从理论到实践:Based Rollup能否实现L1排序驱动的Rollup方案

互联网 阅读 530 2024-06-20 17:02:00
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作者:YBB Capital Researcher Ac-Core

前言:

以太坊的工作原理是每个节点都会存储并执行用户提交的每笔交易,为对整个网络进行扩展,以太坊采用了Rollup解决方案。简单来说它将大部分交易处理移到链下(L2),从而减轻以太坊主网(L1)的负担并降低交易费用,即Rollup=L1的一组智能合约+L2的网络节点,即链上智能合约和链下聚合器,它自身的结算、共识和数据可用性依赖于以太坊本身,仅负责执行交易。L2网络节点由多个部分组成,其中最重要的是排序器,但目前Rollup的排序器都面临着中心化的问题。

Rollup和排序器

Rollup是以太坊(L1)的一种扩容解决方案,它在链下执行交易,将交易打包在区块中。对于每个区块,Rollup会将重建链状态所需的数据(作为数据可用性的来源)发布到数据可用层,并将链下执行正确性的证明发布到结算层(Rollup有两种类型,在ZK-rollup的情况下,每个区块都发布零知识证明;而在Optimistic rollup的情况下,只有在发生争议时才发布欺诈证明),在EIP-4844后,当数据发布切换到 blobs 时,可能会将此层称为“数据发布层”。其中Rollup的智能合约在L1上验证所发布的证明,每个Rollup都会存在一个或多个桥来实现链之间的数据传输以及存款和取款。

在Rollup的实现逻辑中,排序器(Sequencer)是一个关键组件,它主要负责接收L2上的交易请求,确定其执行顺序,并将交易打包成批次(Batch)最终传送给L1上的Rollup智能合约,在提高交易处理效率和降低成本方面发挥了重要作用。

排序器的功能与工作原理主要有四部分。

1.接收交易:排序器接收来自用户或应用的交易请求。这些交易首先在L2上被处理,而不是直接在以太坊主网上进行;

2 排序交易:排序器负责对接收到的交易进行排序,确定它们的执行顺序。这一过程类似于以太坊矿工在将交易打包成区块之前所做的工作;

3 打包交易:排序器将已排序的交易打包成批次,这些批次包含了多笔交易的汇总信息;

4 提交到L1:最终,排序器将打包的交易批次提交到以太坊主网(L1),在主网上进行结算和数据存储。这样,L1便可以验证和存储L2上的状态更新。

尽管Rollup技术提供了一种有效的扩展方案,但在排序器的设计和实施上仍然存在一些问题,首当其冲的是中心化问题,多数Rollup项目目前依赖中心化的排序器,通常由单一实体或少数实体控制,带来的直观风险是缺乏透明性和单点故障。

抛开上述刻板生硬的解释,关于L2去中心化排序器解决方案的讨论,在YBB Capital往期文章中提到的无论是Metis直接面向市场放开的排序池节点质押的L2方案,还是另起炉灶的独立项目Espresso方案,其本质都是排序”利润蛋糕“的分配和未来对市场炒作的空间预期,所以利益和正统性正确才是难以避忌的关键。

Based Rollup的历史背景与设计

图源:@drakefjustin

Rollup概念最早由以太坊创始人Vitalik Buterin提出,其最初设想是实现一个完全无约束的“Total Anarchy(无政府)”状态,以允许任何人无限制的交易扩展。结合上述当前排序器存在的问题,在2023年Ethereum Researcher :Justin Drake,提出了将排序器由以太坊L1自身管理的解决方案Based Rollups,其内容如下(出处见扩展链接1):

定义:

“当汇总的排序由基础层(L1)驱动时,我们称其为基于L1或由L1排序的汇总。具体地说,基于L1的汇总是指下一个L1提议者可以与L1搜索者和构建者合作,无需许可地将下一个Rollup区块包含在下一个L1区块中。”

优点:

  • 活性(liveness): Based Rollup 享有与 L1 相同的活性保证。请注意,带有逃生舱(Escape Hatches)的非 Based Rollup 的活性会降低(逃生舱是 Rollup 中的一种安全机制,允许用户在 Rollup 系统出现问题时,将资产从 L2 安全地提取回 L1 主链。它类似于一个应急出口);

较弱的结算保证:在结算得到保证前,逃生舱的交易必须等待一段超时时间;

基于审查的 MEV:带有逃生舱的 Rollups 在超时期间,容易受到短期内排序器审查带来的不利 MEV 影响 ;

网络效应面临风险:由排序器活性故障触发的大规模退出(例如对去中心化 PoS 排序机制的 51% 攻击)将破坏 Rollup 的网络效应。请注意,与 L1 不同,Rollup 不能使用社会共识从排序器活性故障中优雅地恢复。在所有已知的非 Based Rollup 设计中,大规模退出是达摩克利斯之剑;

