PBS（Proposer-Builder Separation）设计理念：公平与去中心化

这将是抗审查小组的系列文章的第二篇，我们将由以太坊的 EIP-4844 开始，讨论区块链上各种不同的抗审查题目。敬请留意 Uncommons 公众号逢星期五推出的抗审查小组的系列文章！

PBS（Proposer-Builder Separation）设计理念：公平与去中心化

抗審查小組系列 #1

write / Joycelyn
design / Piggy & 瓶子（公眾號封面）
edit / @swiftevo

TL;DR

• 构建者（Builder）负责打包区块，而提议者（Proposer）负责区块竞价。

• 因为 PBS 采用了竞标机制，Builder 竞价价高者得。中心化的 Builder 没有办法对交易进行审查或者操纵交易的排序。正是因为他们无法控制竞标结果，这使得以太坊网络更加抗审查，确保了交易的公平性和中立性。

  上文我们提到 Danksharding，其设计核心思想主要围绕着中心化的出块 + 去中心化的验证 + 抗审查性。接下去我们将来探索抗审查中的 PBS 的设计理念、诞生过程以及具体方案。

PBS 的设计理念：公平与去中心化

截止到目前为止，PBS 暂时没有特定的实现形式，本质上它是一种设计理念，其核心是强调公平和去中心化。参与协议的各方往往会出现专业化分工和对第三方服务的需求，这是不可避免的现象。为了确保区块链的顺利、公平运作，PBS试图通过协议去规范这种需求。

Note：“协议参与者”指的是以太坊的权益证明（POS）机制中受到约束且活跃的验证者，他们预期会执行各种职责，包括构建区块、验证证明或是参与当前的验证委员会成为其中一员。

回归到最早以太坊设计之初，它只有 2 个参与者：

• User：运行着自己的节点，通过点对点网络将交易发送给 Validator；

• Validator：原则上 Validator 是验证区块的中立参与者，将构建一个区块并包含该交易。

但在运行的过程中，我们会发现起过程并不顺利。验证者同时承担了 Builder 和 Proposer 两个角色：他们既要构建区块的内容，也要负责对出块进行验证 + 投票。这样去中心化就无法得到保障。

Source：jamesbachini, PBS；验证者的角色被拆分成 Proposer 和 Builder：Proposer（排序权） 将区块生产权出售给 Builder，Builder（区块打包）竞价争夺区块内交易顺序的特权。

于是，PBS 中出块者验证投票的角色被拆分为两个新的子角色：Builder 和 Proposer。

• Builder：负责区块打包，通过选择包含哪些交易并确定其顺序来创建区块。

• Proposer：负责交易排序，采用构建者创建的最佳区块并将其添加到区块链中。

在当前情况下，由于最大化矿工收益（MEV）的存在，区块的构建可能会逐渐集中到更先进、更强大的运营商手中，必然导致 Builder 的中心化问题。然而 PBS 作为解决去中心化验证的一个解决方案，可以防止这种集中趋势对区块验证或质押奖励分配造成的影响。PBS 允许验证者 Proposer 选择每个区块中的交易以及它们的顺序，这意味着我们能够预知谁将成为下一个区块的生产者 Builder，这是一个重大的转变。

接下来，我们将简单分析下在 PBS 是如何诞生前后中攻击者要审查一笔交易所需要付出的代价，来自 Vitalik 的如何提高 PBS 方案的交易抗审查性的例子：

PBS 使用前后对比，
审查者无法通过控制 Base Fee 来审查或排除特定交易

假设攻击者在正常情况下想要审查一笔愿意支付 X ETH 的交易（消耗 150k gas），首先，填满区块。攻击者需要持续提交大量交易，以确保区块总是超过目标 gas fee，从而使 Base Fee 持续上升。其次，抬高 Base Fee。通过不断提交交易，攻击者使 Base Fee 提高到一个程度，使得 Base Fee * 150k gas > X ETH。这意味着原本的交易因为支付不起如此高的 Base Fee，所以无法被包含在区块中。最终攻击者需要燃烧大量的 Base Fee 来审查一笔交易。

然而在 PBS 中，每个区块的构建者 Builder 是通过竞标来确定的，而不是像之前那样尽量塞满区块增加交易来提高 Base fee。如果现在一名区块上的 Builder A 想要审查一笔交易，他只需确保他的竞标价高于其他 Builders 即可，而区块又有时间限制，当一段时间内交易无法进入区块，便能达到审查目的。

