以太坊的Proposer & Builder Separation机制：过去、现在和未来
第一章节：我们如何走到这一步
以太坊最初的设计理念是由单一方处理区块创建的整个过程。这需要聚合内存池中的交易，从而制作区块头，并在工作量证明中找到黄金随机数，或者简单地在权益证明中签署区块头。在最初的几年里，区块构建非常简单：挖矿节点从内存池中提取交易，根据Gas价格（表示每笔交易的计算工作量）对它们进行排序，并保持在每个区块的Gas限制内。然而，随着去中心化金融（DeFi）的兴起，这种区块构建方式发生了重大变化。
MEV 的中心化威胁
在 DeFi 中，交易的排序顺序可能会产生很大的影响。假设内存池中有一笔交易正在等待，该交易将在 UniSwap 上将 1 ETH 兑换成比特币（当然，我指的是 HarryPotterObamaSonic10Inu）。您收到的比特币数量取决于 UniSwap 池中当前 ETH 与比特币的比率。如果其他人的交易（将 2 ETH 兑换为比特币）在您的交易之前得到处理，那么您最终会得到更少的比特币，因为 ETH 与比特币的比率发生了变化。考虑到交易顺序的重要性，以及矿工控制着这种顺序，这就导致了我们所说的 MEV（即矿工/最大可提取价值）的出现。MEV 代表矿工通过选择包含、排除或重新安排的交易而可能获得的利润。
MEV 乍一看似乎毫无不利之处。它甚至可能会成为网络安全的助推器，为挖矿或验证提供更多激励，是这样吗？除了通常的区块奖励和交易费用外，现在还有 MEV 可供争夺。但现实远非无害。如果不加控制，MEV 可能会成为一股强大的中心化力量。这里提供一个故事来说明这一点：想象一下，您刚刚听到这款 MEV 游戏的风声，并听说验证者因此获得了超过10%的年利率。很诱人吧？你们都参加了！因此，您将 32 ETH 发送到质押合约并启动验证器节点。但等一下…您只能看到4%的回报。当轮到您提出区块时，交易只需按其 Gas 价格排列即可。没有 MEV 魔法。您没有复杂的算法和策略来挖掘 MEV 黄金。如果没有专业知识，您将陷入默认状态：按Gas价格排序交易。
这就是中心化拉力发挥作用的地方。即使您是一名宽客，您的简单计算机（可能是树莓派）也无法与运行下一级 MEV 提取功能的超级计算机相匹敌。显然，这里的最终游戏是关闭你的验证器，并将您的 ETH 发送到这些承诺分享 MEV 馅饼的超强设置。若快进，您可能会看到其中一些庞然大物实际上运行着网络，这是一个真正令人不安的中心化结果。如果这就是事情的发展方向，那么以太坊的基本目标就失败了。那时，由少数人主导的网络也可能是一个中心化数据库。
Flashbot 的诞生
Phil Daian是康奈尔大学智能合约安全专业的博士生。他是早期识别 MEV 问题的人之一。 2017年8月，他发表了一篇题为《0x 和 EtherDelta 去中心化的成本》的博文。该博文的灵感来自于他在 0x ICO 期间发现的抢先交易漏洞。
抢先交易涉及在内存池中发现一项旨在将代币 A 交换为代币 B 的交易。然后，抢先者以编程方式发起一项提供更高 Gas 价格的类似交易。这一策略确保抢先者的交易在原始交易之前得到处理。初始交易处理完毕后，抢先者可立即将代币 B 换回代币 A，最终获得比开始时更多的代币 A。这种策略有时被称为三明治攻击，因为用户的交易被夹在抢先者发起的两个交易之间。因此，虽然抢先者获得了利润，但进行原始交易的个人收到的代币 B 较少。虽然三明治攻击很常见，但个人可使用多种策略来有效提取 MEV。
将三明治攻击可视化：抢先者如何牺牲他人利益为自己获利
在 ICO 热潮期间，Phil 和一个团队部署了一个机器人，每年赚取约100万美元。在我之前提到的博文中分享了他们的方法之后，出现了几个类似的机器人，形成了一个竞争格局，机器人会出价高于彼此的Gas价格以获得交易优先权。这促使 Phil 在全球范围内部署节点，捕获实时交易数据。这项研究在他著名的《Flash Boys 2.0》论文中进行最全面的阐述，该论文深入探讨了去中心化交易所带来的 MEV 挑战。
