一、前言

区块链的三难困境

区块链技术因去中心化、不可篡改与透明特性，成为许多领域创新的基础。然而，区块链在应用的过程中，始终面临着著名的「区块链三难困境」：去中心化（Decentralization）、安全性（Security）、可扩展性（Scalability）。这三个特性彼此相互牵制，区块链技术很难同时在这三个方面达到最佳状态。

• 去中心化确保了区块链不依赖单一实体运作，但网络的去中心化程度可能降低交易效率。
• 安全性是保护网络免受攻击的关键，但提高安全性通常需要更多的资源投入，甚至影响交易速度
• 可扩展性则关注于提升交易处理速度与容量，然而这往往需要牺牲一定程度的去中心化或安全性。

随着区块链应用的不断拓展，如何在三难困境中找到最佳平衡，成为开发者与研究者的核心挑战。

图、区块链的三难困境

（资料来源：https://ithelp.ithome.com.tw/m/articles/10297420）

以太坊的 roadmap

以太坊的共同创始人 Vitalik Buterin 将每秒超过 100,000 笔交易设定为以太坊下一阶段扩展网络的目标，他在今年（2024）十月的一篇部落格文章中提到：在区块链技术的早期，以太坊的 roadmap 中提出了两条主要策略：分片（Sharding） 和 Layer 2 协议。

分片的概念是让每个节点只需验证和存储区块链中一小部分的交易，类似于其他点对点网络（如 BitTorrent）的运作方式。这种方式旨在减轻节点的负担，提升整体网络的可扩展性。

另一方面，Layer 2 协议则是一种构建于以太坊主网之上的扩展方案，让数据与计算保持在主链之外，同时完全继承以太坊的安全性。

图、The Surge，2023 年路线图版

（资料来源：https://vitalik.eth.limo/general/2024/10/17/futures2.html）

2024 年，这一策略取得了重要进展，然而，同时也面临着挑战，像是：

• Rollups 需要大量的链上数据带宽，对主链资源的依赖依然存在。
• 中心化的序列器引发交易审查和矿工可提取价值（MEV）的滥用问题。
• 在异构 L2 生态系统中，开发者需要应对碎片化和决策困境。

文章中提及，当前的任务是将 Rollup 为中心的路线图推向成熟，同时保持以太坊 L1 的稳健性与去中心化特性。在此背景下，新的技术概念如 Based Rollup 和 交易预确认（Preconfirmation） 开始崭露头角：

• Shared Sequencers：为多条 Layer 2 链提供统一的交易排序服务，但其作为第三方运营，存在信任与激励机制的问题
• Based Rollup：依赖以太坊 L1 进行交易排序，简化了技术结构并加强了去中心化，但其交易确认速度仍受限于 L1 区块时间
• 交易预确认（Preconfirmation）：在交易正式确认之前，通过观察内存池（Mempool）中的数据提供初步确认，显著缩短了用户的等待时间，为提升用户体验和效率提供了新的可能性

今天的文章将深入探讨 Preconfirmation 的技术原理、应用场景以及如何帮助区块链技术在效率与去中心化之间找到更好的平衡。

二、什么是预确认（Preconfirmation）

预确认的概念

预确认（Preconfirmation）可以理解为交易正式被区块链确认前的一个可靠承诺。这种机制通过提前提供初步的确认讯号，缩短用户等待的时间，提高交易效率，特别是在交易量大或需要快速反馈的场景中，提供了一种高效的解决方案。

生活中也有不少预确认的场景，像是：

• 当你在餐厅预订桌子时，餐厅会确认你的预订，但这仅是一个初步承诺，真正的确认是在你到场后。这就像预确认：它是一种对未来执行的可靠预览
• 当你在网购平台上下单时，你的订单状态可能会显示「正在处理」，这意味着商家已经收到你的订单并预留了库存，但还需经过后续的付款验证与发货。这与区块链的预确认相似：交易已被初步承诺，但最终状态仍需进一步确认
• 订购机票后，你的航班座位被暂时保留，这是一种预确认。然而，真正的确认发生在你完成登机手续时。同样，预确认提供了对未来交易的一个承诺，但还不是最终确认。

比特币的 0conf 概念

早在区块链技术的初期，比特币社区便提出了类似的想法，「0conf」（零确认）是一种简单但有效的策略，允许在交易完全被区块链确认前暂时视为有效。这种方法尤其适用于需要快速交易处理的场景，比如支付。然而，由于比特币的交易可能面临双花攻击（double-spending）的风险，0conf 并未成为主流方案。

