Ethereum Layer 2网络的中心化排序器问题及去中心化解决方案

1. 要点

• 排序器负责将Layer 2网络上的交易排序打包,是一个关键组件。目前主流Layer 2网络普遍使用中心化排序器,存在审查、MEV提取和单点故障等风险。

• 去中心化共享排序器网络是解决这些问题的方案,可以为多个Layer 2网络提供排序服务,实现抗审查、快速确认和跨rollup互操作性。

• Espresso、Astria和Radius等项目正在开发去中心化共享排序器解决方案,各有特色。Espresso利用EigenLayer,Astria与Celestia合作,Radius采用加密内存池。

• 现有Layer 2网络面临三个选择:继续使用中心化排序器、集成第三方共享排序器、或自行开发去中心化方案。不同选择各有利弊。

• 排序器去中心化将是Layer 2生态系统发展的重要趋势,关系到安全性、互操作性和用户体验。未来将有更多项目加入这一赛道。

2. 简介

随着以太坊Layer 2扩容网络的普及,排序器这一关键组件正引发越来越多关注。排序器负责交易排序,可以提供更好的用户体验、更低费用和更快确认。但目前主流Layer 2网络普遍采用中心化排序器,存在审查、MEV提取和单点故障等风险,与加密货币去中心化精神相悖。

虽然大多数Layer 2项目都将排序器去中心化列入路线图,但实现方式尚无共识。本报告将深入探讨排序器的作用、当前现状,以及正在开发的去中心化共享排序器解决方案。我们将详细介绍Espresso、Astria和Radius等主要项目的技术特点,并思考这对以太坊Layer 2生态的未来影响。

3. 什么是排序器?

区块链本质上是一个分布式数据账本,由按区块排序的带时间戳的交易数据组成。这些交易数据最初是无序的,需要经过排序后组织成区块并执行,以创建新的区块链状态。对于以太坊等Layer 1区块链,这种交易排序发生在基础层本身。

在Layer 2 rollup网络中,交易排序已成为一个重要问题。rollup的主要作用是为用户提供低成本交易的安全场所。简单来说,Layer 2 rollup为用户提供执行层,然后将交易数据提交给上层Layer 1。提交给Layer 1的单批交易通常包含数百或数千个压缩的Layer 2交易,从而降低向Layer 1发送数据的成本。

在Layer 2 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。这些交易可被放入区块并发送到Layer 1。排序器还向用户提供近乎即时的收据作为"软确认",而"硬确认"则是在交易被发送到Layer 1后收到。

为什么Rollups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Layer 2交易类似于使用"快车道",可以实现更低费用和更快确认。排序器可将成百上千笔Layer 2交易批量压缩成单笔Layer 1交易,从而节省gas费。此外,排序器提供的软确认使rollup交易能够为用户提供快速确认。

重要的是,rollup并不必须使用排序器;这只是为了更好用户体验而做出的设计选择。例如,rollup也可以使用以太坊Layer 1来进行排序,但这可能效率较低且成本较高。这就是为什么迄今为止,每个主要的Layer 2项目都选择运行中心化排序器,认为这更方便、更便宜、更易于使用。

然而,由于排序器控制着交易排序,它理论上有权不将用户交易纳入其中(尽管用户可以直接向Layer 1提交交易)。排序器还可以从交易组中提取MEV,这可能对用户造成经济损失。如果只有一个中心化排序器,单点故障风险就会更大。

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Layer 2,但它可以延迟用户交易、导致额外gas费,并从用户交易中获取价值。

MEV的相关性

MEV(最大可提取价值)在这里尤为重要。MEV指的是从区块生产中获得的超出标准区块奖励和gas费的额外价值,通过操纵区块内交易顺序来提取。常见形式包括抢先交易和三明治攻击等。

鉴于排序器在Layer 2 rollup中的角色,它们可以了解链外的所有用户交易。由于这些排序器通常由项目本身或附属团队运行,许多用户担心无法看到潜在的MEV提取。即使没有这些顾虑,中心化排序器的使用也会影响这些协议的去中心化程度。

排序器市场现状

目前所有主要的以太坊Layer 2网络都依赖中心化排序器。随着越来越多以太坊交易转移到Layer 2,尽管以太坊验证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为形式的中心化力量影响。

大多数Layer 2项目都已将排序器去中心化列入路线图。但值得注意的是,Arbitrum和Optimism自2021年末就推出了自己的解决方案,可以说在去中心化排序器方面尚未取得实质性进展。

大多数顶级项目似乎都将资源用于改进核心产品和功能,而非专注于去中心化。这在竞争激烈的环境中可以理解,但随着网络成熟,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

