分布式排序器——迈向去中心化之路

Rollup 是中心化的，但不一定非得是。
以太坊的愿景一直是作为一个全球性的、去中心化的网络，允许个人和组织在不需要中间人或中心化控制的情况下进行交易。然而，该网络一直在努力满足其不断增长的用户群的需求，并且无法作为日常交易的可行选择。
以太坊通过使用 rollup（L2）作为网络的主要执行层来解决可扩展性问题。L2 的设计是为了在不影响经济安全的情况下，为 L1 提供一个廉价和可扩展的替代方案。Rollup 已经成功地提供了可扩展性和经济性，但目前未能提供足够的去中心化，而这正是区块链被设计来帮助解决的问题。
Optimistic rollup 是以太坊可扩展性挑战的一个有希望的解决方案，像 Arbitrum 和 Optimism 这样的团队正在引领这一潮流。然而，今天的 rollup 只保持一个单一的序列器，负责构建和提出区块。虽然这种中心化的方法在短期内为扩展以太坊提供了一个简单的解决方案，但随着交易量从以太坊迁移到 L2，考虑中心化排序器的影响是很重要的。
在一个缓慢的、去中心化的区块链之上创建一个快速的、去中心化的区块链是一项具有挑战性的任务。尽管如此，随着更多的 L2 的推出和以 rollup 为中心的以太坊生态的成熟，围绕序列器中心化的担忧将越来越大。为了确保适当的抗审查性和有效性保证，L2 必须足够地去中心化。
尽管去中心化至关重要，但直到最近，关于如何最好地去中心化以太坊 L2 基础设施堆栈的公开讨论一直很有限。鉴于监管审查越来越多，交易量增加，以及许多生产中的 L2 的技术成熟度，我们相信现在是推动 L2 走向去中心化的合适时机。通过这样做，我们可以确保以太坊生态的长期可持续性和安全性。
去中心化的测序可能是一个难以涵盖的话题。最近几周，“测序”一词已经演变成一个错综复杂的总称，包含了各种含义和解释。在本文中，我们将专注于目前存在的测序：测序者同时扮演着区块构建者和区块提议者的角色。
整个领域的团队和研究人员都认为去中心化测序仪是一个关键问题，需要给予极大的关注。由于许多项目都集中在这一挑战上，不太可能出现一个普遍的“一刀切”的解决方案。设计的选择取决于个人的偏好，而由此产生的权衡会影响系统的性能。
例如，像 Optimism 这样的通用 optimistic rollup 可能会通过设计他们的系统来处理数以千计的独立操作的序列器，同时也实施一种 PBS 的形式，从而优先考虑最大限度的去中心化。相比之下，大型游戏工作室可能会推出优先考虑灵活性而不太关心 rollup 的去中心化。最后，特定应用的 rollup 可能将排序外包给第三方，如 Astria，通过“共享排序器网络”提供去中心化的排序服务。
无论开发者的偏好如何，依靠单一的排序器并不是一个可行的解决方案；它引入了一个中心故障点。增加排序器的数量是实现去中心化的重要步骤，但也是一个具有挑战性的技术问题。我们相信，使用分布式验证器技术（DVT）的渐进式去中心化，这个现有的原始方案，可以提供一个更实用的解决方案。因此，我们将把任何使用 DVT 来分散二级排序器的做法称为分布式排序器技术（DST）。

总之，我们认识到，在分布式排序器方面没有一个放之四海而皆准的解决方案，设计选择必须考虑个人偏好及其相关的权衡。随着权力下放的重要性日益增加，我们建议在考虑技术可行性和实用性的情况下，使用 DST 逐步下放 L2.

