为何无法实现绝对公平的加密交易排序

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当区块链共识遭遇公平性困境：交易排序如何影响价值捕获

如今的区块链在讨论共识时，通常只关注两个特性：节点必须就同一历史状态达成一致（一致性），系统必须持续处理交易（活性）。但这种框架遗漏了一个关键问题——用户最终关心的不仅是交易能否被确认，更在于当多方提交可能产生经济互动的交易时，这些交易的相对排序是否具有有意义的公平性。

一项新的研究正试图将“交易排序公平性”正式化，并探索在现实网络约束条件下可以实现何种程度的公平。核心结论是：在异步分布式系统中，即使不考虑恶意参与者，完美的“先到先处理”排序在数学上也是不可能实现的。实际问题变成了如何在保持活性的同时尽可能接近公平，并最大限度减少恶意提取行为的机会。

关键结论

完美的接收顺序公平性（“先看到，先执行”）在公共网络上无法保证，因为消息到达时间不同，且没有共享时钟。即使每个节点都有清晰的本地到达顺序，群体偏好也可能相互冲突——这体现为孔多塞悖论——使得单一的线性顺序无法满足所有偏好。哈希图的公平性模型采用带有中位数时间戳的事件有向无环图（DAG），在尊重因果关联的同时，限制了恶意方可以偏移排序的程度。基于批量排序公平性（BOF）的协议（源自Aequitas/Themis系列工作）通过从孔多塞循环中推导出交易“批次”来放宽公平性要求，从而提供更强的活性保证。

为什么“公平排序”比听起来更难

在公共区块链中，排序不仅仅是一个实现细节——它可以决定谁捕获价值、谁付出代价。当区块构建者或排序器等特权角色决定执行顺序时，他们可能通过抢先交易、尾随交易或夹层交易等策略滥用这一权力。关于最大可提取价值（MEV）的研究指出，这直接源于谁能够影响排序。

为了应对这一问题，一些方案将交易排序公平性视为除一致性和活性之外的第三个共识目标。基本思路是限制区块生产者偏离网络条件和协议规则所隐含的排序的能力——使执行更加可预测，更不易受到系统性利用。

但最直观的公平性概念遇到了结构性限制。在异步分布式系统中，不存在全局定义的接收顺序，因为不同节点在不同时间观察到交易消息。没有共享时钟，且存在任意消息延迟，任何协议都无法确保每个节点的“到达顺序”完美映射到单一的网络范围执行顺序。

孔多塞悖论：为何多数“先到”会形成循环

最严格的公平性形式通常被称为接收顺序公平性（ROF）：如果大多数节点先收到交易A再收到交易B，那么A应该先于B被处理。ROF听起来简单直接，但网络现实破坏了它。节点以不同速度接收消息，因此不同节点可以合法地观察到不同的成对“先到”关系。即使每个节点的本地观察是一致的，集体观察仍可能变得不一致。

这就是孔多塞悖论从投票理论中引入的地方，它清晰地适用于分布式排序。即使每个参与者对两个项目中哪个先到有内部偏好，跨多个项目的多数偏好仍可能形成循环：大多数节点看到A在B之前，大多数节点看到B在C之前，大多数节点看到C在A之前。当这种情况发生时，不存在能够满足所有成对多数偏好的单一线性顺序。这对区块链共识的直接影响是：如果公平性以过于严格的多数“先看到”比较来定义，协议可能无法产生任何符合所有成对多数观点的排序。由于这种不可能性，追求“公平性”的系统必须采用更弱但更可实现的安全保证。

哈希图的方案：DAG因果关联加上中位数时间戳

Hedera的哈希图算法通过一种无领导者、事件驱动的模型来处理交易排序公平性。根据所描述的模型，交易被转换为有向无环图（DAG）中加密链接的事件。共识排序源自节点集体观察并签署这些事件的方式，而非由单个提议者单方面选择顺序。

