以太坊路线图展望：FOCIL 和多提议者方案的案例

以太坊现在支持一个充满活力的应用程序和 Layer 2 生态系统。但它的交易供应链（决定哪些交易上链）赋予某些参与者市场力量，损害了链的经济效率。

以太坊交易供应链的许多问题源于这样一个事实：对于每个 slot，单个提议者对将哪些交易包含在其区块中拥有垄断控制权。提议者还拥有链下和来自应用层的激励，这些激励会影响他们的行为。这些有时相互竞争的激励使得鼓励提议者诚实地遵循协议变得困难。

两种类型的提议者偏差尤其令人关注：（1）短期审查，以及（2）利用既得的延迟优势。

如何优先处理和解决这两个问题取决于以太坊的开发路线图。如果以太坊必须解决短期审查抵抗问题，那么受约束的单个提议者设计具有吸引人的特性，同时通过像 FOCIL 这样的提案也接近于充分指定，可以实现。但是，如果以太坊的成功还依赖于解决单一提议者方案对应用层的一些负面市场影响，那么可能需要发生更剧烈的变化。多提议者方案 看起来很有希望解决更广泛的担忧。

本文的其余部分将更详细地描述这些问题，然后再深入探讨这些问题如何影响以太坊的功能。然后，我将分析解决这些问题的两种潜在解决方案——这两种解决方案的实施取决于以太坊的路线图。

问题 1：短期审查

区块链固有的审查抵抗来自活性（liveness）：最终，每个有效的提交交易都将上链。但是，交易上链所需时间的界限对于许多应用程序来说太宽松了。DeFi 交易是一个常见的例子，可能只需要几秒钟交易就会失效。在这些情况下，提议者可能会通过审查交易来获利，即使只是审查一个区块，也会降低这些应用程序的效率。

考虑 案例，其中一个 dapp 希望通过头价拍卖每 slot 出售一件商品。假设该商品具有 10 美元的共同价值；因此，在竞争激烈的拍卖中，我们预计 dapp 会收到大约 10 美元。但是由于拍卖在 slot 期间进行，因此拍卖的所有出价都需要由提议者包含。在单一提议者方案中，提议者可以简单地排除其他人的出价，而只包含他们自己的低价出价，从而以远低于商品价值的价格赢得商品。

这种情况需要一种 短期审查抵抗 的概念，以衡量对手审查单个区块交易的难度。短期审查抵抗是一种经济属性。如果比可用空间更多的交易需要包含在一个区块中，那么必须排除一些交易。这些交易不一定是被对手审查的；相反，它们只是因为价格太高而无法包含。但是，某些协议使对手更容易抬高价格或激励提议者不包含目标交易。本着协议 A 比协议 B 更具审查抵抗力的精神，如果对手在 A 中审查目标交易比在 B 中更困难，我们使用以下定义：

如果在其他条件相同的情况下，对于任何交易 t，对手为阻止 t 在给定区块的均衡状态下被包含而必须支付的最小净支付额在 A 方案下高于 B 方案，则协议 A 比协议 B 更具短期审查抵抗力。

（这个定义有意没有在数学上明确定义。正式定义正在进行的游戏和均衡概念将是未来工作的课题。目前，这些例子传达了这个定义的精神。）

例子

以太坊使用 EIP-1559 作为其费用机制，对手只需要向提议者支付高于基础费的交易小费，以阻止其包含交易。

如果费用机制是头价拍卖，则对手必须向提议者支付超过用户出价的全部金额，以激励他们不包含该交易。

请注意，在 EIP-1559 下，预计竞标者只会支付微薄的小费。因此，虽然头价拍卖下的出价预计相对于交易的真实价值而言较小，但它们仍然远高于 EIP-1559 中交易的小费。因此，我们会说以太坊使用头价拍卖作为其 TFM 比以太坊使用 EIP-1559 更具短期审查抵抗力。但是，在任何一种情况下，如果 Defi 交易的包含均衡价格足够高以阻止对手，则用户现在必须向协议支付高额税款，从而使 Defi 应用程序本身的吸引力降低。

问题 2：既得的提议者延迟优势

在单一提议者架构中，提议者在设计上是给定 slot 区块生产游戏中最后行动的人。（实际上，存在一个复杂的链下交易供应链，其中 relay 最后行动。为了本文的目的，我们将提议者和构建者视为一个整体。）这意味着提议者总是可以提交反映与任何其他提交交易相比“更新鲜”状态的交易。即使用户和提议者同时收到信息，用户也需要时间将他们的交易发送给提议者，在此期间可能会有新信息到达。提议者可以立即对该信息做出反应并可能更改其交易，但是用户没有时间这样做。

