Rollup 排序器的去中心化探索：Espresso、SUAVE 与 Polygon 等

TL；DR

• 以太坊 Rollup 网络的采用在 2022 年激增，但仍存在一些有待改进之处。
• 排序器负责对用户提交的交易进行排序。目前，几乎所有的 Rollup 都依赖于一个单独的排序器。鉴于 Rollup 通过欺诈或有效性证明受益于以太坊的安全性，中心化排序不会造成重大问题。尽管如此，去中心化排序最终还是更优解，因为中心化排序器可能在 MEV 提取或审查方面存在风险。
• 本文将介绍各种去中心化排序器项目，包括：Espresso Sequencer、SUAVE、Polygon PoE、EigenLayer 和 Cosmos ICS。

简介

以太坊之外的 7 大网络的 TVL 主导地位趋势，来源：Messari

2022 年可谓是 Rollup 备受瞩目的一年，一些 Rollup 网络在加密货币市场整体的下跌趋势中反而取得了巨大成功。在 2020 年和 2021 年，L1 大放异彩，许多人都在谈论通过投资 SOLUNAVAX（Solana、Luna、Avalanche）和 FOAN（Fantom、Harmony One、ATOM、NEAR）而收获匪浅。另一方面，在 2022 年，由于宏观经济影响、频繁的黑客攻击、Terra 崩溃，L1 的采用率迅速下降，这反过来又引起了公众对 Rollup 网络的关注。

以太坊 Rollup 在以太坊网络上存储状态（例如钱包余额）和交易数据的摘要（状态根），在主链外执行交易时依赖以太坊的安全性，从而实现可扩展性。那么，是否可以完全信任并使用 Optimism 或 Arbitrum 这样的 Rollup 网络？不幸的是，这项技术存还处于早期，当前 Rollup 网络仍然存在一些风险因素。

Rollup 网络的风险分析，来源：l2beat

上表是 l2beat 网站上的风险分析，可以看到当前 Rollup 存在相当多的风险因素。虽然上表中提到的风险不是本文的重点，但还是值得花一点时间简要回顾它们的含义：

• 状态验证：状态验证即如何证明 L2 执行的有效性。对于使用零知识证明的网络，使用 zk-SNARKs 被标记为 ZK 证明（SN），而 zk-STARKs 被标记为 ZK 证明（ST）。许多 Optimistic Rollups 似乎在状态验证方面存在风险：一些项目如 Optimism、Metis Andromeda 和 Boba Network 正在开发欺诈证明机制，而其他项目如 Arbitrum One 或 Arbitrum Nova 确实有欺诈证明方案，但它们只允许白名单参与者提交欺诈证明。
• 数据可用性：这是关于 L2 网络的交易数据存储在哪里。重要的是，交易数据保持完整，以便用户证明有效性或从 L2 网络中提取代币。只有在以太坊上存储交易数据时，网络才能被视为 Rollup；否则，不能归为此类。
• 可升级性：以太坊 L1 网络上的 Rollup 智能合约是否可升级。如果在上表中标记为「是」，则中心化参与者可以在任何时候对其进行升级，如果标记为「N 天延迟」，则此类网络将强制延迟升级时间。
• 排序器故障：这与 L2 网络中负责排序交易的排序器离线或交易审查有关。「使用 L1 进行交易」和「强制退出到 L1」是两种安全的方式，前者允许用户直接通过 L1 提交交易，后者允许用户强制退出到 L1。
• 验证者故障：这与 L2 网络的区块生产者下线或决定审查时有关。「Propose Blocks」和「Escape hatch (MP)」是安全的，前者允许任何人在一段时间后成为验证者，而后者允许用户通过提交状态根来安全提取抵押品。

目前为止，我们已经回顾了以太坊 L2 网络中的各种风险因素。然而，还有一个风险没有得到解决，那就是中心化排序。排序器负责接收和排序 L2 用户提交的交易，目前，中心化排序是几乎所有 L2 网络的规范。甚至两个最大的 Rollup 网络 Optimism 和 Arbitrum 也运行单个排序器来决定所有交易的顺序。中心化排序器是否会带来重大风险？与上面列出的风险因素相比时，回答是否定的。