这是Phil在做客Chopping Block时分享的一个有趣的相关故事。UniSwap 创始人 Hayden Adams 在 ethresear.ch 上分享了他对目前最受欢迎的去中心化交易所的设计。Phil立即向Vitalik和Hayden发信息表达了他的担忧。Phil 认为 UniSwap 的设计会产生大量 MEV，使其成为被利用的主要目标，并使用户面临交易重新排序和三明治攻击的风险。Vitalik 回应称，这些可被视为使用区块链的额外费用机制。Phil对这种回复非常不满，他认为像高盛这样的强大金融实体会介入并吃散户午餐，就像当前的金融体系一样。然而，随着时间的推移，Phil开始接受Vitalik的观点（所有人都赞扬Vitalik神人）。
Phil 认识到了 MEV 领域的重要性和挑战，与他人共同创立了 Flashbots——一家专注于 MEV 领域研究和解决方案的公司。Flashbots 意识到 MEV 将会存在，Flashbots 的使命是确保 MEV 的存在不会产生这样一个系统：在该系统中，做一个恶意者或创造消极外部效应对你个人来说更有利，而且比做一个好演员盈利更多。TradFi 就是这样的例子，盈利最好的策略通常会利用系统的优势。Flashbots 还认为，可能有一种方法可为用户利用 MEV 的能量，并不仅为保护网络安全的人员提供补贴，还未网络上的交易提供补贴，让人们可获得更好的价格，从而在这些系统中为人们提供他们想要的执行力。若设计得当，MEV 有可能使加密货币优于传统系统。
利用 MEV：拍卖和PBS机制的作用
Flashbots 认识到矿工对交易排序的垄断是一种宝贵的资源。他们实现 MEV 民主化的第一步是创建交易订单权拍卖系统。因此，MEV GETH 得以创建，它首先引入了PBS的概念。以太坊基金会的 Barnabé Monnot 将 PBS 描述为：“一种设计理念，协议参与者可在其共识职责期间使用第三方服务。”到目前为止，矿工拥有完全的控制权：他们决定交易顺序，进行哈希处理，然后添加区块。但 MEV GETH 改变了一切。它引入了称为搜索者的外部参与者，他们为获得将自己的交易捆绑包含在矿工区块中的权利付费。
有了 MEV GETH，矿工有了一个新的端点。他们可从搜索者处收到针对 MEV 优化的交易捆绑包。每个捆绑包还包含一项向矿工提供费用的交易，激励他们选择这个特定的捆绑包。当然，矿工们选择了费用最高的捆绑包。当搜索者在公共内存池中争夺 MEV 机会时，他们的出价自然会因为这种竞争而升级。此次竞争确保矿工获得 MEV 收益的最大份额。
让我们举例解释这一点：假如Alice是一个搜索者，她发现了两个去中心化交易所之间的套利机会。通过在 UniSwap 上购买 Token X，然后立即在 SushiSwap 上以更高的价格将其出售，她能赚取0.07 ETH的利润。因此，她创建了一个针对 0.07 ETH MEV 机会进行优化的交易捆绑，并愿意向矿工支付0.05 ETH，以优先处理下一个区块中的交易。另一位搜索者Bob也发现了同样的机会。他构建了一个类似的捆绑包，但向矿工支付0.06 ETH以获得相同的特权。 Alice 和 Bob 都将他们的 MEV 优化交易捆绑包发送给矿工。而矿工收到这些捆绑包，并必须决定将哪个捆绑包包含在下一个区块中。由于费用较高，矿工自然会选择 Bob 的捆绑包，以确保矿工获得最大利益。这是一个双赢的局面。
矿工抓住了大部分 MEV 机会，从 0.07 ETH 机会中获得了 0.06 ETH。与此同时，搜索者获得了 0.01 ETH 的净利润，这是他们原本无法获得的。 MEV GETH机制的本质就是这种竞价。 Alice 和 Bob 相互竞争，为矿工提供激励，从而确保矿工获得很大一部分 MEV 收益。
