以太坊区块空间：谁得到什么以及为什么

以太坊区块空间：谁得到什么以及为什么

2021年3月22日

Leo Zhang

乔治·康斯坦托普洛斯（Paradigm）

“可以自由运转的市场就像可以自由转动的轮子：它需要轴和润滑良好的轴承。 如何提供那根轴并保持那些轴承上油是市场设计的重点。”

―阿尔文·罗斯（Alvin E. Roth），谁得到了什么以及为什么：配对和市场设计的新经济学

大纲

l 区块空间市场概述

l 供应侧：以太坊挖矿的结构

l 供应侧：以太坊挖矿周期

l 需求侧：块空间的时间值

l 需求侧：拥堵和费用

l 黑暗森林和暗池

l 矿工将如何适应MEV？

区块空间市场概述

区块空间是推动所有加密货币网络心跳加速的商品。在区块空间市场中，矿工是生产者，矿池是拍卖师，用户是投标人。区块空间市场的影响是如此普遍，以至于几乎接触到了加密货币生态系统的各个方面。

用户启动事务后，该事务将在每个节点的内存池中进行点对点传播。每笔交易均附有费用。费用表明购买区块空间的愿望，这允许交易被处理并包含在区块中。

在这种“薛定谔状态”中，在未确认和已确认之间，每时每刻都有大量的提议块存在，竞相寻找满足难度目标的第一个哈希输出。每个块都有成为下一个块的可能性。通过每秒贡献数十亿次计算，矿工们瓦解了概率波并实现了账本历史。

由于块的大小是有上限的，因此在给定时间可以通过的事务数量有限，从而为块空间提供了隐式的时间值。未经确认的交易时间过长，可能会导致市场波动，或者被套利机器人抢占先机。用户购买区块空间所支付的费用，反映了他们竞标其时空的意愿。区块空间市场将矿工和用户联系在一起。

从表面上看，由于缺乏中央协调，因此区块空间市场看起来复杂而混乱。它依靠详细的规则、程序和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针对成功进行了优化？

诺贝尔奖获得者阿尔文·罗斯（Alvin E. Roth）被认为是市场设计领域的先驱。在他的开创性著作《谁得到什么—为什么》中，他指出，要使市场正常运转，市场至少需要做三件事：

1.市场深度：足够多的潜在买家和卖家进行互动。在区块空间市场的情况下，通过区块奖励激励供应商提供哈希算力。另一方面，随着越来越多的人使用网络进行交易，对区块空间的需求也随之增加。

2.安全性：市场参与者必须放心地透露或采取行动以掌握他们可能持有的机密信息。由于链上交易的透明性，提交密封投标的用户可能无法始终获得他们想要的结果。此外，交易需要高度的结算保证。也就是说，应该有足够的哈希算力来使重组组织变得昂贵。

3.不拥挤：交易应及时通过或取消。如果市场无法有效应对交易量带来的拥堵，参与者可能无法在没有太多延迟的情况下将其交易包含在区块交易中。从最近以太坊dapp的流行可以看出，由于网络拥堵，gas价格也暴涨。

在比特币和以太坊的历史中，如何优化区块空间市场结构的设计经常引发许多激烈的争论。在以下章节中，我们将从供应（矿工）和需求（用户）的角度说明以太坊区块空间市场的结构。我们研究了当前的区块空间市场设计是否能够提供深度、缓解拥堵或参与是否安全和简单。接下来，我们讨论优化市场结构的流行建议，以及未来区块空间市场将如何发展。

供应侧：以太坊挖矿的结构

整个挖矿业的最终目的是充当单一商品（区块空间）的去中心化透明票据交换所。

这项任务绝非易事。在没有授权协调员的情况下在全球范围全天候运行的24/7分布式系统中，矿工需要通过匿名投入大量的硬件和能源资本以产生数量惊人的计算量来确保网络安全，从而为匿名拍卖的区块空间提供强大的结算保证。

尽管人们普遍关注哈希算力的集中，但挖矿业并不是一心一意的组织。区块空间市场的波动对每个组件的影响程度不同。每个挖矿者都会受到地理位置、机器类型、温度、维护和采矿策略等因素的严重影响。

比特币和以太坊矿业有着截然不同的市场形态。比特币和许多PoW代币几乎已完全迁移到ASIC时代。另一方面，以太坊虽然市值排名第二，但几乎没有ASIC。尽管偶尔会有新的ASIC制造商的谣言出现，但据估计，当前以太坊的哈希算力中约有80-90％由GPU主导。

