Layer2Rollup方案的MEV防范技术解析

本周，我们以技术视角，进一步探寻Layer2上Rollup方案的MEV防范问题。

区块链的公平性、透明性与可验证性是其受到广泛信任的基础，然而这样的特性也给整个生态带来了不小的麻烦。其中，MEV（矿工可提取价值/最大可提取价值）就是隐藏的黑暗森林。每一笔交易背后都可能有它的身影。在DeFi领域中，MEV通常分为三类：

良性MEV，主要发生在套利交易与清算中。在套利交易中，比如某个用户发起一笔较大数额的交易，产生了一定的套利空间，此时套利机器人进行套利交易，将价格拉至正常水平，在此过程中，机器人从中获取了利润，但用户利益没有被损害；在清算业务中，当抵押物价值降低时，如果没有补足差价或者出售资产，就会触发清算，清算人可以以低于市场价3%-5%的价格获取抵押资产。

不良MEV，主要发生在三明治交易与机器人套利中。在三明治交易中，比如某个用户想要发起一笔1000 A代币兑换1000 B代币，机器人监听到这笔交易后先发起一笔同样的交易，使得该用户可能仅兑换得980 B代币，之后机器人再将980 B代币兑换为1020 A代币，赚取差价；在抢先交易中，套利机器人看到可套利交易后以更高的手续费提交，从而抢先交易获取差价。

灾难性MEV，指对区块链共识造成威胁和损害，在区块奖励远小于MEV奖励的情况下，矿工很有可能在损害共识的情况下获取MEV利润，从而破坏区块链共识。

缓解MEV的方案有很多，上一节我们提到了拥抱MEV与消灭MEV的方案，然而在Layer2方案中，主流的项目是如何解决MEV问题的呢？我们重点介绍Optimism和Arbitrum使用的抗MEV方案。

Optimism?Rollup——MEVA方案

MEVA（MEV Auction）方案，该方案最早于2020年初由Karl Floersch提出，巧合的是，Karl Floersch也是optimism的CTO。

MEVA的基本思想是将矿工的两大核心权力进行拆分，即挖矿和定序。矿工（Validator）依然保有原先的挖矿权力，或者说是交易抉择权力。但是一旦确定了交易，就无法对其进行排序，排序权力由定序器（Sequencer）决定。

从本质上来说，MEVA的观念是：与其消除MEV，不如拍卖排序交易的权力，让拍卖中的赢家任意排序交易，获得最大收益。这种措施从某种程度上能够降低竞价导致的网络拥堵，但无法避免不良MEV给用户甚至网络带来的损失。

为什么说这种MEVA方案会给用户带来损失甚至威胁网络安全呢？

让我们思考一个问题，矿工加入网络进行挖矿的原因是什么？当然是为了收益。那么当收益降低之后，ROI下降，矿工数量也会降低，参与者数量减少，区块链网络安全性变弱，整个区块链网络的价值会下跌。所以，不管怎么样，我们需要假设矿工收益不变。

假设矿工每个区块能收获N个币，其中包括挖矿奖励、交易费和MEV，同样假设每个区块的MEV价值为M个币。那么为了保持矿工收益不变，我们有如下可选项：

将M个币的MEV价值给其他人，让普通用户给矿工支付N个币；

将M个币的MEV价值仍然留给矿工，让普通用户给矿工支付N-M个币。

第一种方案是拍卖方案，第二种方案是普通方案。对于拍卖方案而言，普通用户需要承担不该承担的MEV损失，来弥补矿工缺失的币。而这M个币的收益只是给到了一个非常“富有”的拍卖者。MEVA提案建议一次拍卖一整天的交易排序权，这恰恰给了赢家绝对的垄断排序权，赢家有巨大的权力能在这样的时间窗口内任意推迟、重组和审查交易。这样更加中心化的控制会使得网络遭受难以预估的损失。

Arbitrum Rollup——FSS方案

FSS(Fair Sequencing Service)是由Chainlink提出的MEV防范方案。简而言之，FSS让用户首先将交易发送至专门的智能合约SCON中。Oracle网络观察内存池中的这些交易，按照其到达内存池的时间（或其他特定的顺序）进行排序，排序完成后再将其转发给SCON，如下图所示。

具体而言，首先如何实现排序的公平性？关于拜占庭容错共识的研究已经持续了几十年，但仿佛大家都忽略了“排序公平性”问题。Kelkar等人近期在研究中首次给共识加入了“排序公平性”的维度，大致目标为：如果大部分节点先收到交易T1,再收到交易T2。那么交易T1不能排在T2后面，这种协议被称为Aequitas。目前该协议运行代价很高。但未来具有非常大的实用价值。FSS在执行交易排序是就支持Aequitas。当然它还可以支持更简单的方案，例如它可以直接将交易加密，节点只有在排序后才能使用门限签名来解密。

FSS框架中交易的生命周期是怎样的呢？首先用户需要将交易发送到SCON合约的内存池中，之后预言机代替SCON合约来获取交易池中的数据，并根据交易到达内存池的时间进行排序，最后排好序发送给SCON合约。这种方案的优势如下：

兼容性较高：用户无需适配预言机网络，直接传输至区块链节点即可

Gas费低：预言机网络可以批量打包发送交易给区块链，用户无需单独上链，Gas费较低

但Arbitrum仍然需要依赖外在的Oracle Network来提供服务,Oracle Network的激励方案不确定。

EigenNetwork——TEE方案

EigenNetwork从公平定序器和隐私mempool两方面，在缓解MEV问题上做了双重保证。

Eigen Network同样依赖Layer2 Sequencer来完成定序，但与其他方案不同的是，Eigen Network将Sequencer放在Eigen Node中的EigenTEE中执行，这要求所有的定序器必须按照给定的定序代码进行定序，定序的过程不允许被任意更改。一旦定序器将批量交易发布到Layer1,交易顺序就得到了确认，这就是Eigen Network的公平定序器。

与此同时，Eigen Network支持交易的加密再广播，保证mempool的隐私性，Sequencer无法直接进行获取MEV信息。用户可以根据需要使用合适的解决方案。

EigenNetwork的抗MEV方案从某种程度上来说以最低的代价缓解了MEV，没有引入存在风险的MEVA方案，也没有使用复杂的Oracle Network方案，而是将Sequencer天然集成到Eigen Node中，是最简单且可靠的方式之一。

Eigen Network?是Layer2上第一个端到端的隐私计算网络。

基于TEE等隐私计算技术与Layer2 计算能力无限扩展，Eigen能解决目前面临的两方面问题：1）由区块链天然数据公开性导致的链上数据隐私泄漏问题；2）ETH扩展性不足导致的高昂手续费问题。除此之外，Eigen还将改革现有链上数据资产流通生产关系，从应用场景到技术栈考虑个体的隐私保护，成为对开发者友好且切实可行的隐私保护基础设施，为Web2到Web3的转换贡献力量。

参考资料：

https://medium.com/offchainlabs/mev-auctions-considered-harmful-fa72f61a40ea

https://ethresear.ch/t/mev-auction-auctioning-transaction-ordering-rights-as-a-solution-to-miner-extractable-value/6788

https://blog.chain.link/chainlink-fair-sequencing-services-enabling-a-provably-fair-defi-ecosystem/

https://link.zhihu.com/?target=https%3A//eprint.iacr.org/2020/269

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