撰文：Leo Zhang、Georgios Konstantopoulos ，分别为 Anicca Research 创始人和 Paradigm 研究合伙人
作者授权链闻发表中文版本
「可以自由运转的市场就像可以自由转动的车轮：它需要轴和润滑良好的轴承。如何提供那根轴，并保证那些轴承不会缺少润滑油，就是市场设计需要解决的问题。」
―（美） 埃尔文 E. 罗斯（Alvin E. Roth），《共享经济：市场设计及其应用》
区块空间市场概览
区块空间是驱动所有加密货币网络心脏的商品。在区块空间市场中，矿工是生产者，矿池是拍卖行，用户则是投标人。区块空间市场的影响是如此普遍，几乎触及到加密货币生态系统的各个方面。
每当用户启动交易后，交易将在每个节点的内存池中进行点对点广播。每笔交易均附有费用。费用代表购买区块空间的意愿，使其可被处理并包含在区块中。
每时每刻都有许多「提议区块」处于这种「薛定谔状态」中，位于未确认和已确认之间，争相找到满足难度目标的第一个哈希输出。每个区块都有成为下一个区块的可能性。通过每秒贡献数十亿次计算，矿工们在与概率波的交锋中占到上风，从填写分类账历史中赚取收益。
由于区块大小是有上限的，因此在给定时间可以通过的交易数量有限，从而为区块空间赋予了隐性的时间值。交易未经确认的时间过长，可能会遭到市场波动的影响，或者被套利机器人抢跑完成交易。用户为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。区块空间市场是矿工和用户链接之处。
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为确保成功而进行了优化？
诺贝尔经济学奖得主埃尔文 E. 罗斯（Alvin E. Roth） 被视为市场设计领域的一位先驱。他在其开创性著作《共享经济：市场设计及其应用》（Who Gets What – and Why）中指出，要使市场正常运转，市场至少需要做三件事：
- 市场深度：足够多的潜在买家和卖家进行互动。在区块空间市场中，区块奖励激励供应商提供哈希率。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。
- 安全性：市场参与者必须能放心地披露或采用其可能持有的机密信息。由于链上交易的透明本质，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，应该有足够的哈希率来让重组历史区块变得昂贵。
- 不拥堵：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，参与者可能无法在无需太多延迟情况下将其交易包含在区块中。从最近以太坊 DApp 的人气爆棚可以看出，由于网络拥堵，Gas 价格也暴涨。
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都经常引发很多激烈的辩论。在下文中，我们将从供给侧（矿工）和需求侧（用户）的角度演示以太坊区块空间市场的结构。我们复盘了当前区块空间市场设计是否能够提供深度、缓解拥堵，或可以安全简单地参与。接下来，我们讨论一下优化市场结构的流行提议，以及区块空间市场未来将如何发展。
供给侧：以太坊挖矿结构
整个挖矿行业的终极目的是充当单一商品（区块空间）的去中心化、透明的清算所。
这项任务绝非易事。在一个全球范围全天候 24/7 运作的分布式系统中，在没有权威协调者的情况下，矿工需要通过投入大量的硬件和电力成本，以产生数量惊人的计算来确保网络安全，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率的过于集中问题，但挖矿业并不是齐心协力的组织。区块空间市场的价格波动对其中每个组成部分的影响程度不同。每个矿工都会受到地理位置、机器类型、气温、机器维护和挖矿策略等因素的严重影响。
比特币和以太坊挖矿业有着截然不同的市场形态。比特币和许多工作量证明 PoW 代币几乎已完全迁移到 ASIC 挖矿时代。另一方面，以太坊虽然其代币市值排名第二，但 几乎没有 ASIC 挖矿。尽管时常会有 ASIC 矿机制造商将推出以太坊矿机的新谣言流出，但据估计，目前以太坊挖矿行业大约 80-90% 的哈希率是由 GPU 图形处理器主导的。
从结构上讲，主要由 GPU 组成的区块空间供应商市场与主要由 ASIC 矿机组成的市场有何不同？
每个 GPU 挖矿的每个故事都始于英伟达 NVIDIA 和 AMD。这两家大厂要么直接销售独立显卡，要么批发 GPU 芯片和内存给下流显卡制造商。这些制造商会移除与挖矿无关的功能，因此这些被称为「挖矿显卡」。市面有很多白标的定制挖矿显卡品牌。
