以太坊区块空间、黑暗森林和 MEV，以及未来的新趋势！

作者：Georgios Konstantopoulos & Leo Zhang

编辑：南风

“一个可以自由运作的市场就像一个可以自由转动的轮子：它需要一个轴和润滑良好的轴承。如何提供这种轴并保持轴承良好的润滑是市场设计的重点。”

—诺贝尔奖得主 Alvin E. Roth

01

区块空间市场概述

区块空间 (blockspace) 是为所有加密货币网络提供动力的商品。在区块空间市场中，矿工是生产者，矿池是拍卖商，用户是竞标者。区块空间市场的影响是如此普遍，几乎触及了加密货币生态系统的每个方面。 我们知道，在区块链网络中，用户发起交易后，交易将以点对点 (P2P) 的方式在每个节点的内存池中广播。每笔交易都附有一笔交易费 (fee)。这笔交易费表明了交易者购买区块空间的意愿，从而使自己的交易被 (矿工) 处理并打包进一个区块中。 每时每刻，都会存在无数个由矿工提议的区块处于“薛定谔的状态”之中，也即介于「未确认」和「已确认」的状态之间。这些区块竞相寻找第一个满足难度目标值的哈希输出。每个被提议的区块都有成为区块链上的下一个区块的概率。通过每秒数十亿次的计算，矿工们将瓦解这一概率波，形成区块链账本的历史记录。 由于每个区块的大小是有上限的，也即在给定的时间内可以被打包进入其中的交易数量是有限的，因此这给予了区块空间一个隐式的时间价值。如果某笔交易长时间未被确认，则可能会受到市场 (价格) 波动性的影响，或者被套利机器人抢先交易。用户为使自己的交易被确认而支付的交易费 (fee)，反映了他们竞标区块空间的意愿。区块空间市场将矿工和用户连接在一起。 

从表面上看，区块空间市场看起来复杂而混乱，因为它缺乏中央协调。它依赖于详细的规则、程序以及供需的融合来进行自我调整。我们如何知道当前的市场设计是否最优化？可以通过诺贝尔奖得主 Alvin E. Roth 窥见一二。

Alvin E. Roth 被认为是市场设计领域的先驱。在其开创性著作《Who Gets What - and Why》中，他指出，为了正常运转，市场至少需要做三件事：

1. 市场深度：有足够数量的潜在买家和卖家进行互动。在区块空间市场中，供应商 (矿工) 受到区块奖励的激励来提供哈希率 (算力)；另一方面，随着越来越多的人 (用户) 使用网络进行交易，对区块空间的需求也在增加。
2. 安全性：市场参与者必须有安全感，才能披露他们可能持有的机密信息，或者根据这些信息行事。由于链上交易的透明性，提交密封报价的交易用户可能并不总能得到他们想要的结果 (也即交易用户之间无法知晓彼此的交易费出价，往往出价高的交易先被矿工确认)。此外，交易需要高度的结算保证，也就是说，应该有足够的算力使区块重组变得成本高昂。
3. 克服拥堵问题：交易应该及时完成或取消。当市场不能有效地处理交易量带来的拥堵时，参与者 (用户) 的交易确认可能遭遇很大延迟。正如由于最近以太坊 Dapps (去中心化应用) 大受欢迎，交易拥堵导致了 Gas 价格的飙升。

在比特币和以太坊的历史上，如何优化区块空间市场结构的设计常常会引发许多激烈的争论。在下面的章节中，我们将从供应侧 (矿工) 和需求侧 (用户) 的角度阐述以太坊区块空间市场的结构。我们将查看当前的区块空间市场设计是否提供了深度，缓解了拥堵，或者参与其中是否安全和简单。之后，我们将讨论一些优化区块空间市场结构的热门提议，以及区块空间市场在未来可能会如何发展。

1. 供应侧：以太坊挖矿的结构

整个挖矿行业的最终目的是为一种商品，也即区块空间，提供一个去中心化的透明清算所。

这项任务决不是微不足道的。在一个没有中央权威协调者且全天候全球运行的分布式区块链系统中，区块空间以匿名的方式拍卖，矿工需要为区块空间提供强大的结算保证，通过在硬件和能源上投入大量资金来进行大量计算，以确保区块链网络的安全。

