一、前言

區塊鏈的三難困境

區塊鏈技術因去中心化、不可篡改與透明特性，成為許多領域創新的基礎。然而，區塊鏈在應用的過程中，始終面臨著著名的「區塊鏈三難困境」：去中心化（Decentralization）、安全性（Security）、可擴展性（Scalability）。這三個特性彼此相互牽制，區塊鏈技術很難同時在這三個方面達到最佳狀態。

• 去中心化確保了區塊鏈不依賴單一實體運作，但網絡的去中心化程度可能降低交易效率。
• 安全性是保護網絡免受攻擊的關鍵，但提高安全性通常需要更多的資源投入，甚至影響交易速度
• 可擴展性則關注於提升交易處理速度與容量，然而這往往需要犧牲一定程度的去中心化或安全性。

隨著區塊鏈應用的不斷拓展，如何在三難困境中找到最佳平衡，成為開發者與研究者的核心挑戰。

圖、區塊鏈的三難困境

（資料來源：https://ithelp.ithome.com.tw/m/articles/10297420）

以太坊的 roadmap

以太坊的共同創始人 Vitalik Buterin 將每秒超過 100,000 筆交易設定為以太坊下一階段擴展網絡的目標，他在今年（2024）十月的一篇部落格文章中提到：在區塊鏈技術的早期，以太坊的 roadmap 中提出了兩條主要策略：分片（Sharding） 和 Layer 2 協議。

分片的概念是讓每個節點只需驗證和存儲區塊鏈中一小部分的交易，類似於其他點對點網絡（如 BitTorrent）的運作方式。這種方式旨在減輕節點的負擔，提升整體網絡的可擴展性。

另一方面，Layer 2 協議則是一種構建於以太坊主網之上的擴展方案，讓數據與計算保持在主鏈之外，同時完全繼承以太坊的安全性。

圖、The Surge，2023 年路線圖版

（資料來源：https://vitalik.eth.limo/general/2024/10/17/futures2.html）

2024 年，這一策略取得了重要進展，然而，同時也面臨著挑戰，像是：

• Rollups 需要大量的鏈上數據帶寬，對主鏈資源的依賴依然存在。
• 中心化的序列器引發交易審查和礦工可提取價值（MEV）的濫用問題。
• 在異構 L2 生態系統中，開發者需要應對碎片化和決策困境。

文章中提及，當前的任務是將 Rollup 為中心的路線圖推向成熟，同時保持以太坊 L1 的穩健性與去中心化特性。在此背景下，新的技術概念如 Based Rollup 和 交易預確認（Preconfirmation） 開始嶄露頭角：

• Shared Sequencers：為多條 Layer 2 鏈提供統一的交易排序服務，但其作為第三方運營，存在信任與激勵機制的問題
• Based Rollup：依賴以太坊 L1 進行交易排序，簡化了技術結構並加強了去中心化，但其交易確認速度仍受限於 L1 區塊時間
• 交易預確認（Preconfirmation）：在交易正式確認之前，通過觀察內存池（Mempool）中的數據提供初步確認，顯著縮短了用戶的等待時間，為提升用戶體驗和效率提供了新的可能性

今天的文章將深入探討 Preconfirmation 的技術原理、應用場景以及如何幫助區塊鏈技術在效率與去中心化之間找到更好的平衡。

二、什麼是預確認（Preconfirmation）

預確認的概念

預確認（Preconfirmation）可以理解為交易正式被區塊鏈確認前的一個可靠承諾。這種機制通過提前提供初步的確認訊號，縮短用戶等待的時間，提高交易效率，特別是在交易量大或需要快速反饋的場景中，提供了一種高效的解決方案。

生活中也有不少預確認的場景，像是：

• 當你在餐廳預訂桌子時，餐廳會確認你的預訂，但這僅是一個初步承諾，真正的確認是在你到場後。這就像預確認：它是一種對未來執行的可靠預覽
• 當你在網購平臺上下單時，你的訂單狀態可能會顯示「正在處理」，這意味著商家已經收到你的訂單並預留了庫存，但還需經過後續的付款驗證與發貨。這與區塊鏈的預確認相似：交易已被初步承諾，但最終狀態仍需進一步確認
• 訂購機票後，你的航班座位被暫時保留，這是一種預確認。然而，真正的確認發生在你完成登機手續時。同樣，預確認提供了對未來交易的一個承諾，但還不是最終確認。

比特幣的 0conf 概念

早在區塊鏈技術的初期，比特幣社區便提出了類似的想法，「0conf」（零確認）是一種簡單但有效的策略，允許在交易完全被區塊鏈確認前暫時視為有效。這種方法尤其適用於需要快速交易處理的場景，比如支付。然而，由於比特幣的交易可能面臨雙花攻擊（double-spending）的風險，0conf 並未成為主流方案。