从结构上讲，主要由GPU组成的块空间供应商市场与主要由ASIC组成的市场有何不同？

GPU挖矿的每个故事都始于NVIDIA和AMD。他们要么直接销售独立显卡，要么批发GPU芯片和内存给低端显卡制造商。这些制造商反过来删除了与挖掘无关的功能，因此被称为“挖矿卡”。有很多白标定制挖矿卡品牌。

原始设备制造商（OEM）的数量明显多于ASIC市场。结果，以太坊的哈希算力组成比典型的ASIC网络要多样化得多。这也给分销商垄断渠道带来了挑战。矿工有更多选择，因为他们无需等待ASIC制造商（例如比特大陆、Whatsminer）来解决供应链约束。这意味着初始供应通常不像使用高级后端流程的ASIC那样瓶颈。

此外，GPU矿工没有绑定到任何特定的网络。从事投机性挖矿的矿工几乎仅使用GPU矿工。此外，零售GPU卡在其他计算领域（例如游戏，数据中心和AI工作）中也很有价值。总体而言，GPU矿工在其硬件中具有更高的选择价值。

结构决定属性。硬件组成决定了行业的平均资本支出和能耗。这两个因素对于计算采矿费用至关重要，这会对其余采矿生态系统产生涟漪效应：从制造、分销、托管设施、gas成本波动、对EIP的偏好到其挖矿周期的定义特征。

供应侧：以太坊挖矿循环

在哈希算力的炼金术中，我们根据比特币价格和网络哈希算力之间的相对变化率介绍了挖矿周期的四个原型阶段：

(来源：哈希算力的炼金术，第II部分)

由于硬件市场固有的流动性不足，网络哈希功能往往会滞后于价格变化。“硬件反应时间”取决于各种外在因素，例如制造商的供应链约束、晶圆代工厂积压、工厂产能甚至运输物流。

这些延迟在今年尤为显著，因为市场正全速驶入牛市。矿工和投资者急于订购新机器。另一方面，制造商刚开始从新冠病毒期间的供应链中断中恢复过来，全球集成电路短缺正迫使所有半导体业务——挖矿、汽车、消费电子产品，排长队等待晶圆分配。

此外，NVIDIA最近宣布，他们将人为地削弱Ethash在最新显卡上的性能，以阻止矿工购买所有GPU库存。这意味着，除非硬币的价格或费用从这里开始天文数字地上升，否则当机器的积压工作最终上线时，“库存清算”和“淘汰”阶段可能会非常痛苦。

在以太坊中，挖矿收入主要来自三个来源：

1.Coinbase奖励（每区块2 ETH +叔块奖励）

2.交易费用

3.矿工可提取价值MEV（稍后会详细介绍）

以太坊的交易费用占全部区块奖励的比例远高于比特币。这意味着以太坊矿工不仅关注代币价格，还关注gas趋势。即使价格保持不变，交易费用的增加也足以激励矿工增加管理的哈希算力。

(数据来源：Coin Metrics)

此外，如前所述，由于GPU的选择价值和分布的灵活性，与ASIC网络相比，放大或缩小哈希算力更加容易。结果，以太坊挖矿的周期往往更短：

(数据来源：Coin Metrics)

较短的周期意味着在挖矿收入较高时竞争会加速加快，而硬件期权的价值意味着在收入较低时哈希算力更容易解散。单位获利能力（每兆哈希的单位奖励）可能会剧烈波动，因此很难预测收益：

(数据来源：Coin Metrics)

代币价格和费用的显著增加吸引了更多的矿工参与。但是，与大多数商品市场不同，更多的生产者并不意味着增加区块空间的供应。区块空间的提供取决于块大小和平均块时间。这意味着哈希算力的提高不会降低网络交易费用，但会增加网络的安全预算。随着越来越多的矿工加入竞争，重新组织历史区块变得更加昂贵，从而提高了网络的结算保障。

需求侧：区块空间的时间价值

由于数据块大小受到限制，因此以无许可的方式参与就需要对系统资源进行竞争。对于任何发起链上交易的人来说，收费模式是定义性的核心用户体验。

作为用于存储和执行智能合约的最受欢迎的平台，以太坊在实用程序方面经历了飞速发展。DeFi“金钱乐高”使产品和服务能够在无需许可的情况下互锁，并极大地推动了新金融计划的创新。