事实上，表中列出的风险会直接损害用户的资金，但中心化排序不会。无论排序是集中在单个实体还是分散在多个实体，L2 网络交易的有效性在 L1 网络上都通过欺诈证明或有效性证明来证明。尽管如此，如果单个排序器行为不当，L2 网络的用户可能会遭受间接损失。能够单独决定交易顺序可能会助长恶性的 MEV 提取，如三明治攻击对用户造成财务损失，甚至审查交易（这因项目而异，但由于存在强制交易通过 L1 包含到 L2 区块中的机制，恶意排序器很难审查并完全阻止添加交易。然而，如果恶意排序器在需要及时执行的紧急情况下审查交易，例如，借贷协议的清算，可能会导致延 L2 中交易延迟 )。

尽管大多数 L2 项目最终都计划将排序器去中心化，但这需要引入一种新的交易排序共识机制。为多个排序器纳入共识机制不可避免地会损害可扩展性，这违背了 Rollup 的初衷。但是，基于区块链精神去中心化排序确有优势，必然是追求的最终方向。本文探讨了最近为去中心化排序器所做的尝试和努力。

去中心化排序器的尝试

Espresso Systems 的 Espresso Sequencer

Espresso Systems 是一家区块链可扩展性和隐私解决方案服务商，在 2022 年 5 月从 Electric Capital 和 Sequoia Capital 等筹集了 3200 万美元资金。Espresso Systems 还在开发其他的解决方案：HyperPlonk ，一种 zkEVM 证明系统；jellyfish，一个开源密码学库；CAPE，一个智能合约应用程序，可以为现有 EVM 链中的资产提供选择性隐私；以及 VERI-ZEXE，一个为智能合约提供隐私的系统。这篇文章将着眼于 Espresso Systems 开发的去中心化排序器 Espresso Sequencer。

Espresso Sequencer 是一种解决方案，可帮助改善当前使用中心化排序器的 zk 和 Optimistic Rollups。作为针对 Rollup 的去中心化排序和数据可用性的层，它可以充当 L1 和 L2 之间的中间件层。交易由 L2 处理，但它们的最终性最终取决于以太坊的 L1，因为网络的共识算法优先考虑活性而不是安全性。Espresso Sequencer 通过引入基于 HotStuff BFT 的 HotShot 共识算法解决了 Rollup 排序和最终性需要依赖于 L1 的问题。基于该算法，多个排序器在乐观条件下快速处理 L2 事务。

最近，HotShot 发布了一个名为 Americano 的测试网，在 100 个具有 4GB 内存和 2 个 CPU 内核配置的节点网络中，实现了 1-2 万次 ERC-20 交易的吞吐量。高性能归功于 HotShot 算法在乐观情况下利用了中心化网络结构。当网络出现问题时，该算法会切换到另一种机制，在悲观条件下优先考虑稳定性而不是性能。

Espresso Sequencer 路线图 | 来源：Espresso Systems

目前，Americano 测试网只采用了乐观响应的交易处理方式，未来计划在 Doppio 测试网中引入悲观处理方式。

Flashbots 的 SUAVE

来源：Flashbots

Flashbots 是一家致力于以太坊网络 MEV 高效提取和去中心化分配的研发机构。它曾经为 PoW 以太坊提供 Flashbot Auction，现在正在为 PoS 以太坊贡献了 MEV-Boost，一个实现 MEV 去中心化的中间件。然而，MEV-Boost 也有其自身的局限性：区块构建者中心化。

虽然验证者或提议者的中心化对网络安全构成了严重威胁，但区块构建者的中心化并没有带来同样程度的风险。尽管如此，中心化的构建者不是理想情况，因为 EOF（外部订单流，用户将交易发送到特定的区块构建者，而不是内存池，从而大大增强了构建者的权限）可能会导致网络偏离高效提取和分配 MEV 的目标。Flashbots 于 2022 年 11 月 23 日推出了名为 SUAVE（The Single Unifying Auction for Value Expression）的解决方案。

来源：Flashbots

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• Coin Metrics：分析以太坊 Blob 与 EIP-4844 的影响

  自3月13日起，多个Layer-2解决方案采用blob交易，超过950,000个blob已发布到以太坊，降低了操作成本。EIP-4844升级提高了L2的可伸缩性和降低交易成本，每天约有10,000个blob发布。blob被设计为18天后过期，防止永久存储膨胀。随着rollups使用blob发布大量数据，blob空间利用率将增加。blob费用根据需求动态调整，4月份因铭文blob激增而增加，但随后又降低。Blob的采用是EIP-4844降低数据存储开销和增强L2可伸缩性的积极信号。然而，跨资产、流动性和用户体验碎片化等挑战仍需解决。随着更多L2利用blob，拥塞可能会再次出现。

