Rollup排序器去中心化：技術趨勢與前沿方案解析

2024-08-01 16:08:38

前言

排序器（Sequencer）是以太坊擴容方案 Rollup 中的核心組件之一，負責對交易進行排序，並執行區塊創建、交易接受、交易排序、交易執行以及交易數據提交等相關任務。隨着以太坊網絡 Layer 2 解決方案的不斷增加及其生態系統的蓬勃發展，Layer 2 的盈利模式和中心化問題日益受到關注。尤其是在 Rollup 中，如何實現排序器的去中心化以及排序器利潤的分配機制，成為大家關心的熱點話題。

什么是排序器？

排序器，顧名思義，是負責對交易進行排序的角色。在比特幣網絡中，交易排序的職責由礦工負責；在以太坊網絡中，這一職責由節點集合承擔。這些角色並非固定，而是通過共識機制來確定誰有權參與交易的順序執行。

目前，主流的 Rollup 方案大多運行中心化的單一排序器。用戶在 Layer 2 （L2）的交易首先進入 mem 池（此時交易是無序的）。排序器將這些交易進行排序、壓縮成一組有序的批次，然後發送到以太坊的數據可用性（DA）層。

中心化 VS 去中心化

去中心化排序器賽道概覽

去中心化排序器可以通過兩種方式實現：一種是由 Rollup 項目方自行开發，另一種是借助第三方服務。借助第三方實現去中心化排序器，通常被稱為 Sequencing-as-a-Service（排序即服務）。

目前，有多個項目專注於去中心化排序器方案，包括 Espresso、Astria、SUAVE、Radius 等。盡管它們的實現路徑各不相同，但目標都是為了提升排序器的去中心化程度和可靠性。

Espresso

在 Espresso 排序器的排序機制下，L2 交易大致經歷以下生命周期：

交易發送： 用戶在二層網絡上發生的交易通過 API 發送到 Rollup 服務器。
交易排序： 交易進入 mem 池後，排序器通過 HotShot 共識選舉對交易進行排序，並將其包含在一個區塊中。
交易廣播與確認： 排序器將排序後的交易廣播出去，其他節點通過 HotShot 共識達成共識後出塊，交易被執行。同時，軟承諾機制提供快速的交易確認。
區塊承諾： 排序器將包含交易的區塊承諾及其共識證書（QC：Quorum Certificate）發送並存儲在 L1 排序器合約中，證明該區塊通過共識達成軟最終性。
狀態更新： 已執行該區塊的 Rollup 節點將新的 Rollup 狀態發送到 L1。在 zkRU（零知識 Rollup）情況下，需要附帶有效性證明，而在 ORU（優化 Rollup）情況下則會進入挑战期。
狀態驗證： L1 Rollup 合約通過驗證排序器合約發送來的 QC，檢查狀態更新的有效性。

這個流程可以簡化理解為：

交易排序與區塊創建： 在一組排序器中，通過 HotShot 共識機制選出一個排序器，它負責對 Rollup 交易進行排序，並將這些交易包含在一個區塊中。
共識與區塊承諾： 該區塊必須由其他的 Rollup 節點籤署並達成共識（至少 2/3 的 HotShot 節點同意）才具有「最終性」。然後，相關的區塊承諾和新的 Rollup 狀態根提交給 L1 基礎層進行驗證。
快速確認與最終性： 「最終性」帶引號是為了讓 Rollup 交易更快地確認，減少延遲，提升用戶體驗。然而，Rollup 交易最終還是要由 L1 基礎層進行驗證（zkRU 需要驗證有效性證明，ORU 需要等待挑战期結束）。如果 L1 驗證交易沒有問題，此時 Rollup 的交易才具有真正的最終性。
潛在回滾： 如果 L1 驗證發現交易無效，相關的已出塊的 L2 區塊將面臨回滾。因此，「最終性」是為了讓交易快速確認，而最終性是為了繼承以太坊的安全性。

Astria

Astria 的定位是提供通用、無需許可的去中心化排序器，為不同的 Rollup 提供开箱即用的共享排序器服務。

運行機制

Astria 的去中心化排序器運行機制與 Espresso Sequencer 類似，目的是通過將交易排序的權利下放來減少排序者的特權。具體來說，Astria 提出了兩種針對排序器的輪換機制：

