從理論到實踐：Based Rollup能否實現L1排序驅動的Rollup方案

2024-06-21 00:06:50

前言：

以太坊的工作原理是每個節點都會存儲並執行用戶提交的每筆交易，為對整個網絡進行擴展，以太坊採用了 Rollup 解決方案。簡單來說它將大部分交易處理移到鏈下（L2），從而減輕以太坊主網（L1）的負擔並降低交易費用，即 Rollup=L1的一組智能合約+L2的網絡節點，即鏈上智能合約和鏈下聚合器，它自身的結算、共識和數據可用性依賴於以太坊本身，僅負責執行交易。L2網絡節點由多個部分組成，其中最重要的是排序器，但目前 Rollup 的排序器都面臨着中心化的問題。

Rollup 和排序器

Rollup 是以太坊（L1）的一種擴容解決方案，它在鏈下執行交易，將交易打包在區塊中。對於每個區塊，Rollup 會將重建鏈狀態所需的數據（作為數據可用性的來源）發布到數據可用層，並將鏈下執行正確性的證明發布到結算層（Rollup 有兩種類型，在 ZK-rollup 的情況下，每個區塊都發布零知識證明；而在 Optimistic rollup 的情況下，只有在發生爭議時才發布欺詐證明）,在 EIP-4844 後，當數據發布切換到 blobs 時，可能會將此層稱為“數據發布層”。其中 Rollup 的智能合約在L1上驗證所發布的證明，每個 Rollup 都會存在一個或多個橋來實現鏈之間的數據傳輸以及存款和取款。

在 Rollup 的實現邏輯中，排序器（Sequencer）是一個關鍵組件，它主要負責接收L2上的交易請求，確定其執行順序，並將交易打包成批次（Batch）最終傳送給L1上的 Rollup 智能合約，在提高交易處理效率和降低成本方面發揮了重要作用。

排序器的功能與工作原理主要有四部分。

1.接收交易：排序器接收來自用戶或應用的交易請求。這些交易首先在L2上被處理，而不是直接在以太坊主網上進行；

2 排序交易：排序器負責對接收到的交易進行排序，確定它們的執行順序。這一過程類似於以太坊礦工在將交易打包成區塊之前所做的工作；

3 打包交易：排序器將已排序的交易打包成批次，這些批次包含了多筆交易的匯總信息；

4 提交到L1：最終，排序器將打包的交易批次提交到以太坊主網（L1），在主網上進行結算和數據存儲。這樣，L1便可以驗證和存儲L2上的狀態更新。

盡管 Rollup 技術提供了一種有效的擴展方案，但在排序器的設計和實施上仍然存在一些問題，首當其衝的是中心化問題，多數 Rollup 項目目前依賴中心化的排序器，通常由單一實體或少數實體控制，帶來的直觀風險是缺乏透明性和單點故障。

拋开上述刻板生硬的解釋，關於L2去中心化排序器解決方案的討論，在 YBB Capital 往期文章中提到的無論是 Metis 直接面向市場放开的排序池節點質押的L2方案，還是另起爐竈的獨立項目 Espresso 方案，其本質都是排序”利潤蛋糕“的分配和未來對市場炒作的空間預期，所以利益和正統性正確才是難以避忌的關鍵。

Based Rollup 的歷史背景與設計

圖源：@drakefjustin

Rollup 概念最早由以太坊創始人 Vitalik Buterin 提出，其最初設想是實現一個完全無約束的“Total Anarchy（無政府）”狀態，以允許任何人無限制的交易擴展。結合上述當前排序器存在的問題，在 2023 年 Ethereum Researcher ：Justin Drake，提出了將排序器由以太坊L1自身管理的解決方案 Based Rollups，其內容如下（出處見擴展鏈接 1）：

定義：

“當匯總的排序由基礎層（L1）驅動時，我們稱其為基於L1或由L1排序的匯總。具體地說，基於L1的匯總是指下一個L1提議者可以與L1搜索者和構建者合作，無需許可地將下一個 Rollup 區塊包含在下一個L1區塊中。”