例如，在链上路由交易的最佳方式可能取决于币安的链下 ETH-USD 价格。在单一提议者架构中，一个老练的提议者可以提交比任何竞争同一交易的用户都新的交易。

例子

考虑我们之前通过头价拍卖每 slot 出售一件商品的例子。但是现在商品的价值是不断更新的信息的函数。假设有两个竞标者竞争该商品，代理 1 和代理 2。两个代理同时听到新信息，除了代理 1 总是可以在代理 2 之后竞标。在这种情况下，代理 2 在赢得竞标时会受到不利选择，因为竞标者 2 赢得竞标的唯一时间是在他们提交竞标后信息更新到他们支付过高的程度。否则，每当信息发生变化，使得竞标者 2 的竞标有利可图时，竞标者 1 只会更新他们的竞标以响应更新的信息并赢得拍卖。当代理 1 可以直接观察到代理 2 的竞标时，这种影响尤其明显，但是即使代理 1 看不到代理 2 的竞标，代理 1 仍然具有相当大的竞争优势。从长远来看，代理 2 会发现参与不值得，从而让代理 1 捕获拍卖的所有价值。

此示例表明，给予提议者的结构性优势如何导致竞争枯竭，并将链上市场的所有剩余价值转移到提议者。

可能的解决方案取决于路线图

短期审查抵抗和提议者延迟优势在多大程度上重要取决于以太坊的开发路线图。以太坊未来的一种愿景是完全拥抱 L2 路线图，并让所有有意义的执行都在链下进行，而以太坊用于结算、数据可用性和证明验证。在这样的世界中，短期审查是主要问题，尽管在 ~10 个区块的时间范围内实现它可能就足够了，而不是我们上面描述的区块级别的保证。另一种方法是以太坊充当高价值执行的中心，特别是对于高价值 Defi。在这个世界中，实现强大的短期审查抵抗并减轻提议者强大的结构性经济优势变得至关重要。

两种替代方案有助于解决这些问题。第一种是 受约束的单一提议者架构，它添加了对提议者的行动空间施加约束的委员会。第二种是 多提议者架构，该架构与以太坊当前的设计截然不同：它将提议者的权力分配给许多不同的参与者。

虽然这两种设计仍在积极开发中，但已经有关于这些架构可能是什么样子的提案。我们概述了这些提案的样子，并分析了它们如何解决我们讨论的问题。

支持 FOCIL 的理由

受约束的单一提议者架构

受约束的单一提议者架构是指同一区块内的委员会对提议者施加约束的架构。包含列表 (IL) 是最自然的例子，其中包含委员会强制区块提议者包含委员会听到的某些交易。

委员会拥有的权力大小在不同的设计中有所不同。一个重要的区别是不附带条件的包含列表和附带条件的包含列表之间。对于不附带条件的包含列表，委员会包含的交易必须由提议者包含，区块才有效。对于附带条件的包含列表，区块只需要包含包含列表的内容，条件是区块未满，这意味着如果提议者用自己的交易填满整个区块，则不需要包含包含列表中的任何交易。虽然不附带条件的 IL 可以提供更好的短期审查抵抗力，但它们也可能更容易被挤出，因为它们可能被用于提供预确认等产品。

以太坊上受约束的单一提议者设计的最新提案称为 FOCIL（分叉选择附带条件的包含列表），该提案阐述了如何实现包含列表（FOCIL 没有明确设计来处理高价值 MEV 交易，而是针对几个区块的审查抵抗进行了优化。不过，由于它是受约束的单一提议者架构可能是什么样子的最具体规范，因此在此设置中分析它很有用。）

高级设计如下（有关详细信息，请参见“FOCIL CL & EL 工作流程”）：每个 slot 都会选择一个验证者子集作为包含委员会成员。委员会成员构建他们的交易列表，直到达到本地 IL 大小限制（以 KB 为单位）。这些列表在 slot 的 ¾ 处被锁定并传播给提议者，然后提议者负责将他们遗漏的任何交易附加到他们的区块中，直到他们的区块达到 gas 限制。然后，除了标准区块有效性规则外，证明者还检查提案的区块是否符合相应的包含列表。请注意，协议中没有经济激励来促使包含列表委员会诚实行事。