我们思考如今在排序方面的不同产品的粗略的心智模型
分布式验证器技术概述
DVT 是一种开源原语，它通过允许一组网络验证器（由个人、团体或运营商社区运行）一起充当单个验证器来分配验证器的职责。在本文将重点关注的 Obol 的解决方案中，私有验证器密钥被分成多个部分，并分布在分布式验证器（DV）“集群”中的每个子验证器中。一旦验证器被激活，DV 集群中的每个节点都会使用它们在验证器密钥中的部分份额来签署独立的证明。然后将这些证明聚合起来以作为完整的验证器节点进行证明。
为了让 DV 集群提议一个区块作为完整验证节点，每个参与的集群成员必须签署相同的数据。在达成共识并提出区块之前，DV 集群会维护自己的协调层。

Obol Network 的 DVT 框架使用名为 Charon 的基于 GoLang 的中间件解决方案来促进 DV 集群内的验证器协调。多个 Charon 客户端配置为相互通信以达成共识，并充当单一、统一的权益证明 (PoS) 验证器。DV 集群是拜占庭容错的，利用 QBFT 共识，并在存在绝大多数工作/诚实节点的情况下继续提议区块。
Obol 有效地消除了单个验证器的单点故障风险。只要绝大多数 DV 集群在线并诚实行事，全验证节点就会继续生产区块。采用 DVT 可促进更大的地理多样性，降低网络对监管攻击和其他系统性风险（如电网故障）的敏感性。它还允许每个验证器运行许多共识和执行客户端，通过客户端多样性提高验证器的弹性。最后，DVT 允许参与的子验证者共同资助任何最低的自我保证金要求，从而降低了进入的财务壁垒。
总之，Obol 有可能减少验证权益证明网络的许多技术、地理和财务障碍，同时提高验证器的正常运行时间和去中心化。分布式排序器技术可以在去中心化 rollup 和 L2 中发挥同样重要的作用。它是解决 rollup 中心化问题的方案。
DST 提高活性。
在分布式系统中，网络可用性、可靠性和冗余性至关重要。为确保在需要时可以访问服务和资源，网络必须始终可供用户使用。冗余和可靠性为活性保证提供了基础，确保网络即使在出现故障或错误时也能继续运行。
DST 建立在 DVT 奠定的基础上，以消除 L2 汇总中的单点故障。DST 不是依赖单个机器作为排序器运行，而是将责任分配给机器集群——“DS 集群”。这种方法提供与分布式验证器相同的好处，例如容错、客户端多样性和地理分布的潜力，以减轻中断、恶意行为和其他系统风险的风险。
通过在集群中分布排序器客户端，DST 确保即使在一个或多个组件出现故障时 L2 rollup 也能继续运行。它提供了一种确保网络活跃性的机制，这对于提供快速、高效和可靠的用户体验至关重要。DST 的排序器客户端冗余确保排序器始终处于运行状态，并且绝大多数可以处理交易，即使集群中的一个排序器离线或变得不可用。因此，DST 提供了一种容错和可靠的机制来确保网络可以继续运行。

DST 更快地将 rollup 去中心化。
当谈到以太坊的 L2 可扩展性解决方案时，实现“充分去中心化”是一个关键目标。然而，设计和实现一个可以从单排序器无缝过渡到多排序器设置的系统是一项重大挑战，需要进行广泛的研究。DST 提供了一种更可行的渐进式去中心化方法，可以更平稳地过渡到 L2 去中心化和可扩展的活跃度。
渐进式去中心化涉及在单个 DS 集群内的多个子排序器之间逐渐分布区块构建和区块生产。通过将多个子排序器放置在世界各地的不同位置并可能由不同的实体运行，与单个排序器设置相关的风险，例如监管、延迟游戏、MEV 和审查制度，将大大降低。
DST 增加了地理分布。
DST 为 L2 提供的一个好处是更大的地理分布。地理分布是分布式系统设计中的一个重要考虑因素。例如，使用 DVT 的以太坊验证者可以选择在每个大洲都包括一个运营商。同样，如果使用 DST 的排序器变得去中心化，它也可以从全球分布式客户端中受益。当给定的排序器负责为汇总生成大量连续块时，这将特别有利。
虽然地理分布会引入延迟，但它仍然是一个可以根据需要加以利用的有价值的工具。团队设计他们的 rollup 时，仔细考虑地理分布的影响并战略性地使用它来优化系统性能是很重要的。

