由運行Verifier驗證節點，並可對Sequencer提出質疑，但官方仍對Sequencer的任免有絕對話語權。這樣一來，即便Verifier指出當前的Sequencer有作惡行為，迫使其下台，新的Sequencer卻仍將由官方指定。
本質來看，Layer2的出塊權力集中在Arbitrum和Optimism官方手上，其立足根基在於“信用”而非“程序正義”。同時，由官方來運行Sequencer節點會帶來另一個大問題：出塊節點數量少且物理位置集中，容易遭遇DDOS攻擊，或產生其他類型的單點故障。
以Arbitrum為例，其Sequencer節點曾兩次宕機，引起了廣泛關注。 2021年9月14日，Arbitrum和Solana均因遭遇DDOS攻擊而宕機，出塊節點在極短時間內收到的交易請求過多，最終導致崩潰；2022年1月10日，Arbitrum的Sequencer節點再次宕機，官方稱該節點出現硬件故障，而備用的節點設備沒有及時完成交接，最終“單點故障”引發了整個Arbitrum網絡的停擺。
可以想見，Arbitrum和Optimism這類中心化系統的缺陷就在於資源過度集中，僅由少量或單個節點負責出塊，會使其承擔較大的訪問流量，易誘發單點故障；同時，官方壟斷出塊權力也使得“欺詐證明”和“挑戰機制”形同雞肋，無法從根源上遏制節點作惡問題。
對於自身固存的缺陷，Arbitrum和Optimism官方曾表示將逐步改善，並在未來推行去中心化。但目前，兩者並未給出可靠的解決方案，距離去中心化的具體實現尚且遙遠。
出於對去中心化原教旨的遵從，同為OP Rollup方案的Metis近期正式開始對系統架構進行改革，嘗試率先實現Layer2在架構和經濟上的去中心化。
·通過開放對等節點（Peer Node）網絡，Metis將運行Sequencer出塊節點的權力讓渡給社區成員或其他機構，並促進Sequencer和其他對等節點快速同步信息，防止其作惡；
·Metis支持節點運行者以DAC（機構級DAO）的形式註冊，以獲得持續性的代幣收益。
·Metis正式開放了社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡生態的權限進一步讓渡給社區成員。
通過以上方式，Metis計劃率先實現Layer2的去中心化。
除此此外，Metis變更了在以太坊上備份數據的形式。在對等節點網絡可以立即驗證Sequencer本地區塊，在Layer2網絡內防止其作惡的前提下，Metis將交易指令備份至鏈下去中心化平台Memolabs，改為在Layer1上提供交易數據在Memolabs的存儲位置，同時，每筆交易對應的狀態根StateRoot仍發佈在Layer1。
針對可能出現的“挑戰”和“欺詐證明”場景，Metis添加了其他功能，使得以上場景發生時，挑戰者可以在Layer1上還原每筆交易指令的原始數據，無阻礙的完成“欺詐證明”，使現有版本和舊版本的機制等效。
通過引入對等節點、集成Memolabs存儲層，Metis將原本由以太坊負責的存儲任務，轉變為由對等節點、以太坊、Memolabs三方同時負責，並引入新的機制確保可靠性。由於有另外兩者分擔存儲任務，Metis可酌情減少發佈在以太坊的數據容量，進而降低Gas消耗，大幅降低Layer2手續費。
在下文中，作者將對Metis落實對等節點網絡、集成Memolabs存儲等重要舉措作出解讀。
對等節點：實現出塊者——Sequencer的輪換
在傳統的OP Rollup方案，如Optimism和Arbitrum中，出塊節點是唯一確定的：只有一個Sequencer在執行交易和打包區塊。這樣做直接消除了出塊節點的隨機性，每輪出塊週期開始時，系統再也不用浪費時間去選拔出塊者——相比之下，以太坊每個新區塊產生前，都要通過POW或POS過程（合併後）隨機選擇出塊節點，嚴重拖延了時間。