尽管人们普遍担心算力过于集中化 (比如引发所谓的51%算力攻击)，但挖矿行业并不是一个单一的有机体。区块空间市场的波动对各个参与方的影响程度不同；且每个矿工都受到地点、矿机类型、温度、维护和挖矿策略等因素的严重影响。

比特币和以太坊挖矿有着截然不同的市场结构：比特币和一些 PoW 币几乎完全迁移到了 ASIC 挖矿时代。另一方面，尽管以太坊是第二大市值，但以太坊挖矿领域几乎没有 ASIC 挖矿的存在，虽然每隔一段时间就会出现新的 ASIC 制造商的传言，但据估计，目前大约 80-90% 的以太坊算力是由 GUP 挖矿主导。

那么从结构上来说，主要由 GPUs 挖矿组成的区块空间供应商市场，与主要由 ASICs 挖矿组成的区块空间市场有何不同呢？

GPU 挖矿始于 NVIDIA (英伟达) 和 AMD。它们要么直接销售独立的显卡，要么批发 GPU 芯片和内存给下游显卡制造商。这些制造商转而删除与挖矿无关的功能，因此被称为“挖矿显卡”。有很多白标定制挖矿卡的品牌。

 

相比 ASIC 市场，GPU 市场的原始设备制造商的数量要多得多。因此，以太坊的算力构成比典型的 ASICs 网络 (比如比特币网络) 更加多样化。这也给矿机分销商垄断渠道带来了挑战。GPU 矿工有更多的选择，因为他们不必等待 Bitmain (比特大陆)、Whatsminer 等 ASIC 制造商来解决设备供应链限制。

这意味着，GPUs 的供应通常不像使用高级后端流程的 ASICs 那样存在瓶颈。此外，GPU 矿工并不依赖于任何特定的区块链网络 (可以在不同的 PoW 区块链网络间切换着挖矿)，从事投机性挖矿的矿工几乎只使用 GPU 矿机。而且，消费类 GPU 显卡在其他计算领域也很有价值，比如游戏、数据中心和人工智能工作。总的来说，GPU 矿工在他们的硬件选择方面有更高的灵活性。

结构决定特性。硬件构成决定了挖矿行业的资本支出和能源消耗。这两个因素是计算挖矿成本的关键因素，而挖矿成本对挖矿生态系统的其他部分产生了连锁效应：从设备的制造、分销、托管设施、Gas 成本的波动、对 EIPs (以太坊改进提案) 的偏好，到挖矿周期的特征。

根据比特币价格和网络算力之间的相对变化率，下图展示了比特币挖矿周期的四个典型阶段 (这个周期会循环发生)：(1) The Rising Bull (上升阶段) → (2) Mining Goldrush (挖矿淘金热阶段) → (3) Inventory Flush (矿机减产，清理库存) → (4) Shakeout (重大改组) → 重复 (1) The Rising Bull (上升阶段) → ......

上图：比特币的价格 (红色曲线) 和比特币网络的算力 (绿色曲线) 的历史变化情况，以及比特币网络挖矿周期的循环。由于挖矿硬件固有的流动性不足，网络算力的变化往往滞后于价格变化。“硬件反应时间”是由各种外部因素决定的，如制造商的供应链限制、代工晶圆积压、设备性能，甚至运输物流。 随着市场正全速进入疯狂的牛市趋势，这种滞后在今年尤其明显。矿工和投资者争相订购新机器；而另一方面，矿机制造商刚刚从 COVID-19 疫情期间的供应链中断中恢复过来，全球集成电路短缺迫使所有需要半导体 (芯片) 的行业——挖矿、汽车、消费电子产品等——都在排着长队等待晶圆分配。 此外，NVIDIA (英伟达) 最近宣布，他们将人为削弱其最新显卡运行 Ethash (PoW 挖矿算法) 性能，以阻止矿工买下其所有 GPU 库存。这意味着，除非币价或费用继续大幅上涨，否则等到积压的矿机最终上线时，“清理库存”和“重大改组”阶段可能会让很多矿工非常痛苦。 在以太坊中，挖矿收入主要有三个来源： 