分析

短期审查抵抗

受约束的单一提议者方案的短期审查抵抗取决于允许的约束类型以及提议者如何受到这些约束的约束。由于我们通过经济模型定义短期审查，因此包含委员会的激励方式的细节也会改变这些机制的相对权力。我们将首先分析使用 EIP-1559 作为 L1 TFM 的 FOCIL，然后再扩展到受约束的单一提议者机制空间中可能实现的内容。

由于 FOCIL 没有明确激励包含委员会包含任何交易，因此让我们假设包含列表委员会是非战略性的并且诚实行事。FOCIL 也没有指定诚实的 IL 委员会成员应遵循什么纳入规则，但是对于我们的分析，我们假设诚实的 IL 成员将包含他们听到的具有最高优先费的交易。（FOCIL 的目标还在于提高比一个 slot 更长时间范围内的审查抵抗力，因此其目的是某些委员会成员还遵循包含规则，例如包含在 mempool 中时间最长的交易。）

现在考虑一个对手以基础费用为基础瞄准一笔小费 10 美元的交易的例子，并且这 10 美元足以使该交易包含在 IL 中。这里的对手有两个选择。他们可以发送足够多的高于 10 美元小费的交易到 mempool 中，以将目标交易从 IL 中剔除，同时还要贿赂提议者 10 美元才能不包含目标交易；或者对手可以发送足够多的交易来填满提议者的区块，并且仍然向提议者支付 10 美元以不包含目标交易。对于对手来说，这些策略中的任何一种都比仅仅向提议者支付 10 美元才能不包含目标交易的现状要昂贵得多。在前一种情况下，对手必须为最终上链的任何交易支付优先级费用加上基础费用；在后一种情况下，对手必须至少支付基础费用才能填满整个区块（假设 EIP-1559 作为基础层 TFM）。

如果 FOCIL 改为使用不附带条件的包含列表，则第二种攻击媒介将被排除。因此，如果目标交易具有很高的提示，则对手将被置于用提示高于目标的交易填满 IL gas 限制的位置，这可能比支付基础费用来填满整个区块贵得多。

此分析中的关键假设是 IL 委员会在非战略性的同时诚实行事。如果包含委员会具有战略性，则对手可以向他们支付任意少量的金额，以在当前协议中生成空列表。如果没有任何机制激励 IL 委员会遵循协议，则分析这些协议的短期审查抵抗力将简化为标准的单一提议者案例。允许 IL 委员会包含的交易的费用归 IL 委员会的费用机制设计可以帮助提高这些协议的稳健性，但是此类设计的细节及其将满足的属性是未来工作的主题（例如，请参见此示例）。

提议者延迟优势

像 IL 这样的约束本身并不能帮助解决提议者的延迟优势。在这些设计中，单个提议者仍然最后行动，并且仍然有权插入他们喜欢的任何交易。通常，受约束的单一提议者设置很难解决此问题，因为任何形式的约束委员会都必须在 slot 结束之前采取行动，以便提议者有时间听到约束的结果并采取相应的行动。因此，提议者有权利用在此期间到达的任何信息采取行动。解决此问题的唯一方法是由委员会而不是提议者结束区块生产游戏，在这种情况下，我们将转向多提议者架构。

支持多提议者的理由

多提议者架构

多提议者架构明确地让多个提议者在每个 slot 共同构建一个区块。存在许多潜在的实例，但多提议者方案通常具有相似的结构：一组验证者被 stake 随机选择为给定 slot 中的提议者。在 slot 结束时，每个选定的验证者都按照本地区块有效性规则提出一组交易。然后，协议确定性地将这些提案聚合为单个规范区块。

多提议者方案的关键特征是没有一个提议者被赋予对包含在区块中的内容拥有特殊权力。即使在这样的方案中，多个提议者与非提议者相比具有优势，但是提议者之间的竞争本身可以带来改善的市场均衡。

与对当前以太坊协议具有附加性的受约束的单一提议者设置相反，多提议者架构将需要对以太坊进行根本性的改造。因此，必须对许多组件进行推理，包括交易供应链、共识和费用机制。在这里，我们将考虑一个多提议者架构的理想化模型，其中共识细节已解决，我们可以专注于孤立的单个 slot 。假设包括所有提议者都是同质的并且可以平等地访问信息，并且聚合规则只是对所有提出的交易进行联合。（此分析适用于任何合理的排序规则选择。）将多提议者投入生产的很大一部分将是放宽这些假设以创建完整的规范，但是即使使用此简单模型，仍然有很多需要考虑。