但是，出塊節點的隨機性可大幅降低單點作惡的概率。由於記賬節點會頻繁的輪換，惡意節點掌控合法賬本的可能性被降到極低。即使惡意節點獲得了某個新區塊的記賬權，若其發布的區塊不合規，依然會被其他誠實節點否決。最後，誠實節點間會再度選舉新的出塊者，重新發布一個合規的區塊，把惡意節點直接架空。
在這種情況下，理論上只要網絡內2/3的節點為誠實者，便可有效約束惡意節點，這就是著名的PBFT機制（實用拜占庭容錯）；目前，比特幣和以太坊的節點容錯率甚至可達到1/2。但是，這類容錯算法的有效性建立在節點足夠多的基礎上。節點數量龐大，作惡節點難以拉攏到大量節點、不易形成串謀時，PBFT才會生效。在參與出塊的節點數量較少時，PBFT將不再適用，此時單點作惡的可能性極高。
現有的OP Rollup，包括Optimism和Arbitrum，幾乎都默認出塊節點Sequencer不會作惡。若Sequencer出現作惡行為，則允許Verifie節點對其進行“彈劾”，這一過程被稱作“挑戰”。但問題在於，Verifier節點與Sequencer之間並不是立刻進行數據同步的，這中間會有一段延時。
本文之前曾提到，Optimism節點的數據同步延時可以超過30分鐘，Sequencer產生新區塊後過半小時才輪到驗證節點審計，這會產生潛在的安全隱患。而Arbitrum雖然將延時降至幾分鐘，但其未向官方以外的機構開放運行Sequencer的權限，這不利於經濟上的去中心化，且立足點在於項目方的“信用”，嚴重違背區塊鏈的“程序正義”原則。
此外，由於Optimism和Arbitrum均未發行代幣，無法高強度的激勵驗證節點運行者，這不利於節點數量的擴充，使得Layer2更像聯盟鏈而非公鏈。
為了避免上述問題，Metis在Optimism的原有架構上進行了大量改進，其中最重要的舉措便是開放對等節點（Peer Node）。
·傳統公鏈如比特幣和以太坊等，都是由對等節點組成的P2P網絡，這些節點間會頻繁同步信息，確保狀態一致；同時，每個對等節點可自願成為礦工，參與出塊。新區塊產生後，會被傳播給其他對等節點做審計。
·Metis構建了名為Sequencer Pool的對等節點網絡，允許社區成員運行對等節點，這些節點通過輪換的方式充當Sequencer，實現“風水輪流轉”，解決OP Rollup中Sequencer節點的中心化問題；
·當前的Sequencer出塊後，會將新區塊同步給其他對等節點做審計，以防止單點作惡。每過一段時間，Sequencer就會變更一次，這樣便可實現記賬權的分散化。
·普通公鏈的每個出塊週期都有隨機選擇出塊者的過程，會浪費較多時間。目前Sequencer Pool內對等節點沒有大型公鏈那麼多，出塊者的輪換週期也相對較長。在每個週期內，Sequencer仍是單一的。未來Metis將逐步縮短輪換週期，並引入新的時間戳生成機制。
·Metis支持社區成員運行對等節點，並且對其提供代幣激勵。對等節點運行者往往以DAC（機構級DAO）的名義進行註冊，硬件設備最低配備8核CPU、32GB內存，且需要質押一定量的Metis代幣。
從本質來看，原本為Metis網絡內下轄子網的Sequencer Pool成為了一個“委員會”，這個委員會由對等節點組成，職能是充當或監督Sequencer，並且在形式上可以看到POS公鏈的影子。
按照Metis正在實施的方案，Sequencer Pool已從十幾個對等節點的規模開始投入運行，在這樣的網絡規模下，對等節點間通訊的時間複雜度很小，可以立即對新區塊達成共識。同時，不同的對等節點均可充當網絡負載，滿足外界的訪問請求，用戶無需單方面接受單個節點提供的數據。