以太坊的链式预确认

2023 年，Uri Klarman 将预确认的想法扩展至以太坊，引入了「链式预确认」的概念，其核心是让未来的预确认者继承之前的预确认记录，形成一个连续的预确认链条，增强交易的可靠性。

同年，Primev 团队进一步深化了预确认的应用，设计了专门用于协调矿工可提取价值（MEV）的平台 mev-commit，结合竞价机制，让交易的预确认更高效且可依赖。

预确认旨在解决哪些问题？

在区块链技术，尤其是 Rollup 系统中，交易确认过程中的效率不高一直是用户体验的重要痛点。当用户在 Layer 2 提交交易后，交易的最终确认依赖于将数据回传至 Layer 1，这导致了一系列问题，特别是在高频交易或去中心化金融（DeFi）场景中表现尤为明显，像是：

• 交易延迟与确认不确定性
  在 Rollup 机制中，用户交易的最终确认需要等待 L1 的区块生成，这过程可能因网络拥堵或交易排序而被延误。以 Optimistic Rollup 为例，其挑战窗口期通常需要 7 天来防止欺诈交易，导致资金提取延迟，降低了流动性。而 ZK Rollup 虽然能更快完成确认，但零知识证明的生成过程需要消耗大量计算资源。

• 高频交易的损失
  DeFi 和套利用户通常需要依赖交易的即时性来抓住市场机会，但当交易最终确认时间过长或顺序发生变化时，用户可能遭受财务损失。

• 中心化序列器的可信性问题
  大多数 Rollup 依赖中心化的序列器负责交易排序，这种设计带来潜在的交易审查风险，并可能因矿工可提取价值（MEV）问题影响交易公平性。

预确认的解决方案

预确认通过在交易正式上链前提供初步确认，针对上述问题提出了解决方案：

• 缩短用户等待时间：即时回传交易状态，减少交易延迟带来的不确定性
• 增强用户信心：让用户更清楚交易的处理进度，提升用户对该链的信任
• 提高交易排序透明度：提前承诺交易顺序，降低因顺序变化导致的财务损失

三、预确认与传统机制的差异

基本概念与运作方式

• 传统确认机制：

  • 交易首先被提交到内存池（Mempool），等待矿工将其打包到下一个区块。该区块经由共识机制（常见的如 PoW 或 PoS）确定后，交易才会被视为正式确认，需要等待至少一个区块的生成时间。

• 预确认：

  • 在交易进入内存池后，基于交易的 Gas 费用、优先级、网络条件等因素，对其是否可能被纳入下一个区块进行预测。用户在数秒内可收到初步的交易确认讯号，而无需等待完整的区块生成流程
  • 可使用 L2 系统的中心化序列器提供承诺（例如，Rollups）或使用链式预确认，提升可靠性。

确认速度

• 传统确认机制：
  交易确认需要等待区块生成和多重确认（当一笔交易被纳入区块后，这个区块会成为区块链的一部分，随着更多的后续区块连接到该区块后，它的确认数增加，交易被认可的程度也逐步提高）的过程，这会因网络拥堵或共识延迟而变慢。
• 预确认：
  预确认极大缩短了交易等待时间，通常在交易被提交到内存池的数秒内即可提供初步确认讯号，使其更适合即时性需求场景（如高频交易、DeFi 套利等）。

确认可靠性

• 传统确认机制：

  • 高可靠性：一旦交易被多重确认，基本不可逆且不可篡改，对安全性要求高的应用场景尤为适合。
  • 最终性保障：交易确认依赖于区块链的共识机制，达到一定确认数后几乎无法被撤销。

• 预确认：

  • 初步承诺：提供的是「『可能』会被纳入下一个区块」的预测，而非最终的不可逆性。
  • 撤销风险：如果网络条件或序列器发生变化，交易可能仍被取消或排序发生改变，因此适用于对即时性要求高、但最终性要求相对较低的场景。

技术与实现成本

• 传统确认机制：

  • 依赖于区块链的共识机制

• 预确认：

  • 需要高度依赖内存池数据分析、交易排序算法，以及可信序列器等技术。
  • 需要考虑预确认失效时的补救措施。

表、传统机制和预确认之比较
（资料来源：自行绘制）

四、预确认案例解析

提升效率与去中心化的 Taiko 预确认机制

Taiko 是一个基于以太坊的去中心化 ZK-EVM Rollup 项目，其设计核心在于实现完全与以太坊兼容的扩展性，并预确认机制和去中心化提案者系统解决交易效率与公平性问题。