分析

短期审查抵抗

多提议者架构的短期审查抵抗取决于所使用的 TFM。例如，与你从当前单一提议者方案中获得的方案相比，在所有提议者之间平均分配费用并且对用户来说是按投标付费的方案可以激励更好的吞吐量，但短期审查抵抗力更差。另一方面，一些提案 TFM 旨在利用多提议者架构来获得比单一提案方案中可能获得的更多的审查抵抗力。

例如，Fox、Pai 和 Resnick 观察到让交易的支付成为多少提议者包含交易的函数可以大大增加审查交易的成本。他们的 TFM 让用户提交一对出价 (t,T)，其中 t<<T。如果 k>1 个提议者包含该交易。该交易支付 kt，其中 t 支付给每个相应的提议者。但是，如果只有一个提议者包含该交易，则该交易向单个区块生产者支付 T。因此，对手必须支付 kT 才能审查该交易，因为如果没有其他人，任何验证者都可以单方面偏离以包含该交易，而该交易仅期望支付包含费用 Θ(t)。

交易必须支付的包含费用与审查交易的成本之间的这种差距是提议者之间相互竞争而产生的一个关键属性。审查对手需要进行支付，以便 没有 一个提议者包含该交易。当然，如果所有提议者都串通一气，则此分析将失败，并且多提议者的优势将丧失，从而可能使我们处于比单一提议者案例更糟糕的境地。但是，随着并发提议者数量的增加，对手为诱导审查均衡而必须支付的金额以及维持勾结的难度都会增加，因为即使只有一个提议者偏离审查圈，也足以重新获得短期审查抵抗力属性。

提议者延迟优势

假设没有提议者可以在制作自己的区块之前看到其他提议者的区块。完美的同步可以实现此目的，但是，更实际的是，密码学可以实现相同的目的。提议者可以使用时间锁加密来仅在几秒钟内隐藏其区块内容。因此，如果提议者在 slot 结束前几秒钟发布其所有区块，则提议者在 slot 结束后才能看到彼此的区块。我们可以将区块内容阈值加密到证明者委员会，而不是时间锁加密，以实现类似的属性。

鉴于此假设，没有任何一方最后行动以结束区块生产游戏。这意味着提议者被迫在平等的竞争环境中相互竞争，以利用应用层的机会。 随着新信息的到来，所有提议者都处于平等的位置，可以做出反应并更新其交易。然后，这种竞争将价值保持在应用层内，并允许存在竞争市场，而不是让市场瓦解并将所有价值泄漏给单个提议者。但是请注意，多提议者方案不会改变提议者相对于用户的结构性优势，因为用户在将交易发送给提议者时仍然面临延迟。但是现在不是只有一个具有优势的当事方，而是有多个具有相等优势的当事方。

实施密码学以使提议者在提出自己的区块之前无法看到彼此区块的确切细节对于维持此属性至关重要。否则，某些提议者再次对其他提议者具有结构性市场优势，从而降低了链上市场的竞争力。这些规范在很大程度上仍在进行中。

如果以太坊必须解决的主要问题是短期审查抵抗，那么受约束的单一提议者设计具有吸引人的特性，同时通过像 FOCIL 这样的提案也接近于充分指定，可以实现。另一方面，如果以太坊的成功还依赖于解决单一提议者方案对应用层的一些负面市场影响，那么可能需要发生更剧烈的变化。多提议者方案看起来很有希望解决更广泛的问题。但是由于这些设计完全重构了以太坊堆栈，因此它们在获得完整规范和解决如此巨大变化的所有潜在二阶效应方面还有更长的路要走。

感谢 Barnabe、Joachim、Julian、Max 和 Thomas 提供的有益意见和建议 Pranav Garimidi 是 a16z 密码学研究分析师。他专注于与区块链系统相关的机制设计和算法博弈论。他对激励措施如何在区块链堆栈中相互作用特别感兴趣。在加入 a16z 之前，Pranav 是哥伦比亚大学的学生，并获得了计算机科学学位。你可以在 X 上关注他 @pgarimidi 内容仅自所示日期起生效。这些材料中表达的任何预测、估计、预测、目标、前景和/或许观点如有更改，恕不另行通知，并且可能与其他人的意见有所不同或相反。请参阅 https://a16z.com/disclosures/ 以获取其他重要信息

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