如今，以太坊用户通过反复的第一价格拍卖来参与区块空间市场。这是一个简单的拍卖，用户向其提交要包含在下一个区块中的交易的出价，该出价以交易费的形式支付给矿工。用户可以通过交易的“gas价格”（以gwei/gas（1gwei=1e-9 ETH）表示）来选择出价。

对矿池交易选择方法的实证观察表明，超过75％的矿池遵循默认策略，没有优先级。也就是说，只需将费用按降序排列的交易包括在内，而无需对任何特定地址进行优先级排序：

(来源：以太坊Gas价格统计)

市场结构很简单：用户希望最大程度地减少支付给矿工的费用，以享受平稳的体验，而矿工则希望最大化其收入，因为他们是营利性实体。

毋庸置疑的是，用户支付的费用将始终遵守供求规律：每秒的区块空间是稀缺资产，因此，希望立即包括其交易的用户将始终比愿意等待的用户支付更多的费用。 对于下一个区块，如以下待处理事务队列的形状所示：

待处理的事务队列。（来源：GasNow）

区块空间是加密货币中与“数字房地产”最接近的东西。区块空间具有作为发生经济活动的“不动产”的内在价值。

对于矿工而言，由于价格、网络难度和费用的不确定性，未来的区块空间具有较低的时间价值。对于用户而言，由于其盈利能力和交易效用的不确定性，未来的区块空间具有较低的时间价值。

需求侧：拥堵和费用

区块空间的时间值直接转换为用户支付的费用金额。在这种收费范式中，估计“正确的”gas价格是一个难题，从单个区块范围内的gas价格波动可以明显看出这一点。

在一周的时间里， gas价格中位数从100 Gwei到400 Gwei波动。（来源：corelab）

回顾罗斯对成功的市场设计的三个要求：深度、安全和克服拥堵。显然，在交通拥堵的时候，gas价格对于普通用户而言通常会飙升太多。瓶颈到底在哪里？

这种不可预测性源于以下事实：即用户无法协调在接下来的1、5或10个区块中包含的正确费用。如今，大多数用户以“一次性”的方式出价：他们广播一次交易，然后等待其包括在内。可以通过允许用户表示其对一系列块的费用偏好（例如，使用费用递增算法）来实现恒定因子改进。

一项新技术的最初版本总是粗糙的。多年来，出现了各种工作版本来解决拥塞问题。区块空间的市场设计涉及平衡生态系统中许多派系的利益。目前，已经讨论了三种可能的途径：

1.短期：增加区块大小。临时补丁，可能会损害安全性。

2.中期：改变拍卖机制。需要社区共识。

3.长期：可扩展性解决方案。Rollups和ETH 2.0。

可能会尝试增加一个块的大小，以便它可以容纳更多的交易（即假设需求不变，则增加供应）。这种变化只会暂时缓解高额费用带来的痛苦，因为新的需求会很快填满，从而再次增加费用。此外，区块大小的增加使区块链节点软件的资源更加密集，因此应避免使用它们以保持系统的去中心化。

另一种方法是重组招标程序。如今，所有区块链中的收费机制都实现了“广义第一价格拍卖”。EIP-1559是一项提案，它在系统不拥挤的情况下将机制更改为固定价格销售[1]，使用户可以轻松地为他们的包含偏好选择“最佳”出价（与现状相反）。EIP-1559的变体已部署在Near、Celo和Filecoin中。它还计划于2021年7月在以太坊激活，这将是公共区块链中有史以来最大的费用市场机制变化。

EIP-1559也是迄今为止以太坊中最具争议的话题之一。由于超过60％的矿池表示反对该提议，因此EIP-1559变成了用户与区块空间生产商之间的“贸易战”。尽管目前尚难以量化对矿工费用收入的确切影响，但矿业界普遍认为，gas价格需要大幅上涨以弥补这一差额。中国以太坊社区对这一提议持强烈批评态度的阿健（音译）认为，EIP-1559“将失去矿工的忠诚度”。Poolin尽管尚未宣布任何正式立场，但其创始人认为这实际上不会对挖矿业的收入产生太大影响，但“这是非常侮辱性的”。

但是，并非所有的矿工都有相同的感觉。F2Pool的创建者本身就是DeFi产品的积极用户，对此提议表示赞同。甚至比特币区块大小战争故事中的主要人物吴忌寒也表达了对这一改变的支持。最终，在一个根植于世界不同地区的无结构开放生态系统中，人类的协调仍然是最大的挑战之一。