現在的Metis實際上獲得了來自對等節點網絡和Verifier節點的兩層安全保障。其中，對等節點可以實時驗證Sequencer在Layer2本地的數據，而Verifier主要負責驗證Sequencer提交到Layer1上的數據。
在未來，Metis計劃將Sequencer Pool內的對等節點數量大規模擴充，使其具備更高的安全性，並將Verifier驗證者節點納入Sequencer Pool名單內，使所有的對等節點既可擔任Sequencer，又可擔任Verifier。同時，Metis計劃引入新的算法及時間戳生成機制，在仍保有高效率的同時，實現“每隔幾個區塊就換一次Sequencer”，以確保去中心化。
新的存儲結構——“若無必要，勿增實體”
在大多數公鍊或Layer2中，記錄用戶信息的數據庫都採用了樹狀的結構，稱為狀態樹，樹根的哈希值被稱作狀態根StateRoot。一筆交易指令被執行後，某些賬戶的狀態必然產生變化，此時狀態樹根的哈希值也會隨之改變。可以說，每筆交易的執行都會產生一個新的狀態根StateRoot，從時間角度看，兩者是一一對應的關係。
若是按照時間順序，將每筆【交易的指令內容】及對應的【狀態根】一一羅列出來，就可以得到一個精確的賬本。在Optimism等傳統OP Rollup方案裡，Sequencer在以太坊上存儲的就是這些內容。
Verifier驗證者會讀取這些內容，檢查其準確性。一般而言，Verifier節點會按照時間順序，把交易指令依次執行一遍，通過自己的計算得到一批狀態根StateRoot，之後Verifier只需要將自己算出的Stateroot和Sequencer提交的StateRoot做對比即可，這就好比老師在事先不知道標準答案的情況下，臨時靠心算來批改學生的數學作業。
若Verifier發現Sequencer提交的某筆交易指令或對應的狀態根有問題，便會發起“挑戰”，提供“欺詐證明”。
在Optimism及舊版本的Metis中，Sequencer會把交易指令及對應的狀態根都發佈到以太坊上，實質將以太坊作為一個存儲層，同時也藉助以太坊網絡來處理“挑戰”過程。這樣做雖然可以保證數據可用性，但消耗的Gas非常高。
以上圖Optimism在以太坊發布的一批交易為例，該批次共包含204筆交易指令，消耗的Gas費超過211美元，相當於單筆交易指令的存儲費超過1美元；再考慮到存儲這批交易對應狀態根所需的Gas，Optimism上單筆交易的存儲費用可以達到1.5美元，對於大多數用戶而言，這種量級的費用還是太高。
針對這個問題，Metis在近期做出了重要調整。 Metis取締了在以太坊上直接存儲交易指令的步驟，將交易批次轉存至Memolabs，該平台類似於Filecoin，但存儲成本更低，數據檢索速度更快。通過集成Memolabs存儲層，Sequencer先將一大批交易指令存儲在Memolabs，然後在以太坊上發布這個交易批次對應的存儲索引，Verifier節點可通過該索引值從Memolabs讀取原始的交易數據。
同時，由於狀態根StateRoot比交易數據更重要，它們仍被存儲至以太坊。
一言以貫之，這符合奧卡姆剃刀原理：“若無必要，勿增實體”。 Metis的哲學就是：沒有必要存入以太坊的內容，可通過其他方式進行等價代換。這樣可以節約存儲成本，減小用戶承擔的成本壓力。
通過這種存儲結構，Metis可大幅壓縮存儲費用，將Layer2單筆交易的手續費降低至幾美分。目前，Metis已經成為主流Layer2中Gas費最低的一個。
但是，Metis的以上做法衍生出了其他問題：變更存儲結構是否會改變安全性，或改變數據可用性？對此，我們將對多種可能出現的結果進行解析。
Metis及OP rollup的安全性及數據可用性問題有兩方面，第一個是：