優點：

活性（liveness）: Based Rollup 享有與 L1 相同的活性保證。請注意，帶有逃生艙（Escape Hatches）的非 Based Rollup 的活性會降低（逃生艙是 Rollup 中的一種安全機制，允許用戶在 Rollup 系統出現問題時，將資產從 L2 安全地提取回 L1 主鏈。它類似於一個應急出口）；

較弱的結算保證：在結算得到保證前，逃生艙的交易必須等待一段超時時間；

基於審查的 MEV：帶有逃生艙的 Rollups 在超時期間，容易受到短期內排序器審查帶來的不利 MEV 影響；

網絡效應面臨風險：由排序器活性故障觸發的大規模退出（例如對去中心化 PoS 排序機制的 51% 攻擊）將破壞 Rollup 的網絡效應。請注意，與 L1 不同，Rollup 不能使用社會共識從排序器活性故障中優雅地恢復。在所有已知的非 Based Rollup 設計中，大規模退出是達摩克利斯之劍；

Gas 懲罰：通過逃生艙結算的交易通常會為其用戶帶來 Gas 懲罰（例如由於交易非批量打包的次優數據壓縮）。

去中心化（decentralization） : Based Rollup 繼承了 L1 的去中心化，自然復用了 L1 搜尋者 - 構建者 - 提議者的基礎設施。L1 搜尋者和構建者受到激勵，在他們的 L1 區塊中包含 rollup 區塊來提取 rollup 的 MEV。然後這又會激勵 L1 區塊提議者在 L1 上打包 rollup 區塊。
簡潔性（simplicity）：Based Rollup 排序是最簡單的，甚至比中心化排序要簡單得多。Based Rollup 不需要驗證排序器籤名，不需要逃生艙，也不需要外部 PoS 共識。

歷史注釋： 2021 年 1 月，Vitalik 將基於 L1 排序的方案稱為「完全無政府狀態」，這有同時提交多個 rollup 區塊的風險，導致 Gas 和工作量的浪費。現在的區塊提議者 — 構建者分離方案（Proposer-Builder Separation, PBS）可以嚴格控制的 L1 排序，每個 L1 區塊最多有一個 rollup 區塊，並且沒有 Gas 浪費。當 rollup 的 n+ 1 區塊（或對於 k >= 1 ，n+k）包含區塊 n 的 SNARK 證明時，可以避免浪費 ZK-rollup 的證明工作。

成本：Based Rollup 的 Gas 开銷為零 —— 甚至不需要驗證來自去中心化或中心化排序器的籤名。Based Rollup 的簡潔性降低了开發成本，縮短了發布時間，並減小了代碼漏洞的暴露面積。Based Rollup 的排序也是無需代幣的，避免了基於代幣的排序器的監管負擔。
與 L1 經濟一致（L1 economic alignment）：源自 Based Rollup 的 MEV 自然流向了其基於的 L1。這種流向加強了 L1 經濟安全，並且在 MEV 銷毀的情況下，提高了 L1 原生代幣的經濟稀缺性。這種與 L1 在經濟上的緊密結合可能有助於構建 Based Rollup 的合法性。重要的是，盡管犧牲了 MEV 收入，Based Rollup 保留了從 L2 擁塞費（例如 EIP-1559 形式的 L2 基礎費用）中獲得收入的選項。
主權性（sovereignty）：盡管將排序委托給了 L1，但 Based Rollup 保留了主權性。Based Rollup 可以有一個治理代幣，收取基本費用，並且可以在合適的時候使用這些基本費用的收益（例如 Optimism 為公共產品提供資金）。

缺點：

無 MEV 收入：Based Rollup 將 MEV 放手給了 L1，使其收入限制為基本費用。反直覺的是，這可能會增加 Based Rollup 的總收入。原因是 rollup 的格局似乎是贏家通喫，獲勝的 rollup 可能會利用 Based Rollup 的安全性、去中心化、簡潔性和一致性來實現主導地位並最終實現收入最大化。
受約束的排序：將排序委托給 L1 會降低排序靈活性。這使得某些排序服務變得更加困難，甚至可能是無法實現的：