从长远来看，正确的解决方案是允许供应方横向扩展，而不会对第1层系统的信任需求产生有意义的影响。毕竟，用户想要低廉的费用，而低廉的费用不是经济机制设计问题，而是根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减少。这里的主要方法是所谓的第2层解决方案，例如Optimistic和ZK Rollups。

黑暗森林和暗池

如果我们处于比特币环境中，那么围绕需求方的讨论将在这里结束。然而，在以太坊中，正在建立一个扭曲游戏规则的整个金融系统。以太坊可能会在有限的时间内存在某些“机会”，表现为等待抓住的套利，或参与高需求资产出售（如ICO）的有限机会。与人们竞相排队抢购限量版服装的方式类似，开发人员已经构建了可以智能地竞逐链上商机的软件，甚至通过设置gas价格竞标价与其他机器人进行竞争。

这个概念称为“gas优先拍卖（PGA）”，该拍卖首先在菲尔戴安等人的开创性论文“Flash Boys 2.0”中进行了描述。由PGA产生的“不规则”收入流称为“矿工可提取价值”或“MEV”。参与PGA的机器人有机会获得潜在的非常有利可图的机会，并且他们愿意以高昂的gas价格出价，以获取最高的利润。

在以太坊的黑暗森林中，作者描述了一种提取方法，其中大约1.2万美元的代币落入了“掠食者”的手中。这些掠夺者是套利机器人，它们不断监视内存池上的活动，并根据预定算法尝试预先运行特定类型的交易。诸如Uniswap之类的DEX平台可能充斥着套利机器人。

结果，一些服务提供商已经开始提供“暗池”——绕过公共内存池的交易，因此直到它们落入链上之前，对公众都是不可见的。这些暗池不广播到网络，而是直接将交易中继到矿工，这样它们就不会广播到网络上的其他节点。这些暗池并不完全用于利润最大化的目的。在逃离黑暗森林中，安全研究员samczsun记录了他的团队如何使用这种技术从一个错误的智能合约中拯救了2.5万 ETH。

抢先交易和暗池并不是加密货币市场独有的。它们集中体现了金融业的一股驱动力，历史悠久：保密。华尔街早就接受了这个有争议的怪兽。在人类的时间尺度上看起来很稠密的市场，在一秒钟的时间内有数百个交易机会，对于计算机而言，它看起来相对较薄。据估计，2015年之后，暗池占美国交易所上市证券交易活动的15-18％。

MEV的“总潜在市场”呈指数增长，自2020年初以来，至少提取了3.5亿美元的MEV，其中三分之一发生在2021年2月。例如Uniswap、Sushiswap、Curve和Balancer，而一小部分则归因于Compound和Aave的清算。

自2020年1月1日起累计提取MEV。（来源：Flashbots）

蝴蝶效应是惊人的：套利和清算机会创造了MEV。MEV通过PGA竞争。费用估算者使用PGA膨胀的gas价格作为参考，导致用户为其交易支付过高的费用。从根本上讲，问题源于以下事实：用户和机器人在同一个池中，而与他们是否追随MEV无关。

理想情况下，MEV交易应与非MEV交易位于单独的交易池中。这样，提取MEV的机器人就可以相互竞争，而所有其他交易（例如加密朋克的转让）都将在无MEV池中，这将享有较少波动的gas市场。

不幸的是，对以太坊进行如此剧烈的更改将很难执行。解决此问题的一种更简单的方法是为矿工引入一个新的API端点，以便他们接受仅MEV的交易包。这样，交易者可以将交易直接提交给该端点，而用户则可以像今天一样继续使用系统的其余部分。这是Flashbots所采用的方法，对我们的知识造成的干扰最小。

矿工将如何适应MEV？

过去，当费用占区块奖励总额的百分比微不足道时，矿工的主要重点是捕获尽可能多的区块奖励。该矿工将选择一个托管有足够大量哈希算力的矿池。经过多年的发展，矿池基础设施已或多或少地被优化到了相同的性能范围。竞争对手会轻易识别出落后于竞争对手的资源池。除了基本参数（运气、支付计划和矿池费）之外，矿工们并不真正关心他们使用哪一个池。用户并不真正在乎哪个挖矿池接管他们的交易，并且只要费用诱人，矿池就不在乎用户是谁。