Gas 惩罚:通过逃生舱结算的交易通常会为其用户带来 Gas 惩罚(例如由于交易非批量打包的次优数据压缩)。

  • 去中心化(decentralization) : Based Rollup 继承了 L1 的去中心化,自然复用了 L1 搜寻者 - 构建者 - 提议者的基础设施。L1 搜寻者和构建者受到激励,在他们的 L1 区块中包含 rollup 区块来提取 rollup 的 MEV。然后这又会激励 L1 区块提议者在 L1 上打包 rollup 区块。

  • 简洁性(simplicity):Based Rollup 排序是最简单的,甚至比中心化排序要简单得多。Based Rollup 不需要验证排序器签名,不需要逃生舱,也不需要外部 PoS 共识。

历史注释:2021 年 1 月,Vitalik 将基于 L1 排序的方案称为「完全无政府状态」,这有同时提交多个 rollup 区块的风险,导致 Gas 和工作量的浪费。现在的区块提议者 — 构建者分离方案(Proposer-Builder Separation, PBS)可以严格控制的 L1 排序,每个 L1 区块最多有一个 rollup 区块,并且没有 Gas 浪费。当 rollup 的 n+1 区块(或对于 k >= 1,n+k)包含区块 n 的 SNARK 证明时,可以避免浪费 ZK-rollup 的证明工作。

  • 成本:Based Rollup 的 Gas 开销为零 —— 甚至不需要验证来自去中心化或中心化排序器的签名。Based Rollup 的简洁性降低了开发成本,缩短了发布时间,并减小了代码漏洞的暴露面积。Based Rollup 的排序也是无需代币的,避免了基于代币的排序器的监管负担。

  • 与 L1 经济一致(L1 economic alignment):源自 Based Rollup 的 MEV 自然流向了其基于的 L1。这种流向加强了 L1 经济安全,并且在 MEV 销毁的情况下,提高了 L1 原生代币的经济稀缺性。这种与 L1 在经济上的紧密结合可能有助于构建 Based Rollup 的合法性。重要的是,尽管牺牲了 MEV 收入,Based Rollup 保留了从 L2 拥塞费(例如 EIP-1559 形式的 L2 基础费用)中获得收入的选项。

  • 主权性(sovereignty):尽管将排序委托给了 L1,但 Based Rollup 保留了主权性。Based Rollup 可以有一个治理代币,收取基本费用,并且可以在合适的时候使用这些基本费用的收益(例如 Optimism 为公共产品提供资金)。

缺点:

  • 无 MEV 收入:Based Rollup 将 MEV 放手给了 L1,使其收入限制为基本费用。反直觉的是,这可能会增加 Based Rollup 的总收入。原因是 rollup 的格局似乎是赢家通吃,获胜的 rollup 可能会利用 Based Rollup 的安全性、去中心化、简洁性和一致性来实现主导地位并最终实现收入最大化。

  • 受约束的排序:将排序委托给 L1 会降低排序灵活性。这使得某些排序服务变得更加困难,甚至可能是无法实现的:

    • 预确认:快速预确认对于中心化排序不是问题,并且可以通过外部 PoS 共识来实现。使用 L1 排序进行快速预确认是一个开放性问题,有着许多有前景的研究方向,包括 EigenL、打包交易列表 (Inclusion Lists) 和构建者债券 (Builder Bonds)。

    • 先到先得 (FCFS):Arbitrum 式的 FCFS 排序不确定能否在 Based Rollup 上实现。EigenL 可能给 L1 排序的 Based Rollup 提供 FCFS 的覆盖层。

命名:

「Based Rollup」 这个名称源于与基础链 (Base L1) 的亲近性。这与 Coinbase 最近宣布的 Base 链有所冲突,是一个奇妙的巧合。事实上,Coinbase 在他们的 Base 公告中分享了两个设计目标:

  • 无代币 (tokenlessness):「我们没有发行新网络代币的计划。」

  • 去中心化 (decentralisation):「 我们 [...] 计划随着时间的推移逐步去中心化区块链。」

Base 可以通过成为 Based Rollup 来实现无代币的去中心化。

图源:@jchaskin22

综上理论,Based Rollup可让任何人都可扩展到Rollup区块,把排序后的交易状态变化发布到L1即可从L2中提取MEV,让所有的排序和安全性均由以太坊L1提供。这样可以规避外部权益证明共识和特定的Rollup的Token需求,同时相比于其他Rollup为保住资产安全必不可少的”紧急逃生舱“功能相比,在Based Rollup的愿景中可以去除,其过程只需在保住以太坊安全运行的前提下,在Rollup上的交易既可顺利完成。

Based Rollup上的Taiko Labs

图源:Taiko官网

Taiko Labs是开发和推广Based Rollup的主要团队,而Based Rollup是Taiko Labs在以太坊第二层扩展解决方案方面的项目。其愿景是通过Based Rollup等创新技术,解决以太坊主网的扩展性问题。其主要有三个特点:

1.完全等同于以太坊的EVM(Type 1) ZK-EVM:使用的(Type1) zkEVM具备完全的以太坊兼容性,开发者可以无缝地在以太坊和Taiko之间迁移去中心化应用(dApps),而无需担心智能合约执行失败的风险;

