Rollup排序器去中心化：技术趋势与前沿方案解析

前言

排序器（Sequencer）是以太坊扩容方案 Rollup 中的核心组件之一，负责对交易进行排序，并执行区块创建、交易接受、交易排序、交易执行以及交易数据提交等相关任务。随着以太坊网络 Layer 2 解决方案的不断增加及其生态系统的蓬勃发展，Layer 2 的盈利模式和中心化问题日益受到关注。尤其是在 Rollup 中，如何实现排序器的去中心化以及排序器利润的分配机制，成为大家关心的热点话题。

什么是排序器？

排序器，顾名思义，是负责对交易进行排序的角色。在比特币网络中，交易排序的职责由矿工负责；在以太坊网络中，这一职责由节点集合承担。这些角色并非固定，而是通过共识机制来确定谁有权参与交易的顺序执行。

目前，主流的 Rollup 方案大多运行中心化的单一排序器。用户在 Layer 2 （L2）的交易首先进入 mem 池（此时交易是无序的）。排序器将这些交易进行排序、压缩成一组有序的批次，然后发送到以太坊的数据可用性（DA）层。

中心化 VS 去中心化

去中心化排序器赛道概览

去中心化排序器可以通过两种方式实现：一种是由 Rollup 项目方自行开发，另一种是借助第三方服务。借助第三方实现去中心化排序器，通常被称为 Sequencing-as-a-Service（排序即服务）。

目前，有多个项目专注于去中心化排序器方案，包括 Espresso、Astria、SUAVE、Radius 等。尽管它们的实现路径各不相同，但目标都是为了提升排序器的去中心化程度和可靠性。

Espresso

在 Espresso 排序器的排序机制下，L2 交易大致经历以下生命周期：

• **交易发送：**用户在二层网络上发生的交易通过 API 发送到 Rollup 服务器。
• **交易排序：**交易进入 mem 池后，排序器通过 HotShot 共识选举对交易进行排序，并将其包含在一个区块中。
• **交易广播与确认：**排序器将排序后的交易广播出去，其他节点通过 HotShot 共识达成共识后出块，交易被执行。同时，软承诺机制提供快速的交易确认。
• **区块承诺：**排序器将包含交易的区块承诺及其共识证书（QC：Quorum Certificate）发送并存储在 L1 排序器合约中，证明该区块通过共识达成软最终性。
• **状态更新：**已执行该区块的 Rollup 节点将新的 Rollup 状态发送到 L1。在 zkRU（零知识 Rollup）情况下，需要附带有效性证明，而在 ORU（优化 Rollup）情况下则会进入挑战期。
• **状态验证：**L1 Rollup 合约通过验证排序器合约发送来的 QC，检查状态更新的有效性。

这个流程可以简化理解为：

• **交易排序与区块创建：**在一组排序器中，通过 HotShot 共识机制选出一个排序器，它负责对 Rollup 交易进行排序，并将这些交易包含在一个区块中。
• **共识与区块承诺：**该区块必须由其他的 Rollup 节点签署并达成共识（至少 2/3 的 HotShot 节点同意）才具有「最终性」。然后，相关的区块承诺和新的 Rollup 状态根提交给 L1 基础层进行验证。
• 快速确认与最终性：「最终性」带引号是为了让 Rollup 交易更快地确认，减少延迟，提升用户体验。然而，Rollup 交易最终还是要由 L1 基础层进行验证（zkRU 需要验证有效性证明，ORU 需要等待挑战期结束）。如果 L1 验证交易没有问题，此时 Rollup 的交易才具有真正的最终性。
• **潜在回滚：**如果 L1 验证发现交易无效，相关的已出块的 L2 区块将面临回滚。因此，「最终性」是为了让交易快速确认，而最终性是为了继承以太坊的安全性。

Astria

Astria 的定位是提供通用、无需许可的去中心化排序器，为不同的 Rollup 提供开箱即用的共享排序器服务。

运行机制

Astria 的去中心化排序器运行机制与 Espresso Sequencer 类似，目的是通过将交易排序的权利下放来减少排序者的特权。具体来说，Astria 提出了两种针对排序器的轮换机制：

• **领导者轮换（Leader Rotation）：**这是一种简单的轮换机制，通过预定的规则或时间间隔在排序器之间轮换领导者，从而分散排序权力。
• **拜占庭容错（BFT）共识算法：**这是一种更加复杂和安全的机制，允许在存在恶意节点的情况下仍能达成共识。通过这种算法，多个排序器共同参与决策，确保系统在遭受一定数量的节点故障或攻击时仍能正常运行。

领导者轮换

通过选举产生的排序器组成一个集合，集合中的排序器轮流对 Rollup 交易进行排序。这种方式避免了单一排序器长时间垄断交易排序权的问题，并在一定程度上解决了对用户持续审查的隐忧。

SUAVE

SUAVE 是由 Flashbots 开发的去中心化、即插即用的共享排序器解决方案。作为一个通用平台，SUAVE 能够为各种 L1/L2 网络提供内存池管理和去中心化的区块构建功能。与传统共享排序器设计不同，SUAVE Chain 是一条 EVM 兼容链，它通过区块“竞标”的机制实现交易排序。

