Proposer / Builder Separation (PBS) とは?

ブロックチェーンは、従来は中央集権的な機関が管理してきたデジタル経済の運営に必要な信頼を分散化するためのソリューションとして登場した。ブロックチェーンでは、バリデーターのネットワークが協調してトランザクションを処理し、新しいブロックをチェーンに追加する。

ブロックプロポーザーは、どのトランザクションをブロックに含めるかを事実上コントロールしており、この権限を利用してトランザクションフローを検閲したり操作したりすることができる。この検閲問題に対して、研究者たちはさまざまな解決策を提案しており、その一つがProposer/Builder Separation（PBS）として知られるものだ。

プロトコル内Proposer/Builder Separation（PBS）とは何か？

Proposer-Builder Separation（PBS）は、ブロックチェーンの検閲問題およびMEV攻撃問題に対する潜在的な解決策であり、ブロック構築（すなわちブロックビルディング）とブロック提案がネットワーク内の異なる役割に割り当てられる。

ブロックビルダーは、順序付けられたトランザクションのリストである「exec block body」を作成し、そのブロックに対する入札を提出する。プロポーザーの役割は、単に最高額の入札があったexec block bodyを受け入れることだけである。Proposer/Builder Separationは、中央集権化しやすいビルディングを、高度に分散化されるべきトランザクション検証から分離する。

従来のアプローチとは異なり、プロポーザー（および他の全員）は、オークションで勝利したヘッダーを選択するまでexec block bodyの内容を見ることができない。この「事前確定プライバシー」は、ブロック内のトランザクション順序を制御しうる者によるMaximal Extractable Value（MEV）の窃取を防ぐために必要である。

PBSの長期的な計画は、Ethereumにおいてプロトコルネイティブになることである。MEV攻撃の負の外部性を軽減するR&D組織であるFlashbotsが、現在このプロトコル標準を主導している。

ハイブリッドPBSとは何か？

ハイブリッドPBSでは、各トランザクションに送信者の残高とnonceを証明するwitnessが付与される。これらのwitnessは、ビルダーなどの中間ノードによって追加できる。この拡張により、バリデーターはステートレスになることが可能となる。トランザクション履歴全体を追跡する必要がなくなるためだ。

ブロックプロポーザーとは何か？

現在のEthereumでは、ブロックプロポーザーとは、トランザクションのブロックを作成し、それをネットワークに伝播してブロックチェーンへの組み込みを図るエンティティである。ブロックプロポーザーは、Ethereumのmempool内のどのトランザクションが最も高い優先手数料を支払っているかを見ながら、トランザクションをブロックに含めるか除外するかを選択できる。マージ後のEthereumの設計も同様である。

PBSでは、プロポーザーは代わりに、完全なブロック内容とプロポーザーへの手数料を含むバンドルを作成する外部アクター（ビルダー）の市場に依存し、プロポーザーは最も高い手数料のバンドルを選択する。

誰がブロックプロポーザーになれるのか？

従来のアプローチでは、どのノードでもブロックプロポーザーになることができる。

Ethereumがプルーフ・オブ・ステークになったEthereumのマージ以降、バリデーターは各スロットでランダムに選ばれてブロックプロポーザーとなる。このバリデーターが新しいブロックを作成し、ネットワーク内の他のノードに送信する。同時に、バリデーターの委員会がランダムに選出され、提案されたブロックの妥当性を判断するために投票を行う。

PBSの提案の下では、誰がブロックプロポーザーになるのかについてまだ具体的な答えは出ていないが、プロポーザーが行う必要があるのは最も手数料の高いバンドルを選択することだけであるため、不正を防ぐために単純なMPC（マルチパーティ計算）の中で実行することも可能だろう。

ブロックビルダーとは何か？

ブロックビルダーとは、「exec block body」――トランザクションのリスト――を作成し、それを入札とともにEthereumネットワークに提出するエンティティである。 ブロックプロポーザーは、その中から最も高い入札のexec block bodyを選び、新しいブロックに組み込む。

あるPBSソリューションの提案では、ビルダーには2つのタイプが存在する。

1. プライマリビルダーは、プライマリexec blockを構築できるブロックビルダーであり、自分が構築している対象のpre-stateを見ることができる
2. 補助ビルダーは、補助exec blockを構築できるブロックビルダーであり、自分が構築している対象の状態を知らない

誰がブロックビルダーになれるのか？

現在Ethereumには、ブロックの確定を助けるための委員会が存在しているため、同じ委員会が各ブロック期間ごとのビルダー選定に投票する役割を担う可能性が高い。ネットワークによって投票される、半信頼のビルダー群を用意することも可能だろう。

ブロックビルダーになるために必要なものは何か？

Vitalik Buterinは、プロポーザーは「自分自身のブロックビルダーになることも完全に可能」だが、その必要はないと説明している。プロポーザーへの手数料を支払い、exec block bodyを作成するアルゴリズムを実行できるノードであれば、誰でもビルダーになれる。

Two slot PBSはどのように機能するのか？

Two-slot PBSでは、勝利したexec headerを含めるために各スロットでビーコンブロックが必要となり、これは委員会によってアテステーションされる。ビーコンブロックが存在しない場合、次のスロットが中間ブロックの代わりにビーコンブロックに切り替えられる。