預確認：快速預確認對於中心化排序不是問題，並且可以通過外部 PoS 共識來實現。使用 L1 排序進行快速預確認是一個开放性問題，有着許多有前景的研究方向，包括 EigenL、打包交易列表 (Inclusion Lists) 和構建者債券 (Builder Bonds)。

先到先得 (FCFS)：Arbitrum 式的 FCFS 排序不確定能否在 Based Rollup 上實現。EigenL 可能給 L1 排序的 Based Rollup 提供 FCFS 的覆蓋層。

命名：

「Based Rollup」這個名稱源於與基礎鏈 (Base L1) 的親近性。這與 Coinbase 最近宣布的 Base 鏈有所衝突，是一個奇妙的巧合。事實上，Coinbase 在他們的 Base 公告中分享了兩個設計目標：

無代幣 (tokenlessness)：「我們沒有發行新網絡代幣的計劃。」
去中心化 (decentralisation)：「我們 [...] 計劃隨着時間的推移逐步去中心化區塊鏈。」

Base 可以通過成為 Based Rollup 來實現無代幣的去中心化。

圖源：@jchaskin 22

綜上理論，Based Rollup 可讓任何人都可擴展到 Rollup 區塊，把排序後的交易狀態變化發布到L1即可從L2中提取 MEV，讓所有的排序和安全性均由以太坊L1提供。這樣可以規避外部權益證明共識和特定的 Rollup 的 Token 需求，同時相比於其他 Rollup 為保住資產安全必不可少的”緊急逃生艙“功能相比，在 Based Rollup 的愿景中可以去除，其過程只需在保住以太坊安全運行的前提下，在 Rollup 上的交易既可順利完成。

Based Rollup 上的 Taiko Labs

圖源：Taiko 官網

Taiko Labs 是开發和推廣 Based Rollup 的主要團隊，而 Based Rollup 是 Taiko Labs 在以太坊第二層擴展解決方案方面的項目。其愿景是通過 Based Rollup 等創新技術，解決以太坊主網的擴展性問題。其主要有三個特點：

1.完全等同於以太坊的 EVM(Type 1) ZK-EVM：使用的（Type 1) zkEVM 具備完全的以太坊兼容性，开發者可以無縫地在以太坊和 Taiko 之間遷移去中心化應用（dApps），而無需擔心智能合約執行失敗的風險；

2.开源：Taiko 的所有源代碼都公开在 GitHub 上，任何人都可以查看、構建或修改。這種开源模式確保了區塊鏈技術的發展不僅局限於一個小團隊的努力，還涵蓋了全球範圍內的社區和开發者；

3.完全去中心化：除了確保與 EVM 的高度兼容性，Taiko 還致力於實現協議的完全去中心化。Taiko 計劃通過去中心化的提議者和驗證者來提交區塊和生成 zkPs，從而保障系統的去中心化特性。

Taiko 致力構建類型 1 完全等效於以太坊(fully Ethereum-equivalent)

的 ZK-EVM，即 Vitalik Buterin 在《The different types of ZK-EVMs》（見擴展鏈接 2），中提到的追求完全且毫無妥協地與以太坊等效。其目的是與以太坊完全兼容來驗證以太坊區塊（至少可驗證執行層，不包括信標鏈共識但包括所有的交易，智能合約和账戶邏輯，且不會取代哈希，狀態/事務樹和其他共識邏輯），所以相比於其他類型，為接近原生解決方案，Type 1 是最具復雜性和挑战性的一種。

圖源：Vitalik Buterin：《The different types of ZK-EVMs》

其他核心結構：

可競爭的 Rollup(BCR - Base Competitive Rollup)

是 Taiko Labs 开發的一種創新型區塊鏈擴展解決方案。BCR 旨在通過競爭機制提高 Rollup 的效率和安全性，使得不同的參與者可以自由競爭提交區塊和生成證明，從而提升整個網絡的性能和去中心化程度，綜合來看總結如下。

