Rollup 2.0:去中心化排序器之爭

作者:helloyyy

一、前言

時光飛逝,據Optimism 發幣已過去一年有餘,據Arbitrum 發幣也已過去將近半年;發幣僅是它們萬裡長徵的第一步,在此期間,Optimism 實現了Bedrock 升級、推出了通用的模組化L2 堆疊OP Stack, 基於此誕生了Base 等明星Rollup;Arbitrum 致力於探索L3 推動Arbitrum Orbit 的應用。

Rollup 賽道在兩位巨人的引領下,整個賽道的TVL 一度突破100 億美元,目前穩定在100 億美元上下。 Rollup 作為以太坊「招牌」的擴容解決方案被津津樂道的背後,它們仍然存在非抗審查、中心化的屬性。主流的Rollup 鏈普遍由官方運作中心化的排序器,雖然Arbitrum, Optimism, StarkNet 等Rollup 專案把排序器的去中心化列入路線圖中,但均處於規劃中短期內尚未實現的狀態。去中心化排序器作為Rollup 去中心化最重要的一塊拼圖,對Rollup 本身而言具有非常重要的戰略地位,也是民之所向。

二、Rollup 的交易費用

在了解什麼是排序器之前,先來聊聊Rollup 交易費用的組成。 Rollup 的交易費用即用戶在Arbitrum 等L2 交易產生的gas 費。

主要由2 部分組成:

1)L2 執行費用

2)L1 數據費用

L2 執行費用:交易在L2 執行的成本(每筆在L2 鏈上發起的交易都要支付一筆執行費)

交易瓦斯價格= L2 基本費用+ L2 優先費用

L2 執行費用= 交易瓦斯價格* L2 瓦斯使用量

L1 數據費用:將L2 交易發佈到L1 的成本。通常情況下,L1 資料費用要高於L2 執行費用。

L2 交易費用= L2 執行費用+ L1 數據費用

排序器的淨收入= L2 的交易費用收入- 排序器營運成本- L1 資料費用

專案方營運的中心化排序器擁有一定程度的定價權(例如L2 執行費用收高一點、L1 資料費用收高一點),這也是為什麼幾個知名Rollup 專案方賺得盆滿缽滿的原因。

什麼是排序器?

排序器,顧名思義,即負責交易排序的角色。在比特幣網絡,交易排序的職責由礦工負責;以太坊由節點集合負責,它們均不是固定的角色,而是更具共識機制來決定誰有權參與順序執行。

目前主流的Rollup 均運行中心化的單一排序器。使用者在L2 的交易進入mem 池(此時mem 池中的交易是無序狀態),排序器將交易排序、壓縮成一組有序的批次,然後發送到以太坊的DA 層。

Rollup 2.0:去中心化排序器之爭

Rollup 必須要排序器嗎?

答案是否定的。 Rollup 上的交易完全可以繞過排序器提交給L1 基礎層,由L1 來負責排序和結算,但也將面臨較高的gas 消耗和較長的交易確認時間。

Rollup 排序器類似於使用了「快車道」,把數百上千筆L2 交易壓縮聚合成單筆L1 交易,從而大大降低了gas 成本。這也是目前主流的Rollup 都運行中心化排序器的原因,為用戶提供更低的gas, 更快的交易確認,從而改善用戶交易體驗。

三、中心化排序器vs. 去中心化排序器

中心化!

中心化的優勢非常明顯,想怎麼給交易排序怎麼排,不需要換人排序,也不需要對排序的結果達成共識。也意味著擁有非常快速的交易確認速度,使用者的體驗感更好;但中心化也賦予了排序器對交易排序極大的自主權,它可以肆意對交易進行排序,以最大化自己的套利機會,攫取MEV 價值,延遲用戶交易甚至完全審查用戶。

排序器可以在單一區塊內透過改變交易排序攫取MEV 價值;危害更大的是,由於排序器控制著連續多個區塊的排序,很容易執行跨區塊MEV,從而造成規模更大的攻擊。

上述情況都屬於排序器主動作惡,有些錯誤並非排序器有意為之,但仍損害了使用者的體驗和權益。打個比方,排序器不小心把一筆已經花費的代幣交易重新包含在軟承諾中,然後發送給L1 驗證,可能存在交易遲遲無法得到確認的情況;又如單一的排序器掉線了,導致二層無法正常出塊,網路長時間宕機。

魚和熊掌不可兼得,但Rollup 性能的最佳化絕不能以犧牲去中心化和抗審查為代價。

去中心化?