• Stacks Nakamoto 升级，BTC生态的文艺复兴

  Stacks是一个跨链共识区块链，旨在将智能合约功能移植到比特币网络中。其共识机制为转移证明，通过燃烧比特币来参与挖矿。Stacks 2.0主网已推出，获得美国证券交易委员会批准的代币销售。Stacks 3.0升级解决了安全性、性能和可扩展性等问题，引入签名者角色，提高链的可扩展性。Nakamoto升级解决了MEV问题，提高了挖矿过程的公平性和稳定性。升级将在4月22日开始，提高Stacks区块链的透明度和信任度。

SUAVE 是一个兼容 EVM 的区块链网络，但其目的是处理交易排序和区块构建，而不是支持部署各种 dApp。简单来说，SUAVE 既是用于交易排序的区块构建者网络，也是用于存储第 1 层网络的预确认交易的内存池。此外，SUAVE 兼容各种 EVM 系网络，这意味着它不仅可以用于以太坊，还可以用于 L2 网络，如 Optimism、Polygon 和 Arbitrum。

来源：Flashbots

SUAVE 最初的目的是，在所有人可访问的开放环境中，1）使用加密的内存池加密用户的交易以确保隐私，并使用最佳执行市场缓解 EOF 情况，从而防止区块构建者的中心化，以及 2 ) 通过处理多个网络的排序将跨链 MEV 提取去中心化，从而防止某些区块构建者权力过大。然而，使用 SUAVE 还可以带来额外的好处。

通过作为多个网络的排序层，SUAVE 能够为选择使用它的 L2 网络去中心化排序器。此外，这将提高 MEV 提取过程的效率，从而形成更具可持续性的网络，这是一个额外的好处。但是，将中心化实体的角色委托给像 SUAVE 这样的去中心化层有一个潜在的缺点，这可能会导致延迟等方面的性能下降。由于 SUAVE 尚未发布，实际表现如何还有待观察。

Polygon 的 PoE

Polygon zkEVM 由 Polygon Hermez 更名，计划通过将名为效率证明 (PoE) 的共识算法引入 Rollup 网络来实现排序器去中心化。PoE 的工作方式如下所述，并将现有排序器角色拆分为排序器和聚合器。排序器将用户的交易聚合成批次，并将它们提交给以太坊 L1 上的智能合约，聚合器验证排序器发布的交易批次。关于 PoE 及其前身捐赠证明 (PoD) 的详细解释，请参阅《Polygon，模块化区块链未来的领跑者》一文的第 5 部分。

PoE 的工作原理，来源：Polygon

EigenLayer

EigenLayer 是第一个引入再质押概念的协议，质押者将已经质押的 ETH 附加额外的削减条件（参见 EigenLayer：通过 ETH 重新质押扩展信任网络)。这种方法的好处是其他协议可以利用以太坊以其巨大的市值建立起来的强大安全性。此外，通过再添加一个削减条件，EigenLayer 可以更好地实现去中心化目的。EigenLayer 可用于将当前 Rollup 排序器去中心化，想要成为去中心化排序器的机构可以通过 EigenLayer 重新质押 ETH 来作为一个实体，并且可以因恶意行为而被罚没。虽然可以使用 Rollup 网络的原生代币通过 PoS 方法构建去中心化排序器，但 EigenLayer 通过使用相对更安全的 ETH 代币提供更好的保护。这里引入 Eigenlayer 无非是在 Rollup 排序器的 PoS 过程中加入 ETH 代币和罚没条件。所以，在采用 EigenLayer 之前，需要考虑如何去中心化排序器。该协议尚未启动，计划在 2023 年发布。上述 Rollup 排序器去中心化的方案还在讨论中，EigenLayer 在发布后的实际使用情况如何，还需拭目以待。