SUAVE 架构

SUAVE 的架构由三个核心组件组成：通用偏好环境、最佳执行市场和去中心化区块构建。

• 偏好环境
• SUAVE 的偏好环境广泛涵盖了从简单交易到复杂事件的各种需求。用户的交易偏好会以交易形式反映在内存池中，偏好环境作为一个公共的内存池将这些偏好汇总起来。SUAVE 提供的通用偏好环境不仅使多链用户的偏好变得公开透明，还有效减少了信息不对称，并在一定程度上缓解了跨链 MEV 问题。
• 执行市场
• 执行市场由一群执行者组成，他们负责监听 SUAVE 的内存池并相互竞争。竞争驱动这些执行者为用户的偏好提供最佳执行方案。可以将这些执行者视为通过“竞标”方式来实现用户需求的参与者，他们力求将产生的 MEV 尽可能多地返还给用户。
• 去中心化区块构建
• 最后，基于收集到的偏好数据和最佳执行路径，去中心化区块构建网络会将这些交易信息打包到区块中，完成从交易发现、排序到区块出块的整个过程。

Radius

Radius 的定位是一个无需信任的共享排序层。与前述方案的实现机制不同，Radius 通过引入加密内存池（encrypted mempool）来确保 Rollup 交易的排序过程无需信任。这种方法有效消除了 MEV 和用户交易审查的问题，从而保障了交易的公正性和透明性。

尽管像 Espresso 和 Astria 等基于共识机制的去中心化排序器在一定程度上减少了 MEV 和审查风险，但它们通常以牺牲网络可扩展性和时间效率为代价，从而导致交易确认延迟（因为需要就交易排序达成共识）。此外，虽然这些排序器在去中心化环境中运行，由于内存池中的交易信息是公开透明的，排序器仍然可能存在恶意攫取 MEV 的风险。Radius 通过引入加密内存池（encrypted mempool），确保排序器无法看到相关交易信息，旨在从根本上解决排序器恶意攫取 MEV 和审查交易的问题。

技术架构

Radius 的技术架构分为四个主要功能层级：排序层（Radius）、执行层（Rollup）、结算层和数据可用性层。

• 排序层
• 用户将加密交易及其证明提交给排序器。
• 排序器验证这些证明及交易的有效性。
• 排序器在解密交易之前对交易进行排序。
• 排序器构建一个区块。
• 排序器将构建好的区块提交给 Rollup 执行层。
• 执行层
• Rollup 接收排序器提交的区块，并按照指定的顺序执行交易。
• Rollup 将交易状态及状态证明提交至结算层。
• 结算层
• 结算层负责接收和验证来自 Rollup 的状态和状态证明，以确认交易的最终性。
• 结算层确保交易执行符合排序层指定的顺序。
• 数据可用性层
• 数据可用性层负责存储数据并确保这些数据的可用性。

mempool 的加密机制 - PVDE

Radius 采用基于零知识证明的加密方案“实用可验证延迟加密”（PVDE）来实现加密内存池（mempool）。这一机制确保了交易在排序过程中保持加密状态，增加了交易处理的安全性。

具体流程如下：

• 用户提交交易
• 用户生成一个时间锁谜题和一个对称密钥。
• 用户使用对称密钥对交易进行加密，加密后的交易进入内存池（mempool）。
• 排序器处理交易
• 排序器对加密交易进行排序，但在解锁时间锁谜题之前无法获取解密密钥。
• 排序器在解锁时间锁谜题前，计算订单承诺，并将该承诺提交给结算层。这一承诺用于验证排序器是否按照顺序将交易提交给 Rollup 执行层。

Metis

Metis 是首批实践去中心化 PoS 排序器的 Layer 2 网络，为未来的发展提供了一个重要的范本。这个范本不仅实现了排序器的去中心化，还提供了基于 PoS（权益证明）的去中心化 Optimistic Rollup 解决方案。在该范本中，Metis 的去中心化 PoS 排序器包括三个主要角色：管理员、排序器和 PoS 共识层。

在传统的 Rollup 模型中，单一的 Sequencer 虽然能有效处理交易和数据，但也集中权力，可能引发多种风险：

• **操作风险：**如果 Sequencer 发生故障或遭受攻击，整个系统的交易处理将被阻断。
• **审查风险：**Sequencer 能够选择性处理或拒绝交易，这可能限制用户访问特定的去中心化金融（DeFi）协议或服务。
• 操纵风险：Sequencer 在交易排序中可能优先处理自身交易，通过提高交易费用获取不正当利益，即最大可提取价值（MEV）。

为了解决这些问题，Metis 设计了一个去中心化的 Sequencer 池，由多个 Sequencer 节点共同完成交易的聚合、排序和执行。这一设计确保了系统的公正性和透明度：

• **共识机制：**超过三分之二的 Sequencer 节点必须对每个新区块的状态达成共识，之后才能将交易批次提交到以太坊主网（L1）。
• **多方计算（MPC）签名：**在交易批次提交到 L1 之前，通过 MPC 签名验证批次的真实性，确保数据的准确性。