1. 内置的区块奖励 (每个区块奖励 2 ETH + 叔块奖励)
2. 交易费，以及
3. 矿工可提取价值 (MEV)

 以太坊中的交易费用占总区块回报的百分比 (也即单个以太坊区块中，交易费占该区块给矿工带来的总收入的百分比) 要比比特币高得多 (见下图)。这意味着，以太坊矿工不仅关注币价，还会关注 Gas 的走势。即使币价保持不变，交易费的增加也将足以激励以太坊矿工增加自己的算力。

上图中：黄线表示交易费占比特币区块总回报的百分比，紫线表示交易费占以太坊区块总回报的百分比。可以看长，后者占比显然更高。数据来源：Coinmetrics

此外，如前所述，与 ASIC 网络相比，GPU 在选择和分布上的灵活性使其更容易扩大或缩小算力。因此，以太坊挖矿的周期往往比比特币更短：

上图：以太坊的价格 (黄色曲线) 和比特币网络的算力 (蓝色曲线) 的历史变化情况，以及以太坊网络挖矿周期的循环。

挖矿周期越短，意味着当挖矿收益高时，竞争加剧得更快；而 GPU 硬件选择的灵活性则意味着当挖矿收益低时，算力更容易解除。 币价和交易费的明显上涨吸引了更多的矿工参与。然而，与大多数商品市场不同的是，更多的生产商 (矿工) 并不意味着区块空间供应的增加——区块空间的供应由区块大小和平均出块时间决定。这意味着，网络算力的增加并不会降低网络交易费，而是增加了网络的安全预算：随着越来越多的矿工加入竞争，对历史区块进行重组的成本变得更高，从而改善了网络的结算保证。

2. 需求侧：用户希望交易费降到最低

由于区块大小是有限的，这意味着用户需要竞争系统的资源。对于任何发起链上交易的用户来说，交易费模式定义了核心的用户体验。当前，以太坊网络的交易费模式是「最高价拍卖模式」。 作为最受欢迎的存储和执行智能合约的平台，以太坊的实用性迅速上升。DeFi 的“货币乐高”已经使诸多 DeFi 产品和服务以无需许可的方式相互结合，并极大地推动了新的金融项目的创新。 今天的以太坊用户通过「最高价拍卖模式」来参与区块空间市场的竞价。这是一种简单的拍卖模式，用户为他们的交易提交一个报价，以交易费的形式支付给矿工，以使自己的交易被矿工打包进入区块。 用户可以通过设置交易的“Gas价格”来进行出价，该价格以 gwei/gas 计价 (1gwei = 0.000000001 ETH)。我们对矿池打包交易的实证观察 表明，超过 75% 的矿池遵循默认策略，即仅仅按照交易费的降序打包交易 (交易费更高的交易先被打包，交易费更低的后被打包)，而不优先打包任何特定地址的交易。见下图：
 

区块空间需求侧的市场结构很简单：用户希望将支付给矿工的费用降到最低，以享受平稳的体验，而矿工希望最大化他们的收入，因为他们是追求盈利的实体。

用户所支付的费用始终遵循供求规律，这是一个不争的事实：区块空间是最稀缺的资源，因此那些希望自己的交易更快被打包进区块的用户，其愿意支付的交易费往往要比那些愿意等到下一个区块被打包的用户更高。

 区块空间是加密领域最接近“数字房地产”的东西。区块空间具有作为经济活动发生地的“房地产”的内在价值。

02

网络拥堵与交易费 

区块空间的价值直接转化为用户支付的费用。在这种收费模式下，预估“正确”的天然气价格是很难的，这可以从单个区块内 Gas 价格的波动性看出，见下图：

上图：以太坊区块的平均 Gas 价格在一周内从 100 Gwei 波动到 400 Gwei。回顾一下诺贝尔奖得主 Roth 对成功的市场设计的三个要求：市场深度、安全性、克服拥堵。很明显，在拥堵时期，Gas 价格对普通用户来说往往会涨得太高。其中的瓶颈到底在哪里？ Gas 费用的不可预测性源于这样一个事实，即用户无法对接下来的第 1、5 或 10 个区块中包含的“适当交易费”进行协调。如今，大多数用户都是使用“一次性竞价”的方式：他们只对交易进行一次广播，然后等待交易被打包进去。 一项新技术的最初版本总是粗糙的。多年来，会出现不同的版本来解决拥堵问题。区块空间的市场设计涉及平衡生态系统中各方的利益。在当前关头，讨论了三种可能的解决拥堵问题的途径： 

