Rollupソーターの分散型探求：Espresso、SUAVE と Polygon

著者：100y

編訳：0x11、Foresight News

• イーサリアムのRollupネットワークの採用は2022年に急増したが、改善すべき点も残っている。
• ソーターはユーザーが提出した取引を並べ替える役割を担っている。現在、ほぼすべてのRollupは単一のソーターに依存している。Rollupは詐欺または有効性証明を通じてイーサリアムのセキュリティから利益を得るため、中央集権的なソーターは重大な問題を引き起こさない。しかし、最終的には分散型ソーターがより優れた解決策であり、中央集権的なソーターはMEVの抽出や検閲に関するリスクを抱える可能性がある。
• 本文では、Espresso Sequencer、SUAVE、Polygon PoE、EigenLayer、Cosmos ICSなど、さまざまな分散型ソーターのプロジェクトを紹介する。

はじめに

イーサリアム以外の7つのネットワークのTVLの支配的傾向、出典：Messari

2022年はRollupが注目を集めた年であり、いくつかのRollupネットワークは暗号通貨市場全体の下落トレンドの中で大成功を収めた。2020年と2021年にはL1が大いに注目され、多くの人々がSOLUNAVAX（Solana、Luna、Avalanche）やFOAN（Fantom、Harmony One、ATOM、NEAR）への投資によって大きな利益を得ていた。一方、2022年にはマクロ経済の影響や頻繁なハッキング、Terraの崩壊により、L1の採用率は急速に低下し、これがRollupネットワークへの関心を引き起こした。

イーサリアムのRollupは、イーサリアムネットワーク上に状態（例えば、ウォレットの残高）や取引データの要約（状態ルート）を保存し、メインチェーン外で取引を実行する際にイーサリアムのセキュリティに依存することでスケーラビリティを実現している。では、OptimismやArbitrumのようなRollupネットワークを完全に信頼して使用することはできるのだろうか？残念ながら、この技術はまだ初期段階にあり、現在のRollupネットワークにはいくつかのリスク要因が残っている。

Rollupネットワークのリスク分析、出典：l2beat

上表はl2beatサイトのリスク分析であり、現在のRollupにはかなり多くのリスク要因が存在することがわかる。上表に記載されているリスクは本記事の焦点ではないが、それらの意味を簡単に振り返る価値がある：

• 状態検証：状態検証とは、L2が実行した有効性を証明する方法である。ゼロ知識証明を使用するネットワークでは、zk-SNARKsがZK証明（SN）、zk-STARKsがZK証明（ST）としてマークされている。多くのOptimistic Rollupsは状態検証にリスクがあるようだ：Optimism、Metis Andromeda、Boba Networkなどのプロジェクトは詐欺証明メカニズムを開発しているが、Arbitrum OneやArbitrum Novaのような他のプロジェクトは詐欺証明のスキームを持っているが、ホワイトリスト参加者のみが詐欺証明を提出できる。
• データの可用性：これはL2ネットワークの取引データがどこに保存されるかに関するものである。重要なのは、取引データが完全であること、ユーザーが有効性を証明したりL2ネットワークからトークンを引き出したりできるようにすることである。取引データがイーサリアム上に保存されている場合にのみ、ネットワークはRollupと見なされる；そうでなければ、このカテゴリには分類されない。
• アップグレーダビリティ：イーサリアムL1ネットワーク上のRollupスマートコントラクトがアップグレード可能かどうか。上表で「はい」とマークされている場合、中央集権的な参加者はいつでもそれをアップグレードでき、「N日遅延」とマークされている場合、そのようなネットワークはアップグレード時間の遅延を強制する。
• ソーターの故障：これはL2ネットワークで取引を並べ替える責任を持つソーターがオフラインになるか、取引を検閲することに関するものである。「L1で取引を行う」と「L1に強制的に退出する」は2つの安全な方法であり、前者はユーザーが直接L1を通じて取引を提出でき、後者はユーザーがL1に強制的に退出できる。
• 検証者の故障：これはL2ネットワークのブロック生成者がオフラインになるか、検閲を決定することに関するものである。「ブロックを提案する」と「エスケープハッチ（MP）」は安全であり、前者は誰でも一定の時間後に検証者になることを許可し、後者はユーザーが状態ルートを提出することで安全に担保を引き出すことを許可する。

これまでに、イーサリアムL2ネットワーク内のさまざまなリスク要因を振り返った。しかし、解決されていないリスクが1つある。それは中央集権的なソーターである。ソーターはL2ユーザーが提出した取引を受け取り、並べ替える役割を担っているが、現在、中央集権的なソーターはほぼすべてのL2ネットワークの標準である。最大の2つのRollupネットワークであるOptimismとArbitrumでさえ、すべての取引の順序を決定するために単一のソーターを運営している。中央集権的なソーターは重大なリスクをもたらすのだろうか？上記のリスク要因と比較すると、答えは否である。