Proposer/Builder SeparationはMEVとどのように関係しているのか？

現在の設計では、マイナーはどのトランザクションをブロックに含めるかを選ぶことで、MEVの大部分を獲得することができる。これにより、他のユーザーをフロントランニングしたり、その他のMEV攻撃を行ったりすることが可能になる。

PBSは、ブロック構築プロセスとブロック提案プロセスを分離することで、この問題を緩和する。ビルダーは支払う意思のある手数料の高さによって選ばれ、プロポーザーは単に最も手数料の高いexec headerを選択するだけになる。

現時点で、PBSは単なる研究上のアイデアにすぎない。Ethereumや他のいかなるブロックチェーンでも使用されていない。

MEVに対する代替ソリューション

MEVコストに対する代替ソリューションとして、リクエスト・フォー・クオート（RFQ）取引所やTWAMM（Time Weighted AMM）設計などが挙げられる。

リクエスト・フォー・クオート取引所は、オフチェーンでの見積もりを用いることで、あるエンティティが被害者のトランザクションの前後に2つのトランザクションを挟み込み、そのスリッページ許容度から利益を得るサンドイッチ攻撃の問題を回避する。RFQ取引所では、クライアントは注文が実行される準備が整うまで市場に注文内容を明かさない。これにより、他のエンティティが被害者のトランザクションの周囲に自分のトランザクションを配置する余地がなくなる。

TWAMMも、トランザクションを遅延実行することでサンドイッチ攻撃を防ぐ。TWAMMでは、注文はまるでブロックとブロックの間に配置されたかのように実行される。これにより、攻撃者は被害者のスリッページ許容度を利用するために複数のブロックをまたぐ必要があり、単に被害者のトランザクションの周囲にトランザクションを含めるよりもリスクが高くなる。

PBSはdanksharding とどのように関係しているのか？

PBSの設計により、その上にdankshardingを実装することが容易になる。Dankshardingは新しいシャーディング設計であり、統合された手数料市場を持ち、一人のプロポーザーがスロットに含まれるすべてのトランザクションとデータを選択する。これはバリデーターに高いシステム要件を課す。PBSは、ビルダーがスロットの内容を選択する権利を入札し、プロポーザーが単に最も入札額の高い有効なヘッダーを選択するという形で使用され得る。

ビルダーとプロポーザーの分離はスケーラビリティにどう役立つのか？

PBSは、ステートレスなバリデーターを可能にすることでスケーラビリティを向上させる。すべてのビルダーが各トランザクションに対するwitnessを含めれば、プロポーザーはデータを処理することなく、最も手数料の高いヘッダーを選択するだけで済む。これにより、バリデーターはブロックチェーンの全履歴を追跡する必要がなくなる。

ビルダーとプロポーザーの分離はセキュリティと分散化をどう守るのか？

PBSは、ブロックプロポーザーがトランザクションを検閲したり順序を操作したりすることをより困難にすることで、セキュリティと分散化を保護する。ブロック構築プロセスをブロック提案プロセスから分離することで、PBSはブロックプロポーザーがどのトランザクションを含めるかを制御することをより困難にする。

なぜブロックプロポーザーが中央集権化しやすいのか？

次のブロックの選択には抽出可能な経済的価値が存在する。この経済的インセンティブのため、マイニングプールやその他の中央集権的なエンティティが台頭し、ブロックプロポーザーの役割を支配する可能性が高い。

PBSにおける検閲上の課題とは何か？

フロントランニング、すなわちあるパーティが他のパーティのトランザクションを利用するために自らのトランザクションを提出する行為は、現在のトランザクション順序付けのアプローチにおける主要な問題である。

十分に大きなアクターが特定のトランザクションを検閲しようとする場合、そのトランザクションに必要な優先手数料を非常に高い額まで引き上げることで、他の誰にとってもそれをブロックに含めることが経済的に成り立たなくなるようにできる。このアクターは、単に高い手数料を支払うことで、どのトランザクションが含まれるかを事実上コントロールすることになる。

PBSは、以下の検閲耐性の要件とともに、このリスクを緩和する必要がある。

サービス拒否（DoS）対策

誰も手数料を支払わず、チェーンを肥大化させるだけのデータは、ブロックに含まれてはならない。例えば、あるトランザクションが残高不足やその他の問題により無効であることが判明した場合でも、プロトコルはそれをブロックに含めたプロポーザーに対して課金しなければならない。

最小限の帯域幅

‍このソリューションは、ネットワーク参加者間で過度なデータのやり取りを必要としてはならない。例えば、冗長なexec block bodyがネットワーク上に多数出回ることは、不必要な帯域幅を消費することになる。

中央集権化の再導入がないこと

‍この提案は、プロポーザーがより高度化し、その結果他のエンティティと関係を結んだりプールに参加したりするインセンティブを与えるものであってはならない。

ステートレスなプロポーザーを可能にすること‍

バリデーターがステートレスなままでいられることが理想的である。それによってネットワークの分散化とスケーラビリティがさらに進むためだ。

Proposer/Builder Separationのまとめ

PBSは、ブロックチェーンの検閲問題とMEV攻撃問題に対する潜在的な解決策であり、現在も研究が進められている。ブロック構築と提案の役割を分離することで、PBSはより分散化された安全なネットワークを実現できる可能性がある。

しかし、ビルダーの中央集権化リスクや帯域幅の使用など、実装前に対処すべき課題が数多く残っている。さらに、リクエスト・フォー・クオート取引所やTWAMM設計といった他の潜在的な解決策も存在する。

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