随着MEV相对于区块奖励的增长，矿工、矿池和用户的考虑变得越来越细微。借助MEV，区块空间市场机制将从纯粹的商品市场转变为包含撮合市场的某些要素。用户提交交易时，他们应该意识到矿池及时执行交易的能力。

在所有其他条件相同的情况下，MEV导致的gas价格比不存在MEV时的价格高。这意味着矿工已经在间接提取交易员提取的全部MEV的一小部分，目前估计约为12％。

最近的分析还暗示，由于MEV获得的费用最终将支配通过“常规”收入流（如果还没有）获得的费用。就是说，矿工是逐利实体，可能希望获得更多的MEV。矿工可以选择专门从事内部交易业务。利用他们对交易顺序的仁慈力量，他们可以选择插入、重新订购甚至审查交易，以实现其交易运营利润的最大化。

在极限状态下，从理论上讲，矿工将不断尝试重新组织区块链，因为他们试图自己从过去的区块中提取MEV（俗称“时光大盗”攻击）。虽然有可能，但这种情况显然不太可能：矿工（在大多数情况下）在结构上做多ETH，而这种行动将直接对其以太坊投资产生负面影响。这种思路可以概括为以下说法：任何理论上的矿工攻击如果能够被用户检测到，就不会被执行。

更为乐观的看法是，矿工决定将MEV开采外包给交易者。他们可以通过前面提到的Flashbots方法（保留区块奖励并仅将订单外包）来做到这一点，也可以通过将其哈希算力租借给专业交易公司来实现。

独立于所采用的方法，我们预计以太坊矿池将不可避免地开始在MEV提取过程中变得更加活跃，因为它们寻求以其矿工的哈希算力提供最佳收益。随着MEV开采竞争的升温，这种市场结构的变化将如何影响以太坊挖矿生态系统的去中心化，还有待观察。

生态系统的其余部分如何参与MEV？

哈希算力的金融化是采矿领域的重要基础趋势。如果区块空间类似于房地产，那么哈希算力就是财产的权益，哈希算力的远期合约类似于抵押。对于矿工来说，通过哈希算力工具出售其哈希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，远期合约使矿工可以以一定的价格在一段时间内出售固定数量的算力。

希望累积网络MEV活动的活跃DeFi用户可以通过购买这些哈希算力工具进行推测。例如，某交易商预计网络MEV活动在未来15天内会激增，则可以在未来15天内以预付价格购买x量的哈希算力。在合同期内，挖矿奖励和矿工获得的MEV收入将随后转发给交易者。如果交易者处于有利位置，则购买可以潜在地赚回交易者自己支付给矿池的MEV费用。流动性哈希算力工具和MEV都代表了矿业资本市场的最前沿发展。正在积极构建新工具以朝着这些方向前进。 MEV加哈希算力工具为用户和矿工提供了完整的资本市场循环。

结论

以太坊区块空间市场结构是一个值得研究的有趣话题，这是有充分理由的。在此分析中，我们观察到了GPU的供应方与ASIC哈希算力市场之间的主要差异。我们还确定了导致需求方动态的关键机制。然后，我们将两者捆绑在矿工可提取价值的保护下。

正如查理·诺耶斯（Charlie Noyes）在MEV和ME中写道：“任何试图阻止矿工进入收入来源的尝试，都有可能激励建立协议外市场。”MEV是以太坊交易类型及其当前区块空间市场设计日益复杂的必然结果。随着用于MEV的工具和知识库变得越来越主流，将会出现更多有趣的MEV模式。这些行为将深刻影响DeFi用户计划其区块空间购买策略的频率。

改变商品在市场上的销售方式会改变商品的生产方式。MEV为挖矿收入开辟了新途径，从而反过来将影响挖矿业与区块空间购买者的互动方式。以太坊挖矿周期将出现新模式。

[1]在需求激增的时期，EIP-1559之后的拍卖机制会降级为首次价格拍卖。为了限制此阶段的持续时间，EIP-1559实施了成倍增加的费用，该费用将需求限制在供应值以下，从而将机制转换回第二个价格拍卖阶段。

[2]仅当矿工决定自行发布交易时，该交易才能公开。

[3]我们还建议对矿工如何从事与用户的最佳利益相违背的行为进行最近的分析，并解释良性和恶意MEV之间的关系。

致谢

我们要感谢Tina Zhen、Tarun Chitra、Hasu和Alex Obadia对本文的早期草稿发表的评论。

原文链接：以太坊区块空间：谁得到什么以及为什么

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编译者/作者：灰狼

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