如果中心化是1,那麼去中心化就是多。不同去中心化排序器方案的實作路徑有差異,但它們的核心概念是一致的,就是權力下放。

排序器不再擁有中心化對交易排序至高無上的權利,負責排序的角色基於特定的選舉機制從一組排序器集合中選出,並進行固定週期的輪換。

去中心化杜絕了排序器源源不斷地攫取MEV,也防止了單一排序器審查使用者的交易。加之對應的作惡懲罰機制,也能有效規範排序器的行為。

四、去中心化排序器賽道概覽

繞了這麼久,終於進入正題了。去中心化排序器,一種是Rollup 專案方自己做,另一種是藉助第三方實作。借助第三方實作去中心化排序器,其實也可以稱為Sequencing-as-a-Service,排序即服務。

Espresso、Astria、SUAVE、Radius 等專案都專注於去中心化排序器方案,它們的實作路徑各不相同。

1. Espresso

Espresso Systems 早期是一家專注於隱私解決方案的服務商,2022 年3 月宣布獲得由Electric Capital, 紅杉,Blockchain Capital 參投的近3,000 萬美元的A 輪融資。 Espresso Systems 目前基本轉型做Espresso Sequencer,專門為Rollup 提供去中心化排序器的服務。

Rollup 2.0:去中心化排序器之爭

L2 交易在Espresso 排序器的排序機制下,大體經歷的生命週期如下:

1)用戶在二層發生的交易傳送到Rollup 伺服器(API);

2)交易進入mem 池,排序器(透過HotShot 共識選舉)將交易排序並包含在一個區塊中;

3)排序器將交易廣播,經由其他節點達成HotShot 共識後出塊,交易被執行;軟承諾提供快速交易確認;

4)排序器將包含交易的區塊承諾附帶共識證書(QC: Quorum Certificate)發送並儲存在L1 排序器合約中(證明該區塊透過共識達成軟最終性);

5)已執行該區塊的Rollup 節點將新的Rollup 狀態傳送至L1(此時zkRU 需要附帶有效性證明,ORU 開啟挑戰期);

6)L1 Rollup 合約透過驗證排序器合約發送來的QC 檢查狀態更新的有效性。

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這個流程看起來晦澀難懂,簡單理解就是:

HotShot 共識在一群排序器集合中選出其中之一,由它負責Rollup 交易的排序並把交易包含在一個區塊中;這個區塊必須經由其他的Rollup 節點簽署達成共識(2/3 以上HotShot 節點同意)才具有「最終性」,然後相關的區塊承諾和新的Rollup 狀態根才提交給L1 基礎層做驗證。

上面的「最終性」帶了引號,這個引號的「最終性」和不帶引號的最終性不是一個概念。引號的「最終性」是為了讓Rollup 的交易更快確認,延遲少,用戶的體驗更好;但Rollup 的交易最終還是要L1 基礎層去做驗證(zkRU 要驗證有效性證明,ORU 要等待挑戰期結束),驗證Rollup 提交的交易沒問題的情況下,這時Rollup 的交易才具有真正的最終性。