1. 短期：增加区块大小，但可能损害安全性；
2. 中期：改变区块空间拍卖机制，要求社区达成共识；
3. 长期：实施可扩展性解决方案，比如 Rollups 和 Eth2.0。

 首先。一些人可能会想要增加区块大小 (block size)，这样单个区块就可以容纳更多笔交易 (也即，增加区块空间的供应，假设需求不变)。但这种变化只能暂时缓解高额交易费带来的痛苦，因为新的需求会迅速填满区块，再次推高费用。此外，区块大小的增加使得区块链节点软件需要占用更多的资源，因此应该避免这种方式，以保持系统的去中心化。 其次，另一种方法是对竞价过程进行重组。今天，所有区块链的费用机制大多实施了“最高价拍卖”。EIP-1559 提案则提议，当系统不拥堵时，将费用机制改变为固定价格出售，允许用户很容易地选择“最优”的报价来满足他们的选择偏好。EIP-1559 的变体已经部署在 Near、Celo 和 Filecoin 等区块链网络中。此提案也计划于2021年7月在以太坊伦敦升级中激活，这将是有史以来在公共区块链中发生的最大的费用市场机制变化。 EIP-1559 也是以太坊目前最具争议的话题之一。已有超过 60% 的矿池表示反对该提议，EIP-1559 已经演变成用户和区块空间生产者 (即矿工) 之间的“贸易战”。虽然目前还难以量化此提案将对矿工的交易费收入的确切影响，但矿工界普遍认为，Gas 价格需要大幅上涨，以弥补带来的损失。中国以太坊社区“以太坊爱好者”的阿剑是对这项提议直言不讳的批评者，他认为EIP-1559“会失去矿工的忠诚”。以太坊矿池 Poolin (币印) 的创始人 Kevin Pan 认为，该提案实际上不会对挖矿收入产生太大影响，但“侮辱极强”。 然而，并不是所有矿工都这么认为。以太坊矿池 F2Pool (鱼池) 的创始人是 DeFi 产品的活跃用户，他们支持这个提案。甚至连比特币区块大小“内战”(导致比特币现金的分叉诞生) 中臭名昭著的煽动者吴忌寒也表达对以太坊 EIP-1559 提案的支持。根本上来说，在一个扎根于世界不同地区的开放生态系统中，人类的协调仍然是最大的挑战之一。 最后，从长远来看，适当的解决方案是允许供应侧实现扩展，而不会对 Layer1 (第一层) 系统的信任需求产生重大影响。毕竟，用户想要低费用，而低费用不是一个经济机制设计问题，而是一个基本的区块链可扩展性问题。值得注意的是，可扩展性还允许更多的需求进入系统，这将抵消每笔交易平均费用的下降。其中主要方法是所谓的 Layer2 (第2层) 解决方案，如 Optimistic Rollup 和 ZK Rollup。