在操作上，当一个节点收到交易时，它会创建一个事件并将其传播给对等节点。后续事件记录它们之前观察到的事件的哈希值，节点对结果进行数字签名。这创建了一个可证明的因果结构：如果一个事件是另一个事件的祖先（直接或间接），协议提供关于某个节点先创建了哪个事件的加密保证。

排序逻辑随后区分具有因果关联的事件和并发事件。通过DAG祖先关系连接的事件按其因果依赖关系排序。对于并发事件（没有祖先关系的事件），协议使用“收到轮次”概念解决相对排序，然后使用中位数时间戳进行细化。中位数时间戳源自一组节点报告的本地接收时间，但受哈希图祖先关系的约束。这种约束很重要：节点不能声称在因果前驱之前观察到事件而不在DAG中产生可检测的不一致。在拜占庭容错中使用的标准假设下——少于三分之一的节点是拜占庭节点——中位数时间戳应保持在诚实时间报告的有限范围内，限制了对手任意偏移排序的能力。

然而，哈希图的公平性并非无限。研究强调公平性受限于一个对手“表面”，即节点仍然可以影响其传播行为：它先中继哪些事件，以及是否延迟中继。虽然DAG不能伪造虚假的因果历史，但策略性传播模式可以重塑最终输入到中位数时间戳计算中的信息。对于并发事件，也存在孔多塞悖论的风险。DAG消除了因果关联事件的不确定性，因为祖先关系在创建时就已固定。但并发事件仍可能被不同节点以不同顺序观察到，留下一些排序张力，然后由协议的轮次和中位数机制处理。

BOF协议：通过折叠孔多塞循环实现公平

另一类工作以不同方式定义公平性——明确地拥抱循环。BOF（基于批次的排序公平性）协议将“区块”定义为形成孔多塞循环的交易集合，然后在这些区块如何关联的层面强制公平性，同时允许每个区块内部任意排序。在描述的BOF公式中，公平性由参数γ控制：如果足够比例的γ节点观察到区块b在区块b'之前，那么诚实节点不能将b输出在b'之后。当公平性约束引发循环关系时，协议将强连通分量（SCC）折叠为单个批次/区块，因为没有线性顺序可以同时满足所有有向约束。

一个关键的实际点是，这种方法放宽了严格的ROF要求。当循环发生时，内部排序与公平性保证无关，因为协议将整个循环参与视为批次级别的原子操作。研究描述指出，确定性规则（如基于哈希的规则）随后可能对批次内的交易进行排序，但公平性标准并未试图使这些内部顺序对应于任何全局的先看到偏好。Aequitas协议系列被描述为具有较弱的活性：其严格的公平性约束要求等待完整的孔多塞循环，如果循环可以无限延续，最终确认延迟可能无限增长——造成“冻结”风险。

Themis被介绍为一种旨在保持γ-BOF同时改善活性的改进方案。所描述的Themis还构建了一个依赖图并在“公平最终确定”阶段折叠SCC，但它避免了等待完整循环闭合。相反，它使用延迟排序和“批次展开”，以便在新交易持续流入时逐步输出SCC。结果显示，它将Aequitas的弱活性升级为具有延迟边界的标准活性。Themis还解决了通信扩展问题。在其基本形式中，参与者与大多数其他节点交换消息，导致通信量大致与网络规模的平方成正比。一个优化变体SNARK-Themis用简洁的加密证明取代了大部分直接交换，因此验证可以随着节点数量增加而更有效地扩展。

最后，协议设计包括一种防止拒绝式操纵的机制。如果恶意提议者试图通过提议空区块来利用系统，Themis的延迟排序会接受部分排序的批次，并将精确的最终确定留给后续的诚实提议者，基于可验证的交易关系而非当前提议者的自由裁量选择。这被描述为一种将最终确定与有界网络延迟而非任意提议者行为联系起来的方式。

下一步关注什么

这些方法面临的核心未决问题是如何在公平性保证与运营成本之间取得平衡——特别是复杂性、通信开销以及并发性的实际处理。随着更多共识设计纳入正式的排序公平性思想，投资者和构建者应关注那些在实际网络条件下展示有界延迟、同时保持对恶意重新排序具有鲁棒性的实现。