DST ≈ PoA
Obol 的 DVT 框架中使用的共识机制与权益证明（PoA）有着惊人的相似之处。PoA 是一种共识机制，它依赖于有限数量的授权节点来验证并将交易添加到区块链，从而依赖于验证者的声誉并信任运营商的诚实行为。由于验证者的身份是已知的，因此可以追究任何恶意或不诚实的实体的责任。然而，PoA 更容易受到中心化风险的影响，因为验证者是经过许可的并且对网络有更大的控制权。
假设 DS 集群中的排序器和操作员的数量相同，具有多个排序器的 PoA 设置实际上与具有 DS 集群的单个分布式排序器相同。两种解决方案都需要相同数量的链状态副本和绝大多数才能达成共识。在多排序器 PoA 中，今天的考虑通常涉及领导选举的循环式轮换。使用 DST，可能会实现类似的功能。DST 整体上继承了 PoA 的很多属性。它通过增加运营商的责任感、网络可靠性和审查阻力，为排序器去中心化迈出了重要的第一步。
用于中心化 rollup 的分布式排序器技术
在设计 rollup 的世界中，一些团队可能更喜欢更强的中心化。然而，即使核心开发团队决定控制和操作排序器集中的每个排序器，使用 DST 的好处也值得考虑。通过使用 DS 集群，团队可以优化活跃度，而不必牺牲中心化带来的好处，例如适应不断变化的市场动态的更大灵活性、更低的延迟以及获取或共享价值的能力。
对于无意去中心化的 rollup，保持活性仍然是一个需要考虑的关键因素。单个排序器根本无法确保不间断的服务。 DST 为中心化 rollup 提供了一种解决方案，以在确保活跃性的同时保持对排序的控制。核心团队可以管理 DS 集群中的每个排序器，并保证接近 100% 的正常运行时间。这对于专注于游戏应用程序的 rollup 尤其重要，这些应用程序需要低延迟和高可靠性。目前，没有解决方案可以为 rollup 提供灵活性来增加排序器集，同时提高可靠性和冗余度。DST 最适合成为即时解决方案，并作为寻求某种形式的分布式排序的中心化 rollup 的通用实现，而不管 Nakamoto 系数如何。
DST 的实施
DST 为 rollup 提供的好处需要对潜在的 DST 实施进行更多研究。由于 DVT 已经在以太坊的 L1 上激活，其 L2 实施的蓝图已基本就位，并且对于具有高度“以太坊等价性”的 rollup 来说将是最容易的。
Rollup 通过采用以太坊现有的基础设施和代码来实现以太坊等价。Optimism 是团队优先考虑最大以太坊兼容性的典型例子，最近的 Bedrock 升级就证明了这一点。 Bedrock 利用现有的以太坊执行引擎 API，这使得 rollup 的共识客户端 op-node 能够使用经过实战考验的以太坊 L1 执行客户端，只需进行最小的更改。这一设计决策不仅使开发人员更容易添加对其他执行客户端（如 Erigon）的支持，而且还允许 OP Stack 从 L1 生态系统中受益并回馈 L1 生态系统。Optimism 与以太坊非常相似，为与链交互的任何人提供了几乎相同的用户体验。
Optimism 可以通过在其操作节点客户端上引入精简的 Beacon-API 服务器来促进 DST 的实施。该服务器模拟在共识客户端上找到的等效 Layer 1 API，允许将状态转换验证与其计算分开。这种模式在 L1 中很常见，其中共识客户端和专用验证器客户端是独立的实体。后者的设计考虑了特定目的，例如防止削减、保护私钥以及优先考虑简单性和安全性。采用包含 L2 验证器客户端的 API 作为分布式排序器集的构建块，将允许 OP Stack 再次利用为以太坊的 L1 开发的工具。在这种情况下，他们可以利用和重新利用以太坊质押工具。