領導者輪換（Leader Rotation）： 這是一種簡單的輪換機制，通過預定的規則或時間間隔在排序器之間輪換領導者，從而分散排序權力。
拜佔庭容錯（BFT）共識算法： 這是一種更加復雜和安全的機制，允許在存在惡意節點的情況下仍能達成共識。通過這種算法，多個排序器共同參與決策，確保系統在遭受一定數量的節點故障或攻擊時仍能正常運行。

領導者輪換

通過選舉產生的排序器組成一個集合，集合中的排序器輪流對 Rollup 交易進行排序。這種方式避免了單一排序器長時間壟斷交易排序權的問題，並在一定程度上解決了對用戶持續審查的隱憂。

SUAVE

SUAVE 是由 Flashbots 开發的去中心化、即插即用的共享排序器解決方案。作為一個通用平臺，SUAVE 能夠為各種 L1/L2 網絡提供內存池管理和去中心化的區塊構建功能。與傳統共享排序器設計不同，SUAVE Chain 是一條 EVM 兼容鏈，它通過區塊“競標”的機制實現交易排序。

SUAVE 架構

SUAVE 的架構由三個核心組件組成：通用偏好環境、最佳執行市場和去中心化區塊構建。

偏好環境
SUAVE 的偏好環境廣泛涵蓋了從簡單交易到復雜事件的各種需求。用戶的交易偏好會以交易形式反映在內存池中，偏好環境作為一個公共的內存池將這些偏好匯總起來。SUAVE 提供的通用偏好環境不僅使多鏈用戶的偏好變得公开透明，還有效減少了信息不對稱，並在一定程度上緩解了跨鏈 MEV 問題。
執行市場
執行市場由一群執行者組成，他們負責監聽 SUAVE 的內存池並相互競爭。競爭驅動這些執行者為用戶的偏好提供最佳執行方案。可以將這些執行者視為通過“競標”方式來實現用戶需求的參與者，他們力求將產生的 MEV 盡可能多地返還給用戶。
去中心化區塊構建
最後，基於收集到的偏好數據和最佳執行路徑，去中心化區塊構建網絡會將這些交易信息打包到區塊中，完成從交易發現、排序到區塊出塊的整個過程。

Radius

Radius 的定位是一個無需信任的共享排序層。與前述方案的實現機制不同，Radius 通過引入加密內存池（encrypted mempool）來確保 Rollup 交易的排序過程無需信任。這種方法有效消除了 MEV 和用戶交易審查的問題，從而保障了交易的公正性和透明性。

盡管像 Espresso 和 Astria 等基於共識機制的去中心化排序器在一定程度上減少了 MEV 和審查風險，但它們通常以犧牲網絡可擴展性和時間效率為代價，從而導致交易確認延遲（因為需要就交易排序達成共識）。此外，雖然這些排序器在去中心化環境中運行，由於內存池中的交易信息是公开透明的，排序器仍然可能存在惡意攫取 MEV 的風險。Radius 通過引入加密內存池（encrypted mempool），確保排序器無法看到相關交易信息，旨在從根本上解決排序器惡意攫取 MEV 和審查交易的問題。

技術架構

Radius 的技術架構分為四個主要功能層級：排序層（Radius）、執行層（Rollup）、結算層和數據可用性層。

排序層

用戶將加密交易及其證明提交給排序器。
排序器驗證這些證明及交易的有效性。
排序器在解密交易之前對交易進行排序。
排序器構建一個區塊。
排序器將構建好的區塊提交給 Rollup 執行層。

執行層

Rollup 接收排序器提交的區塊，並按照指定的順序執行交易。
Rollup 將交易狀態及狀態證明提交至結算層。

結算層

結算層負責接收和驗證來自 Rollup 的狀態和狀態證明，以確認交易的最終性。
結算層確保交易執行符合排序層指定的順序。

數據可用性層

數據可用性層負責存儲數據並確保這些數據的可用性。

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）來實現加密內存池（mempool）。這一機制確保了交易在排序過程中保持加密狀態，增加了交易處理的安全性。

具體流程如下：

用戶提交交易

用戶生成一個時間鎖謎題和一個對稱密鑰。
用戶使用對稱密鑰對交易進行加密，加密後的交易進入內存池（mempool）。

排序器處理交易

排序器對加密交易進行排序，但在解鎖時間鎖謎題之前無法獲取解密密鑰。
排序器在解鎖時間鎖謎題前，計算訂單承諾，並將該承諾提交給結算層。這一承諾用於驗證排序器是否按照順序將交易提交給 Rollup 執行層。