以太坊的鏈式預確認

2023 年，Uri Klarman 將預確認的想法擴展至以太坊，引入了「鏈式預確認」的概念，其核心是讓未來的預確認者繼承之前的預確認記錄，形成一個連續的預確認鏈條，增強交易的可靠性。

同年，Primev 團隊進一步深化了預確認的應用，設計了專門用於協調礦工可提取價值（MEV）的平臺 mev-commit，結合競價機制，讓交易的預確認更高效且可依賴。

預確認旨在解決哪些問題？

在區塊鏈技術，尤其是 Rollup 系統中，交易確認過程中的效率不高一直是用戶體驗的重要痛點。當用戶在 Layer 2 提交交易後，交易的最終確認依賴於將數據回傳至 Layer 1，這導致了一系列問題，特別是在高頻交易或去中心化金融（DeFi）場景中表現尤為明顯，像是：

• 交易延遲與確認不確定性
  在 Rollup 機制中，用戶交易的最終確認需要等待 L1 的區塊生成，這過程可能因網絡擁堵或交易排序而被延誤。以 Optimistic Rollup 為例，其挑戰窗口期通常需要 7 天來防止欺詐交易，導致資金提取延遲，降低了流動性。而 ZK Rollup 雖然能更快完成確認，但零知識證明的生成過程需要消耗大量計算資源。

• 高頻交易的損失
  DeFi 和套利用戶通常需要依賴交易的即時性來抓住市場機會，但當交易最終確認時間過長或順序發生變化時，用戶可能遭受財務損失。

• 中心化序列器的可信性問題
  大多數 Rollup 依賴中心化的序列器負責交易排序，這種設計帶來潛在的交易審查風險，並可能因礦工可提取價值（MEV）問題影響交易公平性。

預確認的解決方案

預確認通過在交易正式上鍊前提供初步確認，針對上述問題提出瞭解決方案：

• 縮短用戶等待時間：即時回傳交易狀態，減少交易延遲帶來的不確定性
• 增強用戶信心：讓用戶更清楚交易的處理進度，提升用戶對該鏈的信任
• 提高交易排序透明度：提前承諾交易順序，降低因順序變化導致的財務損失

三、預確認與傳統機制的差異

基本概念與運作方式

• 傳統確認機制：

  • 交易首先被提交到內存池（Mempool），等待礦工將其打包到下一個區塊。該區塊經由共識機制（常見的如 PoW 或 PoS）確定後，交易才會被視為正式確認，需要等待至少一個區塊的生成時間。

• 預確認：

  • 在交易進入內存池後，基於交易的 Gas 費用、優先級、網絡條件等因素，對其是否可能被納入下一個區塊進行預測。用戶在數秒內可收到初步的交易確認訊號，而無需等待完整的區塊生成流程
  • 可使用 L2 系統的中心化序列器提供承諾（例如，Rollups）或使用鏈式預確認，提升可靠性。

確認速度

• 傳統確認機制：
  交易確認需要等待區塊生成和多重確認（當一筆交易被納入區塊後，這個區塊會成為區塊鏈的一部分，隨著更多的後續區塊連接到該區塊後，它的確認數增加，交易被認可的程度也逐步提高）的過程，這會因網絡擁堵或共識延遲而變慢。
• 預確認：
  預確認極大縮短了交易等待時間，通常在交易被提交到內存池的數秒內即可提供初步確認訊號，使其更適合即時性需求場景（如高頻交易、DeFi 套利等）。

確認可靠性

• 傳統確認機制：

  • 高可靠性：一旦交易被多重確認，基本不可逆且不可篡改，對安全性要求高的應用場景尤為適合。
  • 最終性保障：交易確認依賴於區塊鏈的共識機制，達到一定確認數後幾乎無法被撤銷。

• 預確認：

  • 初步承諾：提供的是「『可能』會被納入下一個區塊」的預測，而非最終的不可逆性。
  • 撤銷風險：如果網絡條件或序列器發生變化，交易可能仍被取消或排序發生改變，因此適用於對即時性要求高、但最終性要求相對較低的場景。

技術與實現成本

• 傳統確認機制：

  • 依賴於區塊鏈的共識機制

• 預確認：

  • 需要高度依賴內存池數據分析、交易排序算法，以及可信序列器等技術。
  • 需要考慮預確認失效時的補救措施。

表、傳統機制和預確認之比較
（資料來源：自行繪製）

四、預確認案例解析

提升效率與去中心化的 Taiko 預確認機制

Taiko 是一個基於以太坊的去中心化 ZK-EVM Rollup 項目，其設計核心在於實現完全與以太坊兼容的擴展性，並預確認機制和去中心化提案者系統解決交易效率與公平性問題。