也意味著:如果L1 基礎層驗證交易是無效的話,相關的已出塊的L2 區塊就會面臨回溯。所以,「最終性」是為了讓交易快速確認,最終性是為了繼承以太坊的安全性。

Rollup 2.0:去中心化排序器之爭

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Espresso + EigenLayer

Espresso 基於HotShot 共識解決了排序器輪換問題和交易「最終性」的確定問題,透過引入EigenLayer 解決排序器的存取問題。

EigenLayer 的再質押機制使以太坊的質押者同時成為Espresso 排序器成為可能,為HotShot 共識提供安全保障。簡言之,以太坊的節點質押者可以透過EigenLayer 的再質押機製成為Espresso Sequencer(ESQ),以太坊質押者在獲得PoS 節點收益的同時,也捕獲了二層MEV 的價值。

ETH 持有者的潛在收益= 原生網路的節點獎勵+ L2 EVM + 其他PoS 鏈的節點獎勵(使用EigenLayer 再質押機制),三重buff 極大賦能了ETH。

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Espresso 作為通用類別的去中心化排序器解決方案,生態合作專案除EigenLayer 外,還包括Arbitrum, OP Stack, Caldera, AltLayer 等一眾明星模組化專案。

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2. Astria

Astria 的定位是通用、無需許可的去中心化排序器,為不同Rollup 提供了開箱即用的共享排序器服務。融資方面,Astria 在2023 年4 月宣布完成由Maven 11 領投的550 萬美元種子輪融資,跟投機構包括1k(x), Delphi Digital, Lemniscap, Robot Ventures 等。雖然融資規模不大,但機構陣容非常華麗。

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運作機制

Astria 去中心化排序器的運作機制和Espresso Sequencer 大同小異,目的都是透過把交易排序權利下放來弱化排序者的特權。具體來看:

針對排序器的輪換,Astria 提出了2 種輪換機制:簡單的領導者輪換(Leader Rotation)和拜占庭容錯(BFT)共識演算法。

  • 1)領導者輪換

透過選舉的排序器組成一個集合,排序器集合輪流對Rollup 交易進行排序。這種方式杜絕了單一排序器長時間持續壟斷交易的排序權,一定程度上解決了對使用者持續審查的問題。

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  • 2)BFT 共識演算法

跟領導者輪調機制類似,輪到的排序器有權負責交易排序,但排序器集合中必須有2/3 及以上成員需要就這個排序達成共識。

兩種方法各有優缺點:前者交易確認速度更快,實現快速出塊,效率接近中心化排序器。但折衷點是仍很難約束輪到的排序器不去作惡;採用BFT 共識作惡的機率更小,需要集合中2/3 的排序器投票達成共識才出塊。但需要一定的時間進行共識投票,造成了網路延遲的問題。

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3. SUAVE

SUAVE 是Flashbots 建構的去中心化、即插即用的共享排序器解決方案,作為通用類別方案,SUAVE 能為任意L1/ L2 提供記憶體池和去中心化區塊建置。 SUAVE 與前述共享排序器設計的不同之處在於,SUAVE Chain 本身就是一條EVM 相容鏈,透過區塊「競標」的方式實現交易排序。

SUAVE 架構

SUAVE 的架構由3 大核心元件構成:通用偏好環境、最佳執行市場和去中心化區塊建構。

1)偏好環境

偏好覆蓋範圍廣泛,從簡單的交易到複雜的事件。使用者的偏好以交易的形式反映在mempool 中,偏好環境作為一個公共的mempool 將偏好匯聚在一起。 SUAVE 提供的通用偏好環境使多鏈的使用者偏好公開透明,消除了資訊差,在一定程度上解決了跨鏈MEV 的問題。

2)執行市場

執行市場是由執行者參與的網絡,執行者負責監聽SUAVE memepool 並相互競爭,競爭驅動它們為用戶偏好提供最佳的執行。可以理解為所有的執行者透過「競標」的方式去實現用戶的偏好,將用戶交易產生的MEV 盡可能地返還給用戶。