然而，如果他们只是开放一个端点供任何人发送矿工捆绑包，恶意行为者可能会利用这种开放性来使他们的系统过载，从而可能发起 DOS 攻击。为了解决此漏洞，Flashbots 推出了 Flashbots Relay。该中继起着至关重要的过滤作用：它根据矿工的潜在盈利能力、交易的有效性和所提供的费用来评估传入的交易捆绑包。然后，只有最佳的捆绑包才会转发给矿工。这种方法确实引入了一定程度的中心化特性，因为该过程依赖于 Flashbots Relay 来筛选不需要的或潜在有害的流量。值得注意的是，矿池运营者与其工人之间已存在一定程度的 PBS。通常，运营者负责构建块体，包括从中继发送的捆绑包，对块头进行一次哈希，然后将其分派给工作人员继续哈希并找到黄金随机数。
MEV GETH 概述：从搜索到交易捆绑包含在矿工区块中的过程
第二章节：当前形势
当以太坊从工作量证明（PoW）过渡到权益证明（PoS）时，交易验证和区块提案的格局发生了显著变化。PoW 依靠矿工和算力（哈希率）来验证并向区块链添加新区块，而 PoS 将这一责任转移给了验证者，验证者将抵押他们的 ETH 来成为区块提议者。
MEV GETH 运用广泛，几乎得到所有矿池的使用，但随着以太坊过渡到 PoS，系统需要修改。PoS 的设计目的是为了适应单独的质押者——在 Raspberry Pi 等低资源设备上运行的个人验证者。PoS 的设计目标是确保平衡的格局：无论您是单独的质押者还是大型质押池的一部分，任何参与者的验证过程都不会有固有的优势。在 PoS 转型之前，少数矿池主导了算力。这允许这些池和 Flashbots Relay 之间建立信任关系。任何不诚实的行为，例如矿池从搜索者处窃取 MEV，都可能危及这种关系。假设一名矿工从搜索者处收到了一个带有三明治攻击的捆绑包。如果矿工进一步将自己的交易夹在搜索者中间，则会带来短期收益，但会切断与 Flashbots 的联系，从而损失他们未来的 MEV 收入，因为这使他们将无法访问 Flashbots Relay。
MEV Boost 简介
与大型矿池不同，单独的质押者可能没有维持信任的长期动机。在某些情况下，他们可能会发现利用建立者的 MEV 能盈利更多，然后从网络中消失。这一行动将导致他们受到全部罚没，损失全部 32枚ETH，但在某些情况下，窃取 MEV 的可能带来的利润会大于这种损失。这确实在4月份发生过，当时一名流氓验证者从三明治机器人中窃取了2000万美元，然后关闭了验证者。要详细了解此事件，请进一步阅读本文。
为了应对这种新的攻击媒介，Flashbots 推出了 MEV Boost——一个专为具有单独抵押者的环境而设计的系统。
MEV Boost 的原理如下：
- 中继：与之前仅由 Flashbot 充当中继的系统不同，MEV Boost 将这一过程民主化。现在，任何人都能充当中继，扩大参与范围并提高安全性。Flashbots 还开源了他们的中继器代码。
- 构建者：出现了一个新角色——构建者。这些实体从搜索者处收集交易捆绑包并将它们组合成完整的区块。
- 拍卖系统：构建者出价以包含他们的整个区块并将其提交给中继。中继执行重要的验证步骤以确保区块的有效性。
- 验证者交互：中继将从竞争构建者处收到的最高出价以及各自的块头转发给验证者，由验证者向以太坊网络提出一个区块。
- 区块承诺：指定验证者对区块头进行签名，这是一种承诺。一旦签名，它们就绑定到该区块。如果他们试图签署另一个区块，则被视为恶意行为，他们将受到罚没。
- 最终提议：承诺到位后，中继将完整的块详细信息发送给验证者，并向网络正式发起提议。
MEV Boost 的过程
此设置引入了信任问题：
- 构建者-中继信任：构建者需要相信中继不会窃取他们的 MEV。考虑这样一种情况：中继在收到来自构建者的区块后，将三明治交易中构建者的地址替换为自己的地址。然后他们将操纵后的标头传递给提议者。
- 提议者-中继信任：另一方面，提议者必须相信他们签署的区块头是有效的。提出无效的区块将导致区块奖励被没收，因为网络会拒绝这样的区块。
PBS 设计遇到了一个反复出现的挑战：虽然提议者和交易排序参与者之间的交互是假设的，但显然需要一种机制，在这个机制下：