圖、Taiko 官網
（資料來源：https://taiko.xyz/）

Taiko 主要特點

• 無縫用戶體驗：Taiko 的 EVM 基於以太坊，無需重新編譯或更改開發工具，開發者可以直接使用現有的以太坊智能合約和工具。
• 社區導向：Taiko 的開發完全開源，允許社群自由使用和修改其源代碼，促進去中心化和社區參與。
• 安全為先：Taiko 作為基於以太坊的 Rollup，擁有無許可和去中心化的提議者/證明者網絡，繼承了以太坊的安全性和去中心化特性。
• 基於以太坊的排序：Taiko 採用基於以太坊的交易排序機制，由以太坊驗證者進行交易排序，確保簡單性並繼承以太坊的活性和可信中立性

Taiko 的預確認機制

Taiko 的 Based Sequencing 機制允許以太坊驗證者直接參與 L2 的交易排序，驗證者可以使用 Taiko 的橋接服務將 ETH 橋接到 Taiko 網絡，以提供即時的預確認，增強交易的即時性和用戶體驗，同時保持去中心化和安全性。

基於競爭的 Rollup 模型

Taiko 採用了「基於競爭的 Rollup（Based Contestable Rollup, BCR）」，旨在通過開放與無需許可的設計實現系統的公平與透明性：

• 任何人都可以參與 Taiko 系統，無需特殊權限，具備高度去中心化
• 提案者之間通過競爭獲得最大化可提取價值（MEV）和其他經濟獎勵，並承擔操作責任，提升系統效率與穩定性
• Taiko 的定序器與以太坊的區塊提案者共享相同的角色，Taiko 的運行完全依賴以太坊的基礎架構，無需中心化序列器
• Taiko 引入領導者選舉機制：在任何特定時間，只有一名提案者被選為領導者，擁有唯一的權利完成區塊生成，避免資源浪費和衝突

注：目前，Taiko 使用 SGX 作為可信執行環境證明，使用 RiscZero 和 SP1作為零知識證明，及由 Taiko Labs 的 Guardian（多簽名）證明。詳情可參閱其技術文件（https://docs.taiko.xyz/start-here/getting-started）

Taiko 的 Based Contestable Rollup 流程示例

流程概述：

1. 區塊提議：提議者提交新的區塊
2. 初級（原始）證明提交：一級證明者（如使用 SGX 的可信執行環境）提交區塊的有效性證明，並提供 TAIKO 保證金
3. 冷卻期與質疑：在約 4 小時的冷卻期內，任何人都可以提交自己的保證金，對該證明提出質疑（圖中的 Cindy）
4. 高級證明驗證：高級證明者（如使用零知識證明的 RiscZero 或 Succinct）驗證初級證明的正確性。
5. 結果與獎懲：
   • 初級證明正確：初級證明者取回保證金並獲得獎勵，質疑者損失其保證金。
   • 初級證明錯誤：質疑者取回保證金並獲得獎勵，初級證明者損失其保證金。

這種多層次的證明機制允許任何人對各級證明進行質疑，增強了系統的安全性和去中心化特性。

圖、Taiko 的 Contestable Rollup 流程示例
（資料來源：https://docs.taiko.xyz/core-concepts/contestable-rollup/）

五、結論

預確認（Preconfirmation）技術正成為解決區塊鏈交易效率和用戶體驗痛點的解決方案。傳統的交易確認機制雖提供了高度的安全性和可靠性，但因為延遲時間長、效率低，無法滿足高頻交易和即時性需求場景（例如：支付）的需求。預確認則以其快速反饋和初步承諾的方式，彌補了傳統機制的不足，為用戶提供了更即時、更透明的交易體驗。

以 Taiko 項目為例，其透過結合基於競爭的 Rollup 模型，實現了去中心化與高效性的協作。另外，Taiko 的多層證明結構和領導者選舉機制，更是通過經濟激勵和透明競爭的方式，確保了系統的公平性與安全性，成為未來區塊鏈擴展設計的重要參考。

然而，預確認並非萬能解決方案，其初步確認的可靠性和撤銷風險仍需進一步的技術優化與補救機制。更多創新技術需進一步完善交易體驗，以推動區塊鏈技術在去中心化、安全性和可擴展性三難困境中的平衡。

預確認不僅僅是一項技術革新，更是一種提升用戶信任感和促進區塊鏈普及的工具。未來，隨著預確認的應用範圍逐步擴大，從高頻交易到日常支付，區塊鏈技術將變得更加貼近生活，實現普惠全球的願景。