3)去中心化區塊構建

最後,依據收集到的偏好和最佳的執行路徑,去中心化區塊建構網路將它們包含在區塊中。至此實現交易發現、交易排序、出塊的全流程。

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4.Radius

Radius 的定位是一個無需信任的共用排序層。與前述方案的實現機制均不同,Radius 透過啟用加密mempool, 確保Rollup 交易被無需信任地排序,從而消除有效的MEV 和用戶交易審查。

融資方面,Radius 於2023 年6 月宣布完成由Hashed 領投的170 萬美元Pre-seed 輪融資,跟投機構包括Superscrypt, LambdaClass 和Crypto.com。

Rollup 2.0:去中心化排序器之爭

Espresso, Astria 等基於共識機制的去中心化排序器在一定程度上降低了MEV 和審查風險,但是以犧牲網絡可擴展性和時間效率為代價的,帶來了一定的交易確認延遲(需要就交易排序達成共識)。此外,雖然交易排序處在一個去中心化的環境中,由於mempool 的相關交易是透明的,排序器仍然有作惡的空間攫取MEV. Radius 透過加密mempool, 相關交易資訊對排序器不可見,旨在從源頭扼殺排序器惡意攫取MEV 和審查交易的問題。

技術架構

Radius 技術架構可分為以下4 大功能層級:排序層(Radius)、執行層(Rollup)、結算層和資料可用性層。

1)排序層

1. 使用者提交加密交易和證明給排序器;

2.排序器驗證證明並驗證交易;

3.排序器對交易進行排序,在此之前無法解密交易;

4.排序器建構一個區塊;

5.排序器將區塊提交給Rollup 執行。

2)執行層

1. Rollup 接收來自排序器的區塊,並按照提供的順序執行交易;

2.Rollup 將交易狀態和狀態證明提交給結算層。

3)結算層

1. 結算層接收來自Rollup 的狀態和狀態證明,負責驗證證明並確定交易的最終性;

2.排序層驗證執行是否與順序相符。

4)資料可用性層

資料可用性層儲存資料並確保資料可用。

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mempool 的加密機制- PVDE

Radius 採用基於零知識證明的加密方案「實用可驗證延遲加密」(PVDE)來建立加密mempool。

具體流程如下:

當使用者向排序器提交交易時:

1.使用者產生一個時間鎖謎題和一個對稱密鑰;

2.使用者使用對稱金鑰對交易進行加密,加密後的交易進入mempool;

3.排序器對加密交易進行排序,排序器需要解鎖時間鎖謎題才能獲得解密金鑰;

4.排序器在解鎖時間鎖謎題前計算訂單承諾,並將承諾提交的結算層(用於驗證排序器按順序將交易提交給了Rollup)。

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排序器的去中心化方案

加密mempool 確保了排序器的無需信任,但單點故障風險仍然存在。如果執行單一排序器+ 加密mempool, 排序器故障會導致網路宕機。為了解決這個問題,Radius 提出了多種去中心化排序器實作方案,包括秘密領導者選舉機制、排序器組分片機制等。

當然,Radius 也可以選擇參考Espresso 和Astria 的排序器輪替機制,同時實現交易排序的去中心化與不需信任。

區塊空間優化

Radius 透過區塊空間優化,旨在實現既保護用戶又最大化Rollup 利潤的目標。 Rollup 採用先到先服務(FCFS)的排序機制,優點是能有效防止MEV, 弊端是必須犧牲區塊空間拍賣的潛在利潤。

為了解決上述交易排序的兩難困境,Radius 透過將區塊空間劃分為頂部區塊空間和底部區塊空間2 部分:

其中頂部區塊空間專用於用戶交易,將用戶交易加密,消除交易排序操縱,從而保護用戶免受有害MEV 和審查風險;底部區塊引入一個基於拍賣的交易市場,套利者可以將捆綁交易和它們的出價提交給排序器,排序器會選擇出價最高的捆綁交易包含在區塊中,這種方法能夠使Rollup 利潤最大化。

以上就是目前主流的通用去中心化排序器解決方案。對於Rollup 而言,面臨著運行中心化排序器還是去中心化排序器?整合第三方通用排序器方案還是自行實現去中心化?採用哪一種技術實現方案來實現交易排序的去中心化?等多個維度的利弊權衡。

五、Rollup 間的博弈

權衡1: 是否去中心化?