市场上的定制显卡矿机厂商数量明显多于 ASIC 矿机制造商数量。因此，以太坊的哈希率构成比典型的 ASIC 网络要更为多元化。这也给分销商垄断渠道带来了挑战。矿工有更多选择，因为他们无需等待例如比特大陆、神马等 ASIC 矿机制造商来解决供应链难题。这意味着初始供应通常不像使用高级后端流程的 ASIC 矿机那样时常遭遇供应瓶颈。
此外，GPU 矿工没有绑定到任何特定网络。从事投机性挖矿的矿工几乎只采用 GPU 矿机。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 矿工的硬件具有更高的期权价值。
结构决定属性。硬件构成决定了行业的平均资本支出和能耗。这两个因素对计算挖矿成本支出至关重要，同时对挖矿生态系统余下部分产生了涟漪效应：从制造、分销、托管设施、Gas 成本波动、对 EIP 提案的偏好，到其挖矿市场周期的定义特征。
供给侧：以太坊挖矿市场周期
在 The Alchemy of Hashpower 一文中（注：链闻刊载了其中文版《读懂哈希率「炼金术」：加密货币算力市场反身性与四季更迭》），根据比特币价格和网络哈希率之间的相对变化率，我们介绍了挖矿市场周期的四个基础阶段：
来源： The Alchemy of Hashpower, Pt II.
由于硬件市场固有的流动性不足，网络哈希率变化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瓶颈、晶圆代工厂库存、工厂产能，甚至运输物流。
这些延迟在今年显得尤为重要，因为市场正全速奔跑进入「疯牛」行情。矿工和投资者争先恐后地订购新机器。另一方面，制造商刚开始从新冠疫情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、消费电子产品等排着长队等待晶圆分配。
此外，NVIDIA 最近 宣布，他们将人为地破坏最新显卡上的 Ethash 算法挖矿性能，以阻止矿工买断所有 GPU 库存。这意味着，除非代币价格或费用从此开始天文数字地飞涨，否则当积压的矿机最终上线工作时，「矿机库存倾销 Inventory-flush」和「洗牌出局 The Shakeout」两个阶段可能会成为很多矿工的噩梦。
在以太坊区块链中，挖矿收入主要来自三个来源：
- 币基 Coinbase 奖励 (每挖一个区块获得 2 ETH + 叔块奖励)
- 交易费，和
- 矿工可提取价值（MEV） (后文详细展开)
以太坊的交易费用占全部区块奖励的百分比远高于比特币。这意味着以太坊矿工不仅关注代币价格，还关注 Gas 价格走势。即使 ETH 价格保持平稳，交易费用的增加也足以激励矿工增加哈希率。
数据来源： Coin Metrics
此外如前几节所述，由于 GPU 的期权价值和分布的灵活性，与 ASIC 网络相比，更容易扩容或缩小哈希率。因此，以太坊挖矿市场周期往往更短：
数据来源：Coin Metrics
周期较短意味着在挖矿收入较高时竞争会迅速加快，而硬件的期权价值意味着在挖矿收入较低时哈希率更容易拆解掉。单位盈利能力（每 MH/s 的区块奖励）可能会剧烈波动，因此很难预测收益：
数据来源： Coin Metrics
代币价格和交易费用的显著增加吸引更多矿工入局挖矿。但是与多数商品市场不同，更多的生产者并不意味着区块空间供应的增加。区块空间的供给取决于区块大小和平均出块时间。这意味着哈希率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，重组历史区块变得更加昂贵，从而提高了网络的安全保证。
需求侧：区块空间的时间价值
由于区块大小有上限，因此以无许可的方式参与，就需要就系统资源展开竞争。对任何发起链上交易的人来说，收费范式是最关键的核心用户体验。
以太坊作为人气最高的存储和执行智能合约平台，其实用方面经历了飞速发展。 DeFi「金钱乐高积木」催生了能够在无需许可情况下互锁的产品和服务，并极大地推动了新金融机制的创新。
如今，以太坊用户通过重复的第一价格拍卖参与区块空间市场。这是一种简单的拍卖形式，用户提交出价，争取将其交易包含在下一个区块中，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。就是说，只需将费用降序的交易包含在内，而没有对任何特定地址进行优先级排序：
来源： Ethereum Gas Price Statistics