Metis

Metis 是首批實踐去中心化 PoS 排序器的 Layer 2 網絡，為未來的發展提供了一個重要的範本。這個範本不僅實現了排序器的去中心化，還提供了基於 PoS（權益證明）的去中心化 Optimistic Rollup 解決方案。在該範本中，Metis 的去中心化 PoS 排序器包括三個主要角色：管理員、排序器和 PoS 共識層。

在傳統的 Rollup 模型中，單一的 Sequencer 雖然能有效處理交易和數據，但也集中權力，可能引發多種風險：

操作風險： 如果 Sequencer 發生故障或遭受攻擊，整個系統的交易處理將被阻斷。
審查風險： Sequencer 能夠選擇性處理或拒絕交易，這可能限制用戶訪問特定的去中心化金融（DeFi）協議或服務。
操縱風險 ：Sequencer 在交易排序中可能優先處理自身交易，通過提高交易費用獲取不正當利益，即最大可提取價值（MEV）。

為了解決這些問題，Metis 設計了一個去中心化的 Sequencer 池，由多個 Sequencer 節點共同完成交易的聚合、排序和執行。這一設計確保了系統的公正性和透明度：

共識機制： 超過三分之二的 Sequencer 節點必須對每個新區塊的狀態達成共識，之後才能將交易批次提交到以太坊主網（L1）。
多方計算（MPC）籤名： 在交易批次提交到 L1 之前，通過 MPC 籤名驗證批次的真實性，確保數據的准確性。

去中心化 Sequencer 的優勢：

增強安全性： 通過多個節點共同決策，降低了單點故障的風險，提高了網絡的魯棒性和安全性。
降低審查和操控的可能性： 多個 Sequencer 的存在使得單一節點難以操控或審查交易，保護用戶的交易自由。
穩定性和冗余： 支持 Sequencer 的平滑輪換，最小化故障或中斷的影響，提高了整個網絡的穩定性。

在 Metis 的去中心化 Sequencer 模型中，每個節點由幾個關鍵組件組成：

L2 Geth（包括 OP-Node）： 負責交易排序和區塊組裝。
適配器模塊： 作為與其他外部模塊（主要是 PoS 節點）交互的中介。
批次提交者（Proposer）： 負責構建交易批次並在獲得多個 Sequencer 的認可後提交到 L1。
PoS 節點： 在以太坊、共識和 Metis 層之間進行協調，確保資產的安全鎖定並獎勵驗證者。
共識層： 由與以太坊主網並行運行的 Tendermint PoS 節點組成，確保操作效率而不妨礙主網的進程。

L2 Geth（包括 OP-Node）

主要代碼為https://github.com/MetisProtocol/mvm fork optimism

主要是修改了兩部分

區塊組裝：mvm\l2 geth 服務代碼，加入了 applyTransactionToTip 處理邏輯，以此判斷當前 sequencer 是否應組裝當前區塊。
交易排序：修改原 op-node 代碼，借助 MPC 共識層的適配器模塊，獲取輪換列表與區塊高度對應的當前排序器的位置，來檢查自己是否為當前有效排序器。

Sequencer 輪換

輪換信息存在L2 MetisSequencerSet 合約中，信息由共識層（PoS 節點）控制
每個 epoch，共識層更新 Sequencer 信息，經過 MPC 籤名，發起交易，更新合約 Sequencer 列表
每個 epoch，根據合約 Sequencer 列表信息，輪流當職
違規：未及時，或者產生錯誤交易（兩筆相同 L2 TxID），PoS 層會選擇新的 Sequencer，{構造 ReselectSeqencer 交易 + MPC 籤名}，新的 Sequencer 會在L2上發起當前 TxID 的交易，同時新的 Sequencer 也會更新到 MetisSequencerSet 合約 {沒有懲罰機制}
觸發更新：收到常規交易，並且達輪換間隔，會暫停當前常規交易，執行 MetisSequencerSet.sol 合約更新交易，然後 PoS 層選擇將執行當前常規交易的新排序器。
加入：POS 合約，部署在L1，任何人，抵押 metis，申請成為 sequencer。當達到上限，進入等待隊列