Optimism, Arbitrum, zkSync, Base 等幾大主流Rollup 靠著運作中心化排序器賺得盆滿缽滿,去中心化將交易排序的權利下放必然涉及分潤。在不考慮Rollup 賽道愈發激烈的競爭格局的前提下,誰也不願意把這份到手的香餑餑分出去。但假設有Rollup 率先啟動去中心化排序器,這或許是一個巨大的流量入口,在Rollup 細分賽道中形成示範效應,從而倒逼其他Rollup 項目將其排序器去中心化。

權衡2: 整合通用第三方vs. 內部專用解決方案

排序器實現去中心化的路徑整體而言就2 種:一種是別人做好的拿過來用;另一種是自己下場幹。像Espresso, Astria 等第三方能夠為Rollup 提供開箱即用的去中心化排序器服務,那麼Rollup 本身就能繼續專注於產品差異化和優化性能,提高自身的核心競爭力;此外,集成通用類的去中心化排序器方案也更利於實現互通性,帶來包括跨Rollup 套利等更多的可能性。而此方案的弊端可能在於無法對Rollup 本身的原生代幣進行有效的賦能。

Rollup 如果採用內部專用解決方案實現去中心化排序器,這是最耗時且昂貴的方案,但確實實現Rollup 原生代幣賦能的最行之有效的方式。如StarkNet 的專案方可以要求用戶質押協議原生代幣成為排序器集合參與Rollup 的交易排序,並收取一定的服務費用,從而實現價值的累積。

權衡3: 採用哪一種技術實現方案實現去中心化排序?

如前所述,實現去中心化交易排序的技術實作方案有很多,包括但不限於基於不同的共識機制、FCFS、區塊競價、加密mempool 等方案。每種技術實現方案各有優缺點:基於共識機制將受限於時間效率、加密mempool 無法實現Rollup 利潤最大化等,當然也可以參考Astria 融合2 種不同的技術實現方案。各種不同技術實現方案間的權衡點是所有Rollup 專案需要深思熟慮的問題。

寫在最後

雖然目前Rollup 賽道的龍頭Optimism、Arbitrum 均已發幣,但這或許只是個起點,真正意義上的競爭可能才剛開始。至少從目前的趨勢來看,去中心化排序器一定是兵家必爭之地。

zk 系列Rollup 計畫也悄悄崛起,在競爭日益激烈的環境下,走錯一步可能都會造成無法彌補的損失。但在影響計畫生死存亡的革新面前,Rollup 們無從選擇,只能順應大勢。

參考文獻

[1] Binance Research: Ethereum’s Rollups are Centralized. A Look Into Decentralized Sequencers

https://www.binance.com/en/research/analysis/ethereums-rollups-are-centralized-a-look-into-decentralized-sequencers

[2] Espresso HotShot: Consensus Designed for Rollups

https://medium.com/@espressosys/espresso-hotshot-consensus-designed-for-rollups-b080ba7362d1

[3] Based rollups—superpowers from L1 sequencing

https://ethresear.ch/t/based-rollups-superpowers-from-l1-sequencing/15016

[4] Introducing Astria: The Shared Sequencer Network

https://blog.astria.org/introducing-astria/

[5] Introducing the Astria Development Cluster

https://blog.astria.org/introducing-the-astria-development-cluster/

[6] Why Decentralize Sequencers?

https://blog.astria.org/why-decentralize-sequencers/

[7] IOSG 詳解SUAVE:MEV 規模化成長的新十年

https://foresightnews.pro/article/detail/24673

[8] The Future of MEV is SUAVE

https://writings.flashbots.net/the-future-of-mev-is-suave/

[9] Radius Gitbook

https://docs.theradius.xyz/overview/introduction-to-radius

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