03

以太坊的黑暗森林与暗池 

如果我们是在比特币的背景下，那么围绕需求方 (用户) 的讨论将到此结束。然而，在以太坊中，一个正在被构建的金融系统扭曲了游戏规则。

我们知道，在一段有限的时间内，以太坊网络中可能存在某些“机会”，这些机会以套利的形式存在，或者以某项高需求资产在出售时仅提供有限的参与名额 (比如 ICO) 的形式存在等。与人们争相排队购买限量版服装的方式类似，开发者们已经开发出了一种可以智能地竞争链上机会的软件 (比如套利机器人，或者抢先交易机器人)，这些软件甚至通过 Gas 竞价与其他机器人相互竞争。这个概念被称为「最优Gas费竞拍」(Priority Gas Auction，简称 PGA)，最早是在 Phil Daian 等人的开创性论文《Flash Boys 2.0》[1] 中描述的。PGAs 产生的“非常规”收入流被称为「矿工可提取价值」(Miner Extractable Value，简称 MEV)。 当前，以太坊生态上的 MEV 主要由 DeFi 交易员通过结构化套利策略 (通过套利机器人) 所获得；而矿工则是通过获得这些交易员付出的交易费间接获利。 参与 PGAs 的机器人可以获得一个潜在的非常有利可图的机会，它们愿意以过高的 Gas 价格竞标，从而使交易尽快被确认打包，以获取到它们将能够获得的利润。通过在打包交易时按 Gas 费用高低来重新对交易进行排序，这些过高的 Gas 费用最终落入矿工手中。 这就使得以太坊生态中发展出一片黑暗的森林 (Dark Forest)，比如，Phil Daian 在该论文中描述了一场价值捕获，其中价值约 1.2 万美元的代币落入了“捕食者”的手中。这些捕食者是不断监视以太坊交易内存池活动的套利机器人，并试图根据预先确定的算法提前 (抢先) 运行特定类型的交易。Uniswap 等 DEX 平台很可能充斥着套利机器人。 因此，一些服务提供商已经开始提供“暗池”(dark pools)，这些暗池让交易绕过以太坊公共内存池，因此在这些交易被打包上链之前，对公众是不可见的。这些暗池不向网络广播交易，而是直接将交易转发给矿工，这样这些交易就不会向网络上的其他节点广播。 这些暗池并非完全用于实现利润最大化的目的，也可能是为了逃离以太坊的黑森林。比如，在逃离黑暗森林的过程中[2]，安全研究员 samczsun 记录了他的团队如何使用这种技术从一个有问题的智能合约中解救出 25000 ETH。 抢先交易 (front-running) 和暗池并不是加密货币市场独有的。它们代表了一种与时间一样古老的金融驱动力：隐蔽。华尔街长期以来一直在接受这种有争议的投资方式。据估计，2015年后，暗池占美国交易所上市证券交易活动的 15-18%。 MEV (矿工可提取价值) 的“潜在市场总量”正在呈指数增长 (见下图)，自 2020 年初以来，至少有 3.5 亿美元的 MEV 被提取，其中三分之一发生在 2021 年2月。提取的大部分 MEV 集中在 Uniswap、Sushiswap、Curve 和 Balancer 等热门自动做市商之间的套利行为，Compound 和 Aave 的清算也占到了一小部分。上图：自2020年1月1日以来累计被提取的 MEV。来源：https://explore.flashbots.net这种蝴蝶效应是惊人的：套利和清算机会创造了 MEV。费用预估器使用经 PGA 竞价调整后的 Gas 价格作为参考，导致用户为他们的交易支付过高的费用。 这个问题的核心是，用户和机器人在同一个交易内存池里。

在理想情况下，涉及 MEV 的交易应该与非 MEV 交易处于独立的交易池中。这将允许提取 MEV 的机器人相互竞争；而所有其他交易，比如加密货币的转移，将在非 MEV 交易池中进行，这将使用户享受一个更稳定的 Gas 市场。

但不幸的是，对以太坊来说，这种重大更改很难执行。解决这个问题的一个更简单的方法是为矿工引入一个新的 API 端点，在那里他们将接受仅涉及 MEV 的交易包。通过这种方式，套利交易员将直接向该终端提交他们的交易，而用户将继续像今天一样使用系统的其余部分。这就是 Flashbots 正在采取的方法[3]。