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，以享受平滑的体验，而矿工则希望其收入最大化，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关系：每秒产出的区块空间是稀缺资产，因此，希望下一个区块立即包含其交易的用户将总是比愿意等待的用户支付更多的费用。可以从下图的待处理交易队列形状看出：
待处理交易队列，来源：GasNow
区块空间是加密货币领域与「数字房地产」最接近的东西。区块空间具有「房地产」的内在价值，经济活动在其中发生。
对于矿工而言，由于代币价格、网络难度和费用的不确定性，未来区块空间的时间价值较低。对于用户而言，由于其盈利能力和交易效用的不确定性，未来区块空间的时间价值较低。
需求侧： 拥堵和费用
区块空间的时间价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，从单个区块时间段内的 Gas 价格波动可以明显看出这一点。
在一周的时间内， Gas 中位数价格从 100 Gwei 波动至 400 Gwei。
来源：corelab
回忆 Roth 提到的成功市场设计的三要素：市场深度、安全性和不拥堵。显然，在交易拥堵的时候，Gas 价格对于普通用户而言通常涨得过高。瓶颈到底在哪里？
这种不可预测性源于以下事实：用户无法就被包含在接下来的 1 个、5 个或 10 个区块中的合适费用进行协商。如今多数用户都以「一次性」的方式出价：他们一次广播一笔交易，然后等待被矿工收入区块内。通过允许用户在一定范围内表达他们的费用偏好，可以实现恒定因素的改进，例如使用 费用升级算法。
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以太坊拥堵问题。区块空间的市场设计涉及到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路径：
- 短期：区块扩容。权宜之计，可能会损害安全性。
- 中期：改变拍卖机制。需要社区共识。
- 长期。可扩展性解决方案。Rollups 和 ETH 2.0 。
人们可能会尝试增加单个区块的大小，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，区块大小的增加使得区块链节点软件更趋于资源密集，因此要想保持系统的去中心化属性，应避免使用这一方式。
另一种方法是重组竞标程序。如今所有区块链中的收费机制都实现了「通用的第一价格拍卖」。以太坊 EIP-1559 提案在系统不拥堵情况下将机制更改为固定价格销售，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。EIP-1559 提案计划于 2021 年 7 月在以太坊激活，这将是公有链有史以来最大规模的收费市场机制变化。
EIP-1559 也是以太坊中迄今为止最具争议的话题之一。由于超过 60% 的矿池表示反对该提案，因此 EIP-1559 变成了用户与区块空间生产商之间的「贸易战」。尽管目前尚难以对矿工费用收入的确切影响加以量化，但矿业普遍认为，Gas 价格需要大幅上涨以弥补这一差额。中国以太坊社区批评该提案的阿剑认为，EIP-1559 提案「将导致矿工忠诚度流失」。币印矿池 Poolin 尽管尚未宣布任何正式立场，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「它侮辱性极强」。
但是，并非所有的矿工都有相同的感觉。鱼池 F2Pool 的创始人本身是 DeFi 产品的积极用户，对此提案表示赞同。甚至比特币区块扩容战争的中心人物吴忌寒也表达了对这一改变的支持。归根结底，在植根于世界各地的非结构式开放生态系统中，人类的协调仍然是最大的挑战。
从长远来看，正确的解决方案是允许供给层水平扩容，同时不会实质性影响 L1 公链系统的信任要求。毕竟，用户想要低廉的费用，而低廉的费用不是一个经济机制设计问题，而是一个区块链可扩容性的基本问题。值得注意的是，可扩容性会允许更多的需求进入系统，这将抵消每笔交易平均费用减少的好处。这里的主要方法是所谓的第 2 层 L2 解决方案，例如 Optimistic 和 ZK Rollups。
黑暗森林和暗池
我们是在讨论比特币的这类问题，围绕需求侧的讨论到此就结束了。但是在以太坊中正在建立一个颠覆游戏规则的完整金融系统。以太坊可能会在有限的时间内存在某些「机会」，具体而言是等待被套利的套利活动，或者是在需求很高的资产出售（例如 ICO）中的参与机会有限。与人们竞相排队抢购限量版服装类似，开发者已构建了可以智能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。