随着团队开始缩小以太坊等价差距，L2 状态转换设计将逐渐与 L1 API 更加相似。这将允许 L2 排序器以与 L1 验证节点相同的方式运行。如果有足够的时间和测试，操作经验应该允许 L2 实现与底层 L1 相同的去中心化规模。
应该注意的是，如上所述，需要对 Optimism（以及潜在的 L1 验证器客户端）进行更改才能在排序器/验证器层实现以太坊等价性。然而，在我们看来，重新使用 L1 密钥管理的网络效应将是有价值的。采用这种模型的一个主要影响是 rollup 采用 Boneh-Lynn-Shacham (BLS) 签名支持。到目前为止，Optimism 的架构只需要 Secp256k1 椭圆曲线和 ECDSA 签名方案，比特币和以太坊执行层中使用的加密原语。
BLS 签名允许使用椭圆曲线加密技术进行高效的签名聚合和验证。加密签名最初由 Dfinity 推广，Dfinity 利用它通过一种称为“阈值中继”的机制创建分布式随机源。以太坊使用 BLS 签名方案以 Secp256k1 无法实现的规模促进协议内的安全加密。BLS 签名方案允许验证者签署消息，这些消息随后可以大规模聚合和验证，从而使具有大量验证者的纯 PoS 系统能够在消费级硬件上运行。可以在官方规范存储库中找到有关以太坊使用的 BLS 规范的更多信息。
如果 Optimism 与以太坊共识层完全兼容的计划得以实现，则需要 BLS 签名支持。随着 rollup 团队们在各个方面争夺以太坊等价性，过渡到支持 BLS 签名和信标链 API 是朝着实现这一目标迈出的重要一步。
结合以太坊的方案、代码和基础设施，允许 rollup 与网络保持同步并继承 L1 采用的新创新。关于以太坊等价性的重要性的进一步讨论超出了本文的范围。也就是说，我们认为 DST 兼容性将为寻求构建具有高度以太坊等效性的 L2 的团队提供额外的好处。
最后的想法
分布式排序器技术为 L2 提供了一种有前途的增量去中心化的新方法。无论 rollup 优化的功能是什么，采用 DST 的好处跨越多个偏好。作为一个独立的解决方案，DST 通过增强活性保证、审查阻力、地理分布和增加去中心化来增强 L2. 在多排序器设置中，DST 在 L1 共识层符合分布式验证器技术（DVT）的原则，进一步使网络去中心化并增强系统弹性。DST 有可能扩展 L2 排序的设计空间，并为 L2 去中心化工具包添加另一个可行的解决方案。目前，DVT 最适合支持 Ethereum Equivalent rollup，但 Obol 团队已经开始将目光投向以太坊之外。该团队最近还宣布了扩展到 Cosmos 生态的计划。
大多数大规模、通用的汇总在未来不应该依赖于单个排序器。虽然最大去中心化并不适合所有 rollup 应用程序，但单点故障也不适合。通过利用 DST，可以消除该漏洞。我们热切期待 DST 设计空间的演变和发展。
应该进行进一步的分析，以更好地理解实施 DST 的含义以及它如何影响延迟、吞吐量和其他与性能相关的指标。我们希望本文首先引起人们对 DVT 和 DST 可能解决的一些问题的关注，但也理解它可能会引发其他尚未得到解答的重要问题。我们的目标是开始对话并考虑 DST 是否是一个值得进一步探索的概念。
如果您对使 Layer 2 去中心化、探索 DVT 或参与相关讨论感兴趣，我们很乐意联系和交流想法。
致谢：特别感谢来自 Obol Network 的 Oisín Kyne 和 Collin Myers，感谢他们为本文所做的重要讨论和反馈。也非常感谢 Neel Somani（Eclipse）、0xkrane、Yuki Yuminaga（Fenbushi Capital）、James Parillo（Figment Capital）以及其他许多人的反馈和贡献。

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