·Sequencer在Layer2執行交易時，會立即將其在本地敲定，暫時具備“最終性”。具體場景為：用戶在Metis網絡發起交易請求後，幾秒鐘就會收到結果。這裡的問題在於，由Sequencer單方面給予的暫時“最終性”是否可靠？
由於Metis的Sequencer出塊後，會立刻將信息同步給Sequencer Pool的對等節點，節點們可立即對區塊內容進行審計，若發現Sequencer提交了違規區塊，便可將其移出Sequencer Pool。所以，此處的安全性與普通公鏈相當。同時，外界可在多個對等節點間選擇信息源，無需單方面信任某個節點，數據可用性也不存在問題。
第二個問題是：
·Metis將交易數據轉存至Memolabs後，驗證過程和挑戰機制是否會受到影響？新加入Metis網絡的節點在同步歷史數據時，又會否遇到不便？
這裡涉及到多種可能情況，可以分類討論。由於Metis仍將狀態根發布至以太坊，所以StateRoot的可用性不會受到影響。而交易數據的可用性針對Verifier節點或新加入Metis網絡的節點兩類群體。
對於後者，新節點只需要通過其他Verifier或對等節點同步歷史數據即可，也可讀取Memolabs上的交易數據及以太坊上的狀態根記錄。目前Metis共有80多個私人運行的Verifier節點，已經具備較強的數據可用性。考慮到Verifier的數量仍在擴充之中，對於新節點而言，同步歷史數據時不會面臨多大問題。
而對於已有的Verifier節點，面臨的問題在於：能否順利獲取交易數據，並檢查對應的狀態根。若發現Sequencer提交的內容有誤，又可否在以太坊上順利進行“挑戰”。
對於這個問題，可以對下列場景分別進行分析：
1.若Sequencer在以太坊上提供了Memolabs索引，使Verifier順利讀取到交易數據，經過檢查，這些交易指令無誤（數字簽名等都正確），則剩下的檢查點在於Layer1上存儲的狀態根。
·若經審計，每筆交易都可以和對應的狀態根匹配，則此時Verifier順利完成數據同步，也無需發起“挑戰”。此時不存在問題。
·若Verifier發現，某筆交易指令和狀態根不能匹配，此時狀態根必然錯誤。 Verifier可要求Sequencer將錯誤狀態根對應的交易數據披露到Layer1上。
如果Sequencer同意，則“挑戰”過程順利進行，Sequencer會受到懲罰；
如果Sequencer不同意，Verifier可把自己在Memolabs讀到的交易數據寫入以太坊，完成“挑戰”，Sequencer同樣受到懲罰；
顯然，在以上場景中，數據可用性和“挑戰”機制不受影響，
2.若Sequencer在Memolabs存儲了偽造的交易指令（數字簽名無效），Verifier要發起“挑戰”；此外，Verifier必須要獲取正確的Layer2原生交易指令，才能檢驗狀態根的正確性。
·此時，Verifier可要求Sequencer在以太坊上發布相關的交易批次，這會讓Sequencer花費大量的Gas費，相當於變相懲罰；
·若Sequencer拒絕，則Verifier可以把自己從Memolabs讀到的錯誤數據披露到Layer1，展開“挑戰”，Sequencer會受到更嚴厲的懲罰。
正常情況下，Sequencer被Verifier挑戰成功後，其遭受的損失會遠高於在Layer1上發布交易批次時消耗的Gas費。所以，若Verifier要求Sequencer在Layer1發布交易數據時，其必定會把正確的交易數據披露出去。
此時，Sequencer必鬚髮布Verifier需要的單個交易批次，包含成百上千筆交易數據，在Layer1發佈時消耗的Gas會非常高，甚至可達到幾百美元，相當於變相懲罰。
由以上討論可以得知，數據可用性和“挑戰”過程不受影響。