実際、表に示されたリスクはユーザーの資金に直接的な損害を与えるが、中央集権的なソーターはそうではない。取引が単一の実体に集中しているか、複数の実体に分散しているかにかかわらず、L2ネットワーク取引の有効性はL1ネットワーク上で詐欺証明または有効性証明によって証明される。それにもかかわらず、単一のソーターが不適切に行動した場合、L2ネットワークのユーザーは間接的な損失を被る可能性がある。取引の順序を単独で決定できることは、悪意のあるMEV抽出を助長する可能性があり、例えば、サンドイッチ攻撃によってユーザーに財務的損失をもたらしたり、取引を検閲したりすることがある（これはプロジェクトによって異なるが、L1を通じてL2ブロックに取引を強制的に含めるメカニズムがあるため、悪意のあるソーターが取引を検閲し、完全にブロックすることは難しい。しかし、悪意のあるソーターが緊急に実行する必要がある取引を検閲する場合、例えば、貸付プロトコルの清算など、L2内の取引の遅延を引き起こす可能性がある）。

ほとんどのL2プロジェクトは最終的にソーターを分散化することを計画しているが、これは新しい取引並べ替えのコンセンサスメカニズムを導入する必要がある。複数のソーターをコンセンサスメカニズムに組み込むことは、スケーラビリティを損なうことは避けられず、これはRollupの本来の目的に反する。しかし、ブロックチェーンの精神に基づく分散型ソーターには確かに利点があり、必然的に追求すべき最終的な方向性である。本稿では、最近の分散型ソーターに関する試みと努力を探る。

分散型ソーターの試み

Espresso SystemsのEspresso Sequencer

Espresso Systemsは、ブロックチェーンのスケーラビリティとプライバシーソリューションを提供する企業であり、2022年5月にElectric CapitalやSequoia Capitalなどから3200万ドルの資金を調達した。Espresso Systemsは、他にもHyperPlonkというzkEVM証明システム、jellyfishというオープンソースの暗号ライブラリ、CAPEという既存のEVMチェーン内の資産に選択的プライバシーを提供するスマートコントラクトアプリケーション、VERI-ZEXEというスマートコントラクトにプライバシーを提供するシステムを開発中である。本記事では、Espresso Systemsが開発した分散型ソーターEspresso Sequencerに焦点を当てる。

Espresso Sequencerは、中央集権的なソーターを使用しているzkおよびOptimistic Rollupsの改善を支援するソリューションである。Rollup向けの分散型ソーターおよびデータ可用性のレイヤーとして、L1とL2の間のミドルウェアレイヤーとして機能することができる。取引はL2で処理されるが、その最終性は最終的にイーサリアムのL1に依存する。ネットワークのコンセンサスアルゴリズムは、セキュリティではなく活性を優先するためである。Espresso Sequencerは、HotStuff BFTに基づくHotShotコンセンサスアルゴリズムを導入することで、Rollupの並べ替えと最終性がL1に依存する問題を解決する。これに基づいて、複数のソーターが楽観的条件下でL2トランザクションを迅速に処理する。

最近、HotShotはAmericanoというテストネットを発表し、100の4GBメモリと2つのCPUコアを持つノードネットワークで、1-2万のERC-20取引のスループットを実現した。高性能は、HotShotアルゴリズムが楽観的な状況下で中央集権的なネットワーク構造を利用したことによるものである。ネットワークに問題が発生した場合、このアルゴリズムは別のメカニズムに切り替え、悲観的条件下で安定性を優先する。

Espresso Sequencerのロードマップ | 出典：Espresso Systems

現在、Americanoテストネットは楽観的な応答の取引処理方式のみを採用しており、将来的にはDoppioテストネットで悲観的処理方式を導入する予定である。

FlashbotsのSUAVE

出典：Flashbots

Flashbotsは、イーサリアムネットワークのMEVを効率的に抽出し、分散化することに取り組む研究開発機関である。かつてはPoWイーサリアムのためにFlashbot Auctionを提供していたが、現在はPoSイーサリアムにMEV-Boostを提供しており、これはMEVの分散化を実現するミドルウェアである。しかし、MEV-Boostにも独自の限界がある：ブロック構築者の中央集権。

検証者や提案者の中央集権はネットワークのセキュリティに深刻な脅威をもたらすが、ブロック構築者の中央集権は同じ程度のリスクをもたらさない。それにもかかわらず、中央集権的な構築者は理想的な状況ではない。なぜなら、EOF（外部注文フロー、ユーザーが取引を特定のブロック構築者に送信し、メモリプールではなく、構築者の権限を大幅に強化すること）が、ネットワークがMEVの効率的な抽出と分配の目標から逸脱する原因となる可能性がある。Flashbotsは2022年11月23日にSUAVE（価値表現のための単一の統一オークション）というソリューションを発表した。