2.开源:Taiko的所有源代码都公开在GitHub上,任何人都可以查看、构建或修改。这种开源模式确保了区块链技术的发展不仅局限于一个小团队的努力,还涵盖了全球范围内的社区和开发者;

3.完全去中心化:除了确保与EVM的高度兼容性,Taiko还致力于实现协议的完全去中心化。Taiko计划通过去中心化的提议者和验证者来提交区块和生成zkPs,从而保障系统的去中心化特性。

Taiko致力构建类型1完全等效于以太坊(fully Ethereum-equivalent)

的ZK-EVM,即Vitalik Buterin 在《The different types of ZK-EVMs》(见扩展链接2),中提到的追求完全且毫无妥协地与以太坊等效。其目的是与以太坊完全兼容来验证以太坊区块(至少可验证执行层,不包括信标链共识但包括所有的交易,智能合约和账户逻辑,且不会取代哈希,状态/事务树和其他共识逻辑),所以相比于其他类型,为接近原生解决方案,Type 1 是最具复杂性和挑战性的一种。

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

其他核心结构:

可竞争的Rollup(BCR - Base Competitive Rollup)

是Taiko Labs开发的一种创新型区块链扩展解决方案。BCR旨在通过竞争机制提高Rollup的效率和安全性,使得不同的参与者可以自由竞争提交区块和生成证明,从而提升整个网络的性能和去中心化程度,综合来看总结如下。

  • 特点

开放竞争:允许任何符合条件的参与者竞争提交区块和生成证明,这种开放机制减少了中心化控制,提高了网络的去中心化程度。竞争者通过提供更优质的服务来赢得奖励和交易费用;

高效扩展:可以有效提升区块生成和验证的效率。多个竞争者可以并行工作,避免了单点瓶颈,提升了交易处理的速度和网络的扩展能力;

安全性:通过多方参与的竞争机制,提高了系统的抗攻击能力。多方竞争生成的区块和证明,增加了系统的透明度和安全性,难以被单一实体控制或攻击。

  • 优势

EVM兼容:BCR与以太坊虚拟机(EVM)完全兼容,使得现有的以太坊智能合约和去中心化应用(DApps)可以轻松迁移到BCR上运行,而无需进行重大修改;

高吞吐量:由于BCR可以并行处理交易和生成区块,网络的吞吐量显著提高,能够处理更高的交易量,降低了交易成本和延迟;

去中心化:通过去中心化的区块生成和证明机制,确保了网络的去中心化特性,降低了被中心化实体控制的风险。

  • 劣势

复杂性增加:系统复杂性需要复杂的算法和协议来协调多个竞争者之间的区块生成和验证,智能合约复杂性让智能合约可能需要额外的逻辑来处理竞争结果;

潜在问题:在BCR的竞争机制下,多个竞争者同时计算和提交区块时,可能导致的费用上升,用户在使用BCR进行交易时可能面临较高的交易费用,尤其是在网络繁忙或竞争激烈的情况下。同时资源丰富的大节点可能在竞争中占据优势,造成中心化的集中。

基于助推器的Rollup(BBR-Based Booster Rollup)

助推器(Booster)在BBR中是一个特殊的参与者,它负责优化交易批次,对交易数据进行压缩和并行处理多个交易批次的作用,实际作用是将执行和存储进行分离,保持L2执行的同时L1保持去中心化,并且让智能合约在L1和所有BBR上的地址保持一致。

与此同时,它也面临系统复杂性增加、资源消耗、潜在中心化等问题的挑战。未来,BBR仍需要进一步优化和扩展,以满足区块链技术不断发展的需求。

图源:Taiko Labs

结语:

当下整体观察来看,Based Rollup算得上以太坊二层扩展方式的巨大转变,将Rollup的排序直接委托在一层提议者,利用提议者与构建者的分离设计, 让一层为 Rollup 执行所有的排序者角色。同时也让MEV得到扩展,这样 L2 搜索者可将交易捆绑发送给 L2 构建者,同样后者也是 L1 的搜索者,而这些完整的 L2 区块随后成为 L1 区块的一部分,最终由 L1 构建者和以太坊主网处理。

能否将Based Rollup假设为Rollup的最终解我们还有待考证,但不可否认的是它在现阶段是以太坊二层扩展的一次重大创新,为扩展提供了更安全,去中心化解决方案。如果将同等思维带入比特币生态,与有强可扩展性的以太坊实现原生且去中心化的VM相比,其实现难度都无可厚非,所以目前整个行业在解决真正去中心化扩展的问题上仍有很长一段路要走。

扩展链接:

【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

参考文章:

【1】信用的游戏:被多签和委员会操控的Rollup们 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0OTYwMDM1Mg==&mid=2247486544&idx=1&sn=7a0ee8eb1d32e6ef0bd08354986c0a1f&source=41#wechat_redirect

【2】Taiko研报:实现无缝扩展与完全兼容的以太坊Layer 2解决方案 https://www.panewslab.com/zh/articledetails/id09jfto.html

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