图、Taiko 官网
（资料来源：https://taiko.xyz/）

Taiko 主要特点

• 无缝用户体验：Taiko 的 EVM 基于以太坊，无需重新编译或更改开发工具，开发者可以直接使用现有的以太坊智能合约和工具。
• 社区导向：Taiko 的开发完全开源，允许社群自由使用和修改其源代码，促进去中心化和社区参与。
• 安全为先：Taiko 作为基于以太坊的 Rollup，拥有无许可和去中心化的提议者/证明者网络，继承了以太坊的安全性和去中心化特性。
• 基于以太坊的排序：Taiko 采用基于以太坊的交易排序机制，由以太坊验证者进行交易排序，确保简单性并继承以太坊的活性和可信中立性

Taiko 的预确认机制

Taiko 的 Based Sequencing 机制允许以太坊验证者直接参与 L2 的交易排序，验证者可以使用 Taiko 的桥接服务将 ETH 桥接到 Taiko 网络，以提供即时的预确认，增强交易的即时性和用户体验，同时保持去中心化和安全性。

基于竞争的 Rollup 模型

Taiko 采用了「基于竞争的 Rollup（Based Contestable Rollup, BCR）」，旨在通过开放与无需许可的设计实现系统的公平与透明性：

• 任何人都可以参与 Taiko 系统，无需特殊权限，具备高度去中心化
• 提案者之间通过竞争获得最大化可提取价值（MEV）和其他经济奖励，并承担操作责任，提升系统效率与稳定性
• Taiko 的定序器与以太坊的区块提案者共享相同的角色，Taiko 的运行完全依赖以太坊的基础架构，无需中心化序列器
• Taiko 引入领导者选举机制：在任何特定时间，只有一名提案者被选为领导者，拥有唯一的权利完成区块生成，避免资源浪费和冲突

注：目前，Taiko 使用 SGX 作为可信执行环境证明，使用 RiscZero 和 SP1作为零知识证明，及由 Taiko Labs 的 Guardian（多签名）证明。详情可参阅其技术文件（https://docs.taiko.xyz/start-here/getting-started）

Taiko 的 Based Contestable Rollup 流程示例

流程概述：

1. 区块提议：提议者提交新的区块
2. 初级（原始）证明提交：一级证明者（如使用 SGX 的可信执行环境）提交区块的有效性证明，并提供 TAIKO 保证金
3. 冷却期与质疑：在约 4 小时的冷却期内，任何人都可以提交自己的保证金，对该证明提出质疑（图中的 Cindy）
4. 高级证明验证：高级证明者（如使用零知识证明的 RiscZero 或 Succinct）验证初级证明的正确性。
5. 结果与奖惩：
   • 初级证明正确：初级证明者取回保证金并获得奖励，质疑者损失其保证金。
   • 初级证明错误：质疑者取回保证金并获得奖励，初级证明者损失其保证金。

这种多层次的证明机制允许任何人对各级证明进行质疑，增强了系统的安全性和去中心化特性。

图、Taiko 的 Contestable Rollup 流程示例
（资料来源：https://docs.taiko.xyz/core-concepts/contestable-rollup/）

五、结论

预确认（Preconfirmation）技术正成为解决区块链交易效率和用户体验痛点的解决方案。传统的交易确认机制虽提供了高度的安全性和可靠性，但因为延迟时间长、效率低，无法满足高频交易和即时性需求场景（例如：支付）的需求。预确认则以其快速反馈和初步承诺的方式，弥补了传统机制的不足，为用户提供了更即时、更透明的交易体验。

以 Taiko 项目为例，其透过结合基于竞争的 Rollup 模型，实现了去中心化与高效性的协作。另外，Taiko 的多层证明结构和领导者选举机制，更是通过经济激励和透明竞争的方式，确保了系统的公平性与安全性，成为未来区块链扩展设计的重要参考。

然而，预确认并非万能解决方案，其初步确认的可靠性和撤销风险仍需进一步的技术优化与补救机制。更多创新技术需进一步完善交易体验，以推动区块链技术在去中心化、安全性和可扩展性三难困境中的平衡。

预确认不仅仅是一项技术革新，更是一种提升用户信任感和促进区块链普及的工具。未来，随着预确认的应用范围逐步扩大，从高频交易到日常支付，区块链技术将变得更加贴近生活，实现普惠全球的愿景。