- 提案者能在不知道其内容的情况下提交构建者的区块，但仍能确保该区块的有效性。
- 构建者能安全地将他们的区块发送给提议者，并确信他们的 MEV 不会被盗。
MEV Boost 信任假设
在深入研究 MEV Boost 之前，有必要了解以太坊在不使用 MEV Boost 的情况下创建区块的默认方式。此设置依赖于验证者执行客户端和共识客户端之间的协作。当执行客户端收到交易时，它会检查格式，将其添加到其内存池中，但不会对其进行处理。同时，共识客户端处理 PoS 共识，选择一个验证者来创建下一个区块。然后，所选验证者的执行客户端根据 Gas 价格将交易安排到新区块中，然后将其转发到共识客户端并发送到网络。其他验证者证明该区块的准确性，一旦经过验证，它就成为该链的最新链接。
如果验证者选择使用 MEV Boost，则此过程会发生变化。集成 MEV Boost 的验证者通过其共识客户端来实现这一点。当他们准备提出一个区块时，他们就不再依赖执行客户端，而是连接到中继网络。验证者可选择连接到哪些中继网络。
MEV Boost 是可自选的，但95%的验证者都在使用它。基本上，除了 Vitalik 运行的验证者之外，几乎所有验证者都将区块构建委托给第三方。这种委托表明，以太坊协议的核心功能（区块构建）现在主要在以太坊系统本身之外进行。这一设置中的一个关键角色是中继，它们的角色与以太坊的基本原则有些不同。目前，大约有9个活跃中继，但其中只有6个拥有超过9%的中继区块份额。
过去7天内顶级中继和构建者的市场份额细分。来源：https://www.relayscan.io/
信任是一个问题，因为中继和构建者以及中继和验证者之间的关系并不是不信任的。人们还担心审查制度的阻力。中继在拍卖期间可自行决定区块的有效性。这种自由裁量权允许他们排除与受制裁地址相关的交易的区块。有个较好的案例，当发生OFAC Tornado现金制裁时，一些中继行使了这一权力。最近的数据显示，由于此类中继实施了审查制度，过去一周38%的区块遵守了 OFAC 准则。
第三章节：展望未来
以太坊正在制定一项策略，以重新整合当前在其核心协议之外运行的流程。这样做的目标是强制提议者从构建者处获取区块，本质上是让协议处理中继的当前职责。目前的中继系统有其弱点。例如，中继可能无法正确验证区块，错误地验证了与提议者的付款相关的构建者出价，甚至延迟或无法完成区块交付。最重要的是，运行中继并不便宜。截至目前，他们缺乏可持续的融资模式。使用最多的超声波中继显示，其每年的运营成本估计在7万至8万欧元之间，这还不包括软件维护等其他费用。中继目前作为实用程序运行。
还值得注意的是，由于 MEV Boost 是由公司（Flashbots）开发的外部软件，因此它没有像协议内的软件那样经过严格的测试。这在 Shapella 升级后的 Prism 客户端中表现得很明显：与 MEV Boost 的集成漏洞导致提议者签名出现问题，导致错过插槽和罚没。将此流程集成到以太坊协议中是为了解决这些挑战，确保即使提议者和构建者之间的协议破裂，提议者仍能获得补偿。因此，如果构建者提供了一个有缺陷的区块，提议者仍会获得全额出价，而后果则由构建者承担。虽然这种集成的具体细节（称为 ePBS）仍在研究中，并且可能需要几年时间才能实现，但对于它的外观已有许多不同的想法。
如何实现ePBS
要了解潜在的 ePBS 实现，首先必须了解以太坊 PoS 算法的一些基本组件。在以太坊中，时间被分为12秒的间隔，称为时隙。32个这样的插槽聚集在一起形成一个纪元。在每个时隙中，随机选择一个验证者来提议一个块。同时，指定一个委员会来验证他们认为符合以太坊 PoS 分叉选择规则的区块的有效性，完美地证明最近提议的区块是合适的区块头。如果在给定的时隙中未提议某个区块，则4秒后，证明验证者将证明前一个区块。