出典：Flashbots

SUAVEはEVM互換のブロックチェーンネットワークであるが、その目的は取引の並べ替えとブロック構築を処理することであり、さまざまなdAppの展開をサポートすることではない。簡単に言えば、SUAVEは取引の並べ替えのためのブロック構築者ネットワークであり、1層ネットワークの事前確認取引を保存するメモリプールでもある。さらに、SUAVEはさまざまなEVM系ネットワークに互換性があり、イーサリアムだけでなく、Optimism、Polygon、ArbitrumなどのL2ネットワークでも使用できる。

出典：Flashbots

SUAVEの最初の目的は、すべての人がアクセスできるオープンな環境で、1）暗号化されたメモリプールを使用してユーザーの取引を暗号化し、プライバシーを確保し、最適な実行市場を利用してEOFの状況を緩和し、ブロック構築者の中央集権を防ぐこと、2）複数のネットワークの並べ替えを処理することでクロスチェーンMEVの抽出を分散化し、特定のブロック構築者の権力を過剰にすることを防ぐことである。しかし、SUAVEを使用することには追加の利点もある。

複数のネットワークの並べ替え層として機能することで、SUAVEはそれを使用するL2ネットワークに分散型ソーターを提供できる。さらに、これによりMEV抽出プロセスの効率が向上し、より持続可能なネットワークが形成されるという追加の利点がある。しかし、SUAVEのような分散型層に中央集権的な実体の役割を委任することには、遅延などのパフォーマンス低下を引き起こす潜在的な欠点がある。SUAVEはまだリリースされていないため、実際のパフォーマンスは今後の観察が必要である。

PolygonのPoE

Polygon zkEVMはPolygon Hermezに改名され、Rollupネットワークに「効率証明（PoE）」というコンセンサスアルゴリズムを導入することでソーターの分散化を実現する計画である。PoEの動作方法は以下の通りであり、既存のソーターの役割をソーターとアグリゲーターに分割する。ソーターはユーザーの取引をバッチにまとめ、これをイーサリアムL1上のスマートコントラクトに提出し、アグリゲーターはソーターが公開した取引バッチを検証する。PoEおよびその前身である寄付証明（PoD）についての詳細な説明は、Polygon、モジュラーブロックチェーン未来のリーダーの第5部を参照されたい。

PoEの動作原理、出典：Polygon

EigenLayer

EigenLayerは再ステーキングの概念を初めて導入したプロトコルであり、ステーキング者はすでにステーキングされたETHに追加の削減条件を付加する（[EigenLayer：ETHを再ステーキングして信頼ネットワークを拡張する](https://medium.com/a41-ventures/research-eigenlayer-eth-%EB%A6%AC%EC%8A%A4%ED%85%8C%EC%9D%B4%ED%82%B9-re-staking-%EC%9D%84-%ED%86%B5%ED%95%9C-%EC%8B%A0%EB%A2%B0-%EB%84%A4%ED%8A%B8%EC%9B%8C%ED%81%AC%EC%9D%98-%ED%99%95%EC%9E%A5-c74a3bf3133d））。この方法の利点は、他のプロトコルがイーサリアムの巨大な時価総額に基づく強力なセキュリティを利用できることである。さらに、追加の削減条件を再追加することで、EigenLayerは分散化の目的をより良く達成できる。EigenLayerは、現在のRollupソーターを分散化するために使用でき、分散型ソーターになりたい機関はEigenLayerを通じてETHを再ステーキングすることで実体となり、悪意のある行為に対して罰金を科される可能性がある。Rollupネットワークのネイティブトークンを使用してPoS方式で分散型ソーターを構築することも可能だが、EigenLayerは相対的に安全なETHトークンを使用することでより良い保護を提供する。ここでEigenLayerを導入することは、RollupソーターのPoSプロセスにETHトークンと罰金条件を追加することに他ならない。したがって、EigenLayerを採用する前に、どのように分散型ソーターを実現するかを考慮する必要がある。このプロトコルはまだ開始されておらず、2023年にリリースされる予定である。上記のRollupソーターの分散化の提案はまだ議論中であり、EigenLayerがリリース後にどのように実際に使用されるかは注目される。

Cosmos Interchain Security

出典：Celestia

モジュラー・ブロックチェーンの代表的なプロジェクトの1つであるCelestiaのCOOであるNick Whiteは、最近CelestiaフォーラムでRollupソーターの分散化に関する興味深い提案を共有した。彼はCosmosエコシステムからのInterchain Securityを使用することを提案した。Interchain Security（ICS）は、Cosmos Hubの検証者を使用して、消費者チェーン（ICSを使用する特定のアプリケーションチェーン）に共有セキュリティを提供する。言い換えれば、このアイデアは、RollupソーターとしてCosmosの既存の検証者を利用することである。なぜなら、Rollupが新しいトークンを発行し、PoSで分散型ソーターを構築することは挑戦的だからである。この考え方は、EigenLayerを利用して分散型ソーターを実現するという考え方と基本的に同じである。