去中心化 Sequencer 的优势：

• **增强安全性：**通过多个节点共同决策，降低了单点故障的风险，提高了网络的鲁棒性和安全性。
• **降低审查和操控的可能性：**多个 Sequencer 的存在使得单一节点难以操控或审查交易，保护用户的交易自由。
• **稳定性和冗余：**支持 Sequencer 的平滑轮换，最小化故障或中断的影响，提高了整个网络的稳定性。

在 Metis 的去中心化 Sequencer 模型中，每个节点由几个关键组件组成：

• **L2 Geth（包括 OP-Node）：**负责交易排序和区块组装。
• **适配器模块：**作为与其他外部模块（主要是 PoS 节点）交互的中介。
• **批次提交者（Proposer）：**负责构建交易批次并在获得多个 Sequencer 的认可后提交到 L1。
• **PoS 节点：**在以太坊、共识和 Metis 层之间进行协调，确保资产的安全锁定并奖励验证者。
• **共识层：**由与以太坊主网并行运行的 Tendermint PoS 节点组成，确保操作效率而不妨碍主网的进程。

L2 Geth（包括 OP-Node）

主要代码为 fork optimism

主要是修改了两部分

1. 区块组装：mvm\l2 geth 服务代码，加入了 applyTransactionToTip 处理逻辑，以此判断当前 sequencer 是否应组装当前区块。
2. 交易排序：修改原 op-node 代码，借助 MPC 共识层的适配器模块，获取轮换列表与区块高度对应的当前排序器的位置，来检查自己是否为当前有效排序器。

Sequencer 轮换

• 轮换信息存在L2 MetisSequencerSet 合约中，信息由共识层（PoS 节点）控制
• 每个 epoch，共识层更新 Sequencer 信息，经过 MPC 签名，发起交易，更新合约 Sequencer 列表
• 每个 epoch，根据合约 Sequencer 列表信息，轮流当职
• 违规：未及时，或者产生错误交易（两笔相同 L2 TxID），PoS 层会选择新的 Sequencer，{构造 ReselectSeqencer 交易 + MPC 签名}，新的 Sequencer 会在L2上发起当前 TxID 的交易，同时新的 Sequencer 也会更新到 MetisSequencerSet 合约 {没有惩罚机制}
• 触发更新：收到常规交易，并且达轮换间隔，会暂停当前常规交易，执行 MetisSequencerSet.sol 合约更新交易，然后 PoS 层选择将执行当前常规交易的新排序器。
• 加入：POS 合约，部署在L1，任何人，抵押 metis，申请成为 sequencer。当达到上限，进入等待队列
• 获得一个 NFT
• 禁止直接转移，可通过 LockingPool 合约->updateSigner 更换签名者，转移 NFT
• NFT 的 tokenId 对应 sequence id
• 替换：当 sequencer 长期处于不健康状态，将被踢出，并由候补替换
• 退出：
• 销毁 NFT
• update：通过 LockingPool 合约->updateSigner 更换签名者，转移 NFT
• 选择：加权随机选择算法

MPC 模块

负责管理多重签名密钥的整个生命周期

1. 多重签名生成
2. 密钥重新共享
3. 应用签名
4. 删除签名
5. 提供对多种多重签名异步使用的支持

处理流程

第 1 阶段：通知 MPC 节点做好准备

• 在本地生成一个随机数 sessionID；
• keyGenPrepare 使用p2p网络将消息广播到所有 MPC 节点；
• 每个 MPC 节点收到 keyGenPrepare 消息后，启动各自的处理 goroutine；
• 根据 检查本地数据（数据是指 TSS 模块是否存储了该 id 对应的 mpc 信息）keyId；
• 如果状态中已有数据 READY，则直接从存储中返回数据，无需继续操作 keyGen；
• 如果已经存在具有 PENDING 状态的数据，则返回错误，以避免由于并发执行不同的密钥生成调用而导致密钥生成不一致；
• 建立p2p通信通道；
• 将消息返回 keyGenReady 给发起节点；

第二阶段：启动 keyGen 流程

• 发起节点等待接收 keyGenReady 来自所有节点的消息；
• 一旦发起节点收到 keyGenReady 来自所有节点的消息，它就会 keyGenStart 使用 p2p 网络将消息广播到所有 MPC 节点；
• 收到 keyGenStart 消息后，每个 MPC 节点：
• 在本地构造一个 LocalParty 实例；
• 开始从其他节点接收信息

展望

区块链排序器的发展前景充满了激动人心的变革。随着区块链生态系统的不断演进，排序器将经历从中心化到更加分散、高效和适应性强的解决方案的重大转变。这一变革对提高以太坊生态系统的交易效率、可扩展性和安全性至关重要。

去中心化是加密货币的核心哲学。通过共享排序网络，经济机制能够有效地解决价值累积和收入分配的问题。随着排序器模块化构建和开发框架的日益成熟，未来这些技术将成为行业发展的强大催化剂，推动区块链生态系统向更加创新和高效的方向迈进。

参考资料