04

矿工将如何适应 MEV？ 
在过去，当费用占区块总收益的百分比是微不足道的时候，矿工的主要关注点是尽可能多地获得区块奖励 (比如，当前的以太坊区块奖励是每个区块 2 ETH)。矿工往往会选择一个拥有足够多算力的矿池来托管自己的算力。经过多年的发展，矿池已或多或少地优化到相同的性能范围，落后于同行的矿池将很容易被识别出来，很快就会被竞争对手挤掉。 除了一些矿池的基本参数 (比如收入分配计划、加入矿池的手续费等) 以外，矿工并不关心他们加入了哪个矿池；用户也并不真正关心哪个矿池处理他们的交易；而只要交易费有吸引力，矿池也不关心谁是用户。 但随着 MEV (矿工可提取价值) 占区块总收益百分比的增长，矿工、矿池和用户的考虑开始变得更加微妙。有了 MEV，区块空间市场机制将从纯粹的商品市场转变为包含一些配对市场的元素。当用户提交交易时，他们应该要意识到矿池在及时处理他们的交易的能力。 在其他条件相同的情况下，MEV 会导致 Gas 价格高于 MEV 不存在时的水平。这意味着，矿工已经间接地获得了套利交易员提取的 MEV 总价值的一小部分，目前估计占比约为 12%。最近的一项分析也表明，矿工通过 MEV 所赚取的费用最终将会超过“常规”收入流。也就是说，矿工是寻求利润的实体，可能希望捕获更多的 MEV。通过利用它们在处理交易的顺序上的权力，矿工可以选择插入、重新排序甚至审查交易，以最大化其打包交易的利润。 理论上讲，在极端情况下，矿工们会不断重组区块链，因为他们会试图从过去已经被打包的区块中提取 MEV 价值。虽然有可能发生，但这种情况并不明显可信：矿工 (大多数) 在结构上长期持有 ETH，而这种重组行为将直接对他们的 ETH 投资产生负面影响。 更乐观的看法是，矿工将决定把 MEV 的提取外包给套利交易员。矿工可以使用上述 Flashbots 方法，或者将他们的算力出租给专门的交易公司。 我们预计，以太坊矿池将不可避免地开始在 MEV 提取过程中更加活跃，因为它们寻求为自己提供的算力获得最佳收益。随着 MEV 提取竞赛的升温，以太坊挖矿生态系统的 (去) 中心化将如何受到这种市场结构变化的影响仍有待观察。

05

生态系统中的用户将如何参与到 MEV 中来？ 

算力的金融化是挖矿行业的一个重要潜在趋势。对于矿工来说，通过算力工具 (hashpower instruments) 来出售他们的算力是他们锁定未来收入的一种方式。类似于在云挖矿平台上租用算力，远期合约 (forward contracts) 允许矿工以预付价格将固定数量的算力出售出去一段时间。如果区块空间类似于房地产，那么算力就是该房产的权益，而算力的远期合约类似于抵押。

那些预期网络 MEV 活动将增加的活跃 DeFi 用户，可以通过购买这些算力工具来进行投机。例如，预计未来 15 天网络 MEV 活动将激增的交易员，可以在未来 15 天以预先价格购买 x 数量的算力。在合约期内，挖矿收益加上矿工获得的 MEV 收入将随后发送给该交易员。 这种算力工具和 MEV 都代表了挖矿资本市场的前沿发展。新工具正在积极地朝着这些方向发展。MEV 和算力工具为用户和矿工闭合了一个完整的循环。

06

总结 

以太坊区块空间市场结构是一个值得研究的有趣话题，而且有充分的理由。在这个分析中，我们观察到了 GPU 和 ASIC 算力市场之间的主要差异。我们还明确了创造需求侧动态的关键机制，并将区块空间的供给侧和需求侧在 MEV (矿工可提取价值) 方面捆绑在了一起。

MEV 是以太坊交易类型日益复杂的必然结果。随着针对 MEV 的工具和知识库越来越主流，将会出现更多有趣的 MEV 模式。改变一种商品在市场上的销售方式也会改变这种商品的生产方式。MEV 为挖矿行业创造了新的收入渠道，从而反过来影响挖矿行业与区块空间的买家 (即交易用户) 之间的交互方式。以太坊挖矿周期将出现新的模式。 感谢 Tina Zhen, Tarun Chitra, Hasu 和 Alex Obadia 对这篇文章早期草稿的评论。正文中涉及的链接：
[1]: https://arxiv.org/abs/1904.05234[2]: https://samczsun.com/escaping-the-dark-forest/[3]: https://ethresear.ch/t/flashbots-frontrunning-the-mev-crisis/8251

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