この方法を導入することで、Celestiaネットワークは「原子クロスRollupの相互運用性」を実現するための強力なツールを提供する。Celestiaネットワークは、複数のRollupネットワークのデータ可用性層をホストする役割を果たし、流動性の断片化や相互運用性の低下を引き起こす可能性がある。複数のRollupネットワークがICSを介して同じソーターを使用して運営される場合、原子トランザクションが可能になり、同じ参加者がRollupのバッチを生成することになる。異なるRollup上のdAppはシームレスに相互作用でき、Celestiaネットワーク上の流動性の分散や相互運用性の悪化の問題を解決することができる。

例えば、A RollupのXトークンを担保として提供してB RollupのYトークンを借りる場合、A RollupのXトークンが適切に担保としてロックされているか、B RollupのYトークンが正しく借りられているかを検証するのにかなりの時間がかかる。しかし、Rollup AとRollup Bが同じ分散型ソーターを共有している場合、それらのブロックは同じ実体によって生成されるため、貸付の検証プロセスが大幅に簡素化される。これにより、ネットワークはほぼ同じネットワーク内で相互作用できるようになり、クロスRollup相互作用のユーザー体験が大幅に向上する。

EigenLayerと同様に、CelestiaとCosmosも2023年にICSを導入する計画である。したがって、これまでに議論された提案は、分散型ソーターの潜在的な解決策と見なされるべきである。

まとめ

本文では、Rollupの分散化に関するさまざまなアプローチを考察した。PolygonのPoEコンセンサスアルゴリズムは、Rollupネットワークレベルで直接分散型ソーターを実現し、Espresso SystemsのEspresso SequencerとFlashbotsのSUAVEは別のレイヤーを通じて問題を解決し、EigenLayerとCosmosのICSはすでに強力なセキュリティを構築したネットワークの検証者セットを利用する。ソーターの分散化は極めて重要であり、CelestiaのAlex Beckettは2022年6月にこのテーマについての記事を発表した。私はAlexの解決策を簡単に概説することでこの記事を締めくくりたい。

最初のものは「リーダー選挙を伴う無許可のPoS」である。この方法では、誰でもRollupソーターとしてネットワークに参加でき、トークンを担保にしてリーダー選挙プロセスを通じてネットワークのブロック生成順序を決定する。前述のように、Espresso Sequencer、EigenLayer、Cosmos ICSはこの方法を採用している。

2つ目は「MEVオークションによる無許可のPoS」である。上記のようにリーダー選挙プロセスを使用して次のブロックを生成するソーターを決定するのではなく、オークションプロセスで最高入札者のソーターがブロックを生成する。FlashbotsのSUAVEや前述のPolygon zkEVMのPoEコンセンサスアルゴリズムは、類似のアプローチを採用している。

最後に、「公正な並べ替えを実行する許可されたソーターセット」である。上記で議論された2つの解決策は無許可であり、特定の条件を満たす限り誰でも並べ替えプロセスに参加できる。一方、許可されたソーターが関与する解決策は、信頼できる実体とプライベートにソーターセットを作成することを指す。これは、ソーターが取引を収集し、先着順で公正に順序を決定することを意味する。しかし、この方法は信頼を必要とし、真のRollupソーターの分散化解決策とは見なされない。

2022年にRollupネットワークが大きな注目を集めたにもかかわらず、関連する重大なリスクが依然として存在し、分散型ソーターは通常低優先度のリスクと見なされている。それにもかかわらず、分散型ソーターの実現は、検閲問題を解決し、MEV抽出の効率を向上させるために不可欠である。2022年のRollupネットワークの広範な採用に伴い、彼らはますます大きな資金を扱っており、ネットワークのセキュリティと公平性を向上させる必要性が高まっている。将来的にソーターの分散化が改善され、ユーザーがより安全で公平なRollupネットワークを利用できることを期待したい。

参考資料

https://www.espressosys.com/blog/decentralizing-Rollups-announcing-the-espresso-sequencer

https://www.espressosys.com/blog/espresso-hotshot-consensus-designed-for-Rollups

https://www.espressosys.com/blog/releasing-espresso-testnet-1-americano

https://writings.flashbots.net/the-future-of-mev-is-suave/

https://www.alexbeckett.xyz/decentralized-sequencers-where-do-we-go-next/

https://forum.celestia.org/t/decentralized-Rollup-sequencing-as-a-service-via-interchain-security/423