Cosmos Interchain Security

来源：Celestia

模块化区块链的代表项目之一 Celestia 的首席运营官 Nick White 最近在 Celestia 论坛上分享了一个关于 Rollup 排序器去中心化的有趣提案。他建议使用来自 Cosmos 生态系统的 Interchain Security。Interchain Security (ICS) 使用 Cosmos Hub 的验证器为消费者链（使用 ICS 的特定应用程序链）提供共享安全性。换句话说，这个想法是通过 ICS 利用 Cosmos 的现有验证器作为 Rollup 排序器，因为 Rollups 推出新代币和为 PoS 构建去中心化排序器集具有挑战性。这与利用 EigenLayer 进行去中心化排序的思路基本相同。

引入这种方法将为 Celestia 网络提供一个强大的工具来实现「原子跨 Rollup 可组合性」。Celestia 网络充当托管多个 Rollup 网络的数据可用性层，这可能导致流动性碎片化和可组合性下降。如果多个 Rollup 网络使用通过 ICS 设置的相同排序器进行运作，这将允许原子事务，因为相同的参与者会生成批量的 Rollup。不同 Rollup 上的 dApp 能够无缝交互，解决 Celestia 网络上流动性分散和可组合性恶化的问题。

假设您打算通过提供 A Rollup 的 X 代币作为抵押来借用 B Rollup 的 Y 代币。在这种情况下，需要花费相当长的时间来验证 A Rollup 的 X 代币是否已被适当地锁定为抵押品以及 B Rollup 的 Y 代币是否已被正确借出。然而，如果 Rollup A 和 Rollup B 共享相同的去中心化排序器集，它们的区块将由相同的实体生成，这将大大简化贷款的验证过程。这也意味着网络可以几乎像在同一个网络中一样相互交互，从而显着增强跨 Rollup 交互的用户体验。

与 EigenLayer 一样，Celestia 和 Cosmos 也计划在 2023 年推出 ICS。因此，到目前为止讨论的提案应被视为去中心化排序的潜在解决方案。

总结

本文考察了 Rollup 去中心化的不同思路：Polygon 的 PoE 共识算法直接在 Rollup 网络层面实现去中心化排序，Espresso Systems 的 Espresso Sequencer 和 Flashbots 的 SUAVE 绕道另一层解决问题，EigenLayer 和 Cosmos 的 ICS 利用已经构建了强大安全性的网络验证器集。由于 排序器的去中心化至关重要，来自 Celestia 的 Alex Beckett 在 2022 年 6 月就此主题发表了文章。我想通过简要概述 Alex 的解决方案来结束本文。

第一个是「带领导者选举的无许可 PoS」。在这种方法下，任何人都可以作为 Rollup 排序器参与网络，通过抵押代币并通过领导者选举过程来决定网络的区块生产顺序。如上所述，Espresso Sequencer、EigenLayer 和 Cosmos ICS 都采用了这种方法。

第二个是「通过 MEV 拍卖的无许可 PoS」。不是像上面那样使用领导者选举过程来确定哪个定排序器将创建下一个区块，而是在拍卖过程中出价最高的排序器负责生成区块。Flashbots 的 SUAVE 或前面讨论的 Polygon zkEVM 的 PoE 共识算法采用了类似的方法。

最后，「执行公平排序的许可排序器集」。由于上面讨论的两种解决方案都是无需许可的，任何人只要满足一定的条件就可以参与到排序过程中。另一方面，涉及许可排序器的解决方案是指与受信任的实体以私有方式创建一组排序器。您可以将其视为排序器，收集交易并根据先到先得的方式公平公正地决定订单。然而，这种方法需要信任，不能被视为真正的 Rollup 排序器去中心化解决方案。

尽管 Rollup 网络在 2022 年获得了极大关注，但仍存在相关的重大风险，而去中心化排序器通常被认为是低优先级的风险。尽管如此，实现去中心化排序对于解决审查问题和提高 MEV 提取效率至关重要。随着 2022 年 Rollup 网络的广泛采用，他们处理着越来越庞大的资金，这增加了对提高网络安全性和公平性的需求。希望未来排序器去中心化会有所改进，让用户可以使用更安全、更公平的 Rollup 网络。

参考资料

https://www.espressosys.com/blog/decentralizing-Rollups-announcing-the-espresso-sequencer

https://www.espressosys.com/blog/espresso-hotshot-consensus-designed-for-Rollups

https://www.espressosys.com/blog/releasing-espresso-testnet-1-americano

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

https://www.alexbeckett.xyz/decentralized-sequencers-where-do-we-go-next/

https://forum.celestia.org/t/decentralized-Rollup-sequencing-as-a-service-via-interchain-security/423

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