关于依赖中心化排序器所带来的风险程度存在一些讨论。

如前所述,由于排序器控制交易排序,它们可以排除用户交易和提取MEV。但排序器最终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Layer 1提交交易(只要愿意支付更高gas费)。这可能是一些大型Layer 2项目此前不太关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仍是一个问题,尤其是对于私有内存池。

也许更大的问题在于可用性。如果唯一的中心化排序器出现问题,整个rollup网络都会受到影响。虽然用户仍可以直接访问Layer 1完成交易,但这并不是一个可持续的方法,且不适用于大多数交易。考虑到加密货币的基本理念之一是避免依赖单一中心化提供商,排序器中心化显然是一个亟待解决的重要问题。

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。不同项目的具体实现各不相同,但基本理念是用去中心化网络取代单一中心化排序器。这里的"共享"指多个rollup可以使用同一个网络,来自多个rollup的交易在排序前会被聚合在一个内存池中。这有助于减少MEV提取和审查的可能性。"去中心化"指采用领导者轮换机制,从一组去中心化节点中选出排序者。这有助于防止审查,并提供可用性保证。

这与各种Layer 1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Layer 1类似,都需要构建验证器集。不同项目采取了不同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的可用性保证。此外还有两点值得注意:

1. 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。所有这些rollup都将受益于去中心化网络提供的抗审查性和可用性,而无需自行建立该网络。考虑到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。

2. 跨rollup可组合性:由于这些共享排序器解决方案旨在处理多个rollup的交易排序,因此能够提供目前无法实现的独特互操作性保证。例如,用户可以指定Rollup 1上的交易仅在Rollup 2上的特定交易也包含在同一区块时才执行。这种有条件的交易包含可以释放新的可能性,包括原子跨rollup套利等。

下面我们将重点介绍几个主要的共享排序器项目及其策略。

Espresso

Espresso Systems致力于构建将Web3引入主流的工具,特别关注Layer 2 rollup和以太坊生态系统。

Espresso排序器是一个去中心化共享排序网络,旨在去中心化rollup,同时提供安全、高吞吐量、低延迟的交易排序和数据可用性。它的设计目的是处理rollup的去中心化排序和数据可用性,在rollup和底层Layer 1之间充当中间件网络。

Espresso排序器的核心是HotShot共识协议。HotShot是开放的、无许可的,它将参与排序器网络的权力下放,在提供高吞吐量和快速最终性的同时,还保证了安全性和可用性。HotShot采用权益证明安全模型,Espresso团队对其提出的关键要求之一是在不影响验证器集规模的情况下实现强大的性能。

Espresso Systems试图通过使用以太坊现有的验证器集,为其排序器实现以太坊级别的安全性。这种设置有两个关键原因:

1. 安全性:启动去中心化PoS共识协议的成本极高。通过使用与以太坊相同的验证器,排序器可以达到自身很难达到的安全性、可用性和去中心化水平。

2. 激励一致:从概念上讲,让以太坊Layer 1验证者参与运行以太坊Layer 2 rollup所使用的协议是合理的。将排序器去中心化,并与Layer 1验证者合作确保其安全性,是减少相关担忧的好方法。

Espresso将寻求通过与EigenLayer建立合作关系来实现这一点。通过EigenLayer重质押,用户可以在多个协议中质押他们的以太坊和以太坊流动性质押代币,从而将经济安全性扩展到以太坊本身之外。

Espresso还使用其高效的Tiramisu数据可用性解决方案来降低交易成本。Tiramisu有三个层次:Savoiardi基础层提供最高级别安全性,Mascarpone中间层通过选举小型数据管理委员会保证高效数据恢复,Cocoa顶层为Tiramisu提供内容分发网络。

Espresso Systems最近宣布了多个合作伙伴关系,包括与Polygon zkEVM、Injective、AltLayer、Caldera和Spire等项目的集成。他们还发布了Doppio测试网,这是HotShot和Espresso排序器的第二个重要里程碑。

Astria

Astria正在建立一个共享排序器网络,同时开发Astria EVM作为首个由该网络支持的rollup。

Astria的共享排序器网络允许多个不同的rollup共享一个单一、无许可、去中心化的排序器网络。有了这个网络,Astria提供了一个开箱即用的解决方案,使rollup具有抗审查、快速区块确认和原子跨rollup合成能力。

Astria的网络本身是一个中间件区块链,利用CometBFT就一组有序交易达成共识。该网络接受来自多个rollup的交易,将它们排序为一个区块并写入数据可用性层。

Rollup可以在创建区块后立即从Astria获取已排序区块,通过"软承诺"为用户提供快速确认。或者,rollup可以从数据可用性层检索有序区块,以获得"硬承诺"。

Astria EVM将是首个由Astria共