现在，我们看看 ePBS 设计。最受青睐的模型跨越两个插槽。首先是投标阶段，构建者将投标发送给验证者。然后，从第1个插槽开始，提议者选择一个出价，并通过发布一个对该构建者的出价做出保证的区块来对出价做出承诺。然后，一组证明者投票支持该区块，确保其在链中的位置。在插槽2中，构建者可看到在提议者承诺的区块中做出保证的出价及对出价的证明。认识到提议者承诺不可撤销后，被选中的构建者会释放他们的区块，并确保他们的 MEV 不会被盗。最后，证明者验证这个新区块。
“双插槽”ePBS设计
新发布的模型类似于双槽方法，但引入了有效负载-及时性委员会。首先，构建者的出价由提议者选择并做出保证，然后验证者委员会进行证明。随后，构建者揭示区块的有效负载（其交易），有效负载-及时性委员会将确认有效负载已按时提供及其有效性。这两种方法之间还存在的区别是以太坊权益证明操作的细节，但本文不做详解。
具有有效负载-及时性委员会的ePBS设计
另一种设计与插槽拍卖的概念相关。在这里，构建者在出价期间对纪元中的一个插槽做出了承诺，而未指定区块。他们本质上承诺在分配的时段内创建一个区块，并为此提供一定的价格。这提供了适应性，特别是对于需要实时操作的跨域 MEV 的适应性。
到目前为止，所有 ePBS 设计都授予构建者对区块交易的完全控制权。一个可能的解决方法是使用包含列表。该列表由提议者发送给构建者，理想情况下它包含内存池中当前所有交易，或者也不必是所有交易，在有空间的情况下则包含必须成为构建者区块的部分交易。如果构建者的区块容量已满，那么他们必须表明这一点，确认他们认可该列表的。这种方式加强了网络审查的抵抗力。如果构建者想要审查交易，那么这样做会日益变得困难且成本高昂。由于EIP 1559，连续填充的区块将导致基本费用飙升。因此，如果构建者通过用虚拟交易填充区块来不断审查交易，长此以往不断上升的成本会让这种方法变得难以实现。
在某些情况下，提议者可能希望对区块创建产生一些影响。另一个 ePBS 功能可能涉及提议者制作区块的一部分（开始或结束）并将剩余部分委托给构建者。所有这些设计和功能并不相互排斥，更多的是平衡它们的优、缺点。
Optimistic Relaying (乐观中继)
ePBS 的另一种方式利用了我们现有的可信中继。这是一种逐步减少中继职责的方法，直到使中继主要充当优化器，而不是关键组件。在第一阶段，我们放弃了中继验证区块有效性的职责。这大大降低了运行中继的成本，因为不再需要进行区块模拟来确保其有效性。此外，它还简化了中继的角色，在与提议者和构建者的通信中减少了大约100到200毫秒的延迟。那么，如果一个区块被证明是无效的，我们又如何确保提议者获得付款呢？这将要求构建者在出价时提供相当于其出价的抵押品。如果区块无效，抵押品将作为提议者本应收到的付款。这个概念被称为Optimistic Relaying V1。
Optimistic Relaying V1
若将乐观中继进一步推向 V2，我们就能无需中继下载区块，从而再减少50到100毫秒的延迟。同样的保证也适用：如果一个区块从未被下载，那么构建者的抵押品就会用来支付。
Optimistic Relaying V2
最终，乐观中继的结束游戏开始看起来很像我之前提到的有效负载-及时性委员会模型。顺序如下：构建者在点对点层上提交出价。提议者接受出价并跟进签名标头。然后，构建者推出该区块。在这个阶段，中继的唯一工作是监督点对点层内存池，基本上是在不同活动发生时进行计时。中继变为超级轻量级角色，它只需密切关注内存池。它使中继的运作方式很像有效负载-及时性委员会模式。所有这些步骤都是为了未来中继被有效负载-及时性委员会取代，从而精简整个协议。
利用构建者额外增强协议
PBS 的出现是 Flashbots 为解决 MEV 中心化效应而创立的，旨在尝试利用 MEV 取得积极成果。鉴于这些实体在以太坊中担任专门构建区块的新角色，它们有机会像超级计算机一样运行，与轻量级验证者形成鲜明对比。利用这些强大构建者的协议设计正在在出现。这个想法是让验证者保持简单和直接（有些人甚至可能会说很弱），而构建器则没有这样的限制，可以在更高的计算级别上运行。这些增强型构建者的主要应用是实现扩展。