与过去不同，PBS 机制允许区块 Builder 根据竞标价来确定下一个区块的产生者，而不是通过增加交易量来提高基础费。这种机制使得审查者无法通过控制 Base fee 来审查或排除特定交易，从而增强了区块链网络的抗审查性。

PBS 历史提案整理

回归到 PBS 的提案中，我们详细来看一下其中的解决方案。

PBS 提案从 2018 年开始逐渐形成，主要来自于以太坊基金会 Vitalik Buterin 和 Justin Drake 两位。

PBS 原始解决方案

原文：https://ethresear.ch/t/proposer-block-builder-separation-friendly-fee-market-designs/9725

Vitalik 早在 2021 年初就提出了两个解决方案，旨在提高区块链网络的效率和可用性，但各自的侧重不同。

PBS 试图达到以下五个目标：

1. Untrusted proposer friendliness（无需信任 Proposer 友好性）：Proposer 无需欺诈 Builder，因此 Builder 也不会依赖关系或声誉来选择 Proposer。

2. Untrusted builder friendliness（无需信任 Builder 友好性）：同上，Builder无需欺诈 Proposer，因此 Proposer 也不会依赖关系或声誉而选择 Builder。

3. Weak proposer friendliness（弱 Proposer 友好性）：PBS 不应该要求 Proposer 拥有高性能电脑或高技术水平。

4. Bundle un-stealability（Bundle 不可窃取性）：Proposer 不能偷取 Builder 的交易内容，以确保 Builder 能够获利。

5. Consensus-layer simplicity and safety（共识简单与安全性）：PBS 应简单易懂，并且能够像现有的区块提议机制一样安全。

方案 1 设计较为简单，价高者得

1. 区块 Builder 构建并发布交易捆头（Bundle head），其中包含交易捆主体（Bundle body）的承诺（Commit）、Proposer 的付款信息以及 Builder 的签名。

2. Proposer 选择具有最高价的交易捆头，对其进行签名，并发布包含该交易捆头的提议。

3. 一旦收到带有签名的提议，负责打包交易捆头的区块 Builder 将发布完整的交易捆。

方案 2 设计较为复杂，增加 list 更去中心化

1. 区块 Builder 构建并发布交易捆头，其中包含了对交易捆主体的承诺、Proposer 的付款信息以及Builder 的签名。

2. Proposer 选择他们看到的交易捆头，形成一个列表（list），并对该列表进行签名。

3. 当看到该签名声明后，被选中的区块 Builder 会发布相应的交易捆主体。

4. Proposer 只能从他们之前承诺的交易捆头列表（list）中选择一个并发布提议。

这两种方案的目标都是通过提高竞标的效率和公平性，来改善区块链网络的性能和安全性。通过 PBS机制，可以更好地管理区块，防止中心化和审查攻击等问题的发生。

综上，Proposer-Builder Separation 是指将原本由验证者负责的交易排序工作拆分给另一个角色 Builder 来处理，使 Proposer 专注于验证区块并投票，以确保 PoS 网络的安全。PBS 能减轻 Proposer 负担，使整个过程更去中心化，以应对未来 Danksharding 带来的区块容量大幅提升的挑战。

我们将会在第 三篇深入討論  2 种实现 PBS 的路径，Single Slot PBS vs. Two Slot PBS，尽情期待！

Reference

https://media.beehiiv.com/cdn-cgi/image/fit=scale-down,format=auto,onerror=redirect,quality=80/uploads/asset/file/de300594-a2d8-41bf-935a-5f39cb2cb1b6/image8.png

https://www.ethereum.cn/Eth2/proposer-block-builder-separation-friendly-fee-market-designs?

https://ethresear.ch/t/optimised-proposal-commitment-scheme/1314

https://medium.com/@JuliaOfoegbu/danksharding-and-proto-danksharding-8e915b94e166

https://foresightnews.pro/article/detail/40775

https://ethresear.ch/t/proposer-withholding-and-collation-availability-traps/1294/9

https://ethresear.ch/t/alternative-fix-for-proposer-withholding-attack/1268

https://ethresear.ch/t/proposal-confirmation-separation-a-bug-and-a-fix/1261

https://ethresear.ch/t/separating-proposing-and-confirmation-of-collations/1000/4

https://ethereum.org/zh/roadmap/

https://www.bankless.com/ethereum-censored-flashbots-centralization-lido?ref=bankless.ghost.io

https://hackmd.io/@EspressoSystems/fair-exchange-in-proposer-builder-separation

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