3.若Sequencer在Layer1發布了虛假的Memolabs存儲索引，Verifier無法順利讀取到交易批次包含的數據，這時它可以向前文所描述的那樣，要求Sequencer在Layer1披露交易批次。若其拒絕，則Verifier可以從對等節點處獲取相應數據，繼續後續的檢驗工作，或發起挑戰。
對於屢次發布偽造交易數據、發布錯誤的Memolabs存儲索引，或拒絕配合Verifier要求的Sequencer，Metis的社區成員可通過DAO治理投票的形式，將作惡的Sequencer運行者標記出來，罷免它的權限，這類似於政治上的“彈劾”。
通過以上精心設計的機制，Metis可以保障Verifier節點的權益。但為了防止Verifier濫用權力，惡意要求Sequencer在Layer1寫入交易數據，通過Gas消耗來攻擊誠實的Sequencer運行者，Metis作出以下要求：
·Verifier若要求Sequencer在Layer1寫入交易數據，需提前質押一定量的資金獲得白名單資格，並且每次向Sequencer發起類似的命令，都要消耗一筆手續費；這筆手續費的數值經過仔細衡量，可以防止Verifier頻繁向Sequencer發起無理要求。
·任何節點都可以發起“挑戰”和“欺詐證明”，理論上這些節點間可以互相配合，使數據可用性與安全性得到保障。
歸納總結
依照前文提出的核心論點，結合近期Metis官方動態，在此歸納得出：
· Optimism和Arbitrum等OP Rollup的根本問題在於Sequencer節點中心化，這需要可靠的解決方案；Metis嘗試率先實現Sequencer的去中心化。
·Metis開放了對等節點（Peer Node）網絡，將運行Sequencer出塊節點的權力讓渡給社區成員或其他機構，實現輪換制，並促進Sequencer和其他對等節點快速同步信息，防止其作惡；
·Metis變更了存儲層結構，改變了在以太坊上備份數據的形式。通過集成Memolabs，Metis大幅壓縮存儲費用，已經成為主流Layer2中Gas費最低的一個。
·通過縝密的機制設計，Metis集成Memolabs後的新版本仍具備較強的安全性與數據可用性。 Metis團隊已經對可能出現的情況進行了判斷，並製定了相應措施；
•為了將Sequencer的權力進一步削減，Metis計劃在未來添加提議者Proposers的角色，在Sequencer發布交易數據後，Proposers負責向以太坊提交每筆交易對應的狀態根，這樣可形成更強的分權制衡。
·Metis支持節點運行者以DAC（機構級DAO）的形式註冊，並對其提供持續性的代幣收益。在這方面，已發幣Metis比未發幣的Optimism及Arbitrum更具優勢；
·Metis提供簡易的一站式DAO搭載服務，降低DAO及DAC組織的運營難度，並開放社區生態系統治理(CEG)，將維護Layer2網絡生態的權限進一步讓渡給社區成員。目前，Metis生態已有500個DAC組織，成員近5000個。
·Metis集成Memolabs去中心化存儲層後，生態內DAO組織可以將不必公開的數據轉存至Memolabs，而對應的存儲索引只可被白名單用戶獲得，這樣可確保DAO維護自身隱私。
·Metis未來將支持多個子網的分片式結構，允許不同的DAO組織運行狀態彼此獨立的MVM虛擬機，以實現類似ETH2.0的多鏈分片機制。
·近期，Metis開啟了NFT跨鏈橋功能，結合超低的Gas費，Metis致力於建設NFT用戶的最佳平台；
·未來，在系統容錯性足夠強大的條件下，Metis將酌情縮短挑戰期，成為跨鏈最方便的Layer2。
參考文獻
The Tech Journey: Lower Gas Costs & Storage Layer on Metis
深度解讀Optimism：基本架構、Gas機制與挑戰