以太坊研究员 Dankrad Feist 的 Danksharding 设计表明，这些高耗资的构建者能构建一个包含所有数据的大区块。然后，该数据将被分段并由多个 KZG 保证进行提交。构建这个块需要大量资源，但验证它们则相对便宜。然后，轻量级验证器可应用数据可用性采样来检查块的一小部分，并几乎能确定整个数据集的可访问性，从而使 Proto-Danksharding 的数据吞吐量增加约16倍。Danksharding 很复杂，这里不予介绍，但关键是这些高级构建者可被委派作为额外的角色来进一步增强网络。
利用构建者的另一个想法是基于rollups的可能实现。几年前，Vitalik 讨论了rollups排序模型，为其中一个模型创造了“Total Anarchy”这个术语，其中任何人都可以发布一个rollup区块，并且第一个命中链的序列就是官方区块。这种方法有很多缺点，例如会带来链上垃圾邮件、获胜顺序是模糊的等。然而，Justin Drake 最近关于基于rollups的文章强调了利用构建者的更有效策略。在此模型中，第一层的构建者充当rollup排序器，精选最佳序列以包含在链上。这确保了仅合并最佳序列。
除了rollup之外，强大构建者的引入还能刺激其他创新结构，例如无状态客户端。它们使节点能够照常运行，但没有保留过时状态的包袱。这些使得节点更加轻量级，并依赖于构建者生成特定加密证明的能力。
PEPC：协议强制提议者承诺
协议强制提议者承诺（PEPC，发音为 pepsi）是以太坊基金会研究员 Barnabé Monnot 在2022年10月提出的概念。您可访问 Barnabé 的原始帖子进行深入研究 。PEPC 的核心目标是赋予提案者在区块构建方面更大的发言权，而他们因将整个任务出售给专业构建者而失去了这种发言权。在 PEPC 中，除了通常的以太坊要求之外，提议者还可添加额外的条件来使区块被视为有效。如果一个区块未能满足任何这些额外条件，则它被视为无效，那么证明者应拒绝它。这与 EigenLayer 承诺不同，在 EigenLayer 承诺中，具有额外承诺的验证者要么因不合规而损失一些质押的 ETH，要么因履行承诺而获得奖励。然而，无论这些承诺如何，该区块仍然有效。
想象一下Alice是以太坊网络中的提议者。通过 PEPC，Alice 可灵活地为即将到来的区块做出具体承诺。她可以承诺她的区块将包含至少三笔与特定智能合约相关的交易，并且她愿意为这些交易分配该区块 70% 的 Gas。她传达了这一承诺，并且此承诺是她的区块有效性条件的一部分。现在，构建者Boba看到了Alice的承诺。他将符合Alice标准的一组交易打包在一起并发送给Alice。如果Alice的区块在构建后与她的承诺一致（即包含消耗指定Gas的指定交易），则该区块被视为有效并能添加到区块链中。如果没有，Alice的区块将不会被接受，以确保她遵守她声明的承诺。
ePBS 和 PEPC 之间的一个主要区别在于承诺性质。在 ePBS 中，提案者和构建者遵循固定、统一的程序。这是一种一刀切的方法。提议者提交特定的块哈希，然后构建者生成匹配的有效负载。然而，PEPC 引入了多样性。每个提议者都可设置独特的条件，更加灵活。需要注意的是，PEPC 的存在依赖于 ePBS，它们是相辅相成的。PEPC 的具体工作原理仍在讨论和研究中。
结语
PBS 还不是具体的实现，而是一种设计理念。它表示，存在分工激励，并且协议参与者将把一些责任委托给更专业的外部实体。该协议致力于提供一个可靠的、尽可能去信任化的界面，以确保该授权顺利进行，并且具有公平和普惠性。如果没有这一点，某些参与者可能会占据优势，从而导致在 PBS 时代到来之前首次在 MEV 中观察到的中性化问题。PBS 的核心强调公平和去中心化。虽然要集成到协议中的确切元素将在未来的以太坊更新中看到，但以太坊的总体目标仍是明确的，即可访问、开放、值得信赖的状态计算，由一组去中心化的轻量级验证者监督。
声明：
İlgili makaleler
如何质押 ETH？