特點

开放競爭：允許任何符合條件的參與者競爭提交區塊和生成證明，這種开放機制減少了中心化控制，提高了網絡的去中心化程度。競爭者通過提供更優質的服務來贏得獎勵和交易費用；

高效擴展：可以有效提升區塊生成和驗證的效率。多個競爭者可以並行工作，避免了單點瓶頸，提升了交易處理的速度和網絡的擴展能力；

安全性：通過多方參與的競爭機制，提高了系統的抗攻擊能力。多方競爭生成的區塊和證明，增加了系統的透明度和安全性，難以被單一實體控制或攻擊。

優勢

EVM 兼容：BCR 與以太坊虛擬機（EVM）完全兼容，使得現有的以太坊智能合約和去中心化應用（DApps）可以輕松遷移到 BCR 上運行，而無需進行重大修改；

高吞吐量：由於 BCR 可以並行處理交易和生成區塊，網絡的吞吐量顯著提高，能夠處理更高的交易量，降低了交易成本和延遲；

去中心化：通過去中心化的區塊生成和證明機制，確保了網絡的去中心化特性，降低了被中心化實體控制的風險。

劣勢

復雜性增加：系統復雜性需要復雜的算法和協議來協調多個競爭者之間的區塊生成和驗證，智能合約復雜性讓智能合約可能需要額外的邏輯來處理競爭結果；

潛在問題：在 BCR 的競爭機制下，多個競爭者同時計算和提交區塊時，可能導致的費用上升，用戶在使用 BCR 進行交易時可能面臨較高的交易費用，尤其是在網絡繁忙或競爭激烈的情況下。同時資源豐富的大節點可能在競爭中佔據優勢，造成中心化的集中。

基於助推器的 Rollup(BBR-Based Booster Rollup)

助推器（Booster）在 BBR 中是一個特殊的參與者，它負責優化交易批次，對交易數據進行壓縮和並行處理多個交易批次的作用，實際作用是將執行和存儲進行分離，保持L2執行的同時L1保持去中心化，並且讓智能合約在L1和所有 BBR 上的地址保持一致。

與此同時，它也面臨系統復雜性增加、資源消耗、潛在中心化等問題的挑战。未來，BBR 仍需要進一步優化和擴展，以滿足區塊鏈技術不斷發展的需求。

圖源：Taiko Labs

結語

當下整體觀察來看，Based Rollup 算得上以太坊二層擴展方式的巨大轉變，將 Rollup 的排序直接委托在一層提議者，利用提議者與構建者的分離設計，讓一層為 Rollup 執行所有的排序者角色。同時也讓 MEV 得到擴展，這樣 L2 搜索者可將交易捆綁發送給 L2 構建者，同樣後者也是 L1 的搜索者，而這些完整的 L2 區塊隨後成為 L1 區塊的一部分，最終由 L1 構建者和以太坊主網處理。

能否將 Based Rollup 假設為 Rollup 的最終解我們還有待考證，但不可否認的是它在現階段是以太坊二層擴展的一次重大創新，為擴展提供了更安全，去中心化解決方案。如果將同等思維帶入比特幣生態，與有強可擴展性的以太坊實現原生且去中心化的 VM 相比，其實現難度都無可厚非，所以目前整個行業在解決真正去中心化擴展的問題上仍有很長一段路要走。

擴展鏈接：

【 1 】 Based rollups—superpowers from L1 sequencing https://ethresear.ch/t/based-rollups-superpowers-from-l1-sequencing/15016/1

【 2 】The different types of ZK-EVMs https://vitalik.eth.limo/general/2022/08/04/zkevm.html

參考文章：
【 1 】信用的遊戲：被多籤和委員會操控的 Rollup 們 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0OTYwMDM1Mg==&mid=2247486544&idx=1&sn=7a0ee8eb1d32e6ef0bd08354986c0a1f&source=41#wechat_redirect

【 2 】Taiko 研報：實現無縫擴展與完全兼容的以太坊 Layer 2 解決方案 https://www.panewslab.com/zh/articledetails/id09jfto.html