这个概念被称为最优 Gas 费竞拍（Priority Gas Auction，简称 PGA），该拍卖是在 Phil Daian 等人的开创性论文《Flash Boys 2.0》中首先提出及描述。由 PGA 产生的「不规律」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。
在以太坊黑暗森林 Ethereum is a Dark Forest 一文中，作者描述了一次机器人的 MEV 提取行动，其中大约 12,000 美元的代币落入了「掠食者」手中。这些掠夺者是套利机器人，它们不断监视内存池中的活动，并根据预定算法尝试抢先交易特定类型的交易。Uniswap 之类的 DEX 平台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」——绕过公共内存池的交易，因此直到这些交易被写入链上之前，对公众而言都是不可见的。这些暗池不广播到网络，而是直接将交易接力给矿工，这样它们就不会被广播到网络上的其他节点。这些暗池并非完全用于利润最大化的目的。《这次我们杀出了以太坊 DeFi 黑暗森林，完美拯救 960 万美元》一文中，安全研究员 samczsun 记录了他的团队如何使用这种技术从出现漏洞的智能合约中拯救了 25k ETH。
抢先交易和暗池并非加密货币市场的特有现象。它们代表了与时间一样古老的一种金融驱动力：秘密。华尔街长期以来一直与这头备受争议的怪兽为伍。在人看来非常稠密的市场，一秒钟的时间内可能有数百个交易机会，对于计算机来说看起来机会很稀薄。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。多数提取的 MEV 主要分布于高人气 AMM，例如 Uniswap、Sushiswap、Curve 和 Balancer 中的套利活动中，而一小部分则归因于 Compound 和 Aave 中的清算。
自 2020 年 1 月 1 日以来累积提取的 MEV，来源：
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。费用估算器使用 PGA 推高的 Gas 价格作为参考，导致用户为自己的交易多付交易费。从根本上讲，问题源于以下事实：用户和机器人位于同一个交易池中，而与他们是否追逐 MEV 无关。
理想情况下，MEV 交易应与非 MEV 交易分别位于单独的交易池中。这样提取 MEV 的机器人可以相互竞争，而所有其他交易，例如 CryptoPunk 的转让，都将在没有 MEV 的池中进行，这将使 Gas 市场的波动性降低。
不幸的是，以太坊如此巨大的变化将很难执行。解决此问题的一种更简单的方法是为矿工引入新的 API 端点，使他们可以接受仅 MEV 交易的捆绑包。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，就我们所知，其造成的干扰是最小的。
矿工如何面对 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份额。矿工会选择一个有足够大量哈希率的托管矿池。经过数年的发展，矿池基础设施已或多或少地被优化到了相同的性能范围。落后于竞争对手的矿池可以轻易被识别出来。除了基本参数（运气、缴费时间表和矿池费用），矿工们并不真正在乎精挑细选矿池。用户并不真正在乎哪个矿池接他们的交易，只要费用诱人，矿池也根本不在乎用户是谁。
随着 MEV 相对于区块奖励的比例呈现增长，矿工、矿池和用户的考虑变得越来越缜密细微。借助 MEV，区块空间市场机制将从纯粹的商品市场转变为融入配对市场的某些要素。用户提交交易时，他们应该关注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 Gas 价格高于不存在 MEV 的情况。意味着矿工已经在间接提取狩猎机器人所取得全部 MEV 中的一小部分，目前估计 约为 12%。
近期的一份分析 报告 还暗示，由 MEV 所赚取的费用最终将超过「常规」收入流（如果还没有的话！）赚取的费用。矿工们是营利的实体，可能希望获取更多的 MEV。矿工可以选择专门从事内部交易业务。利用他们对交易排序所拥有的强大力量，他们可以选择插入交易、重新排序甚至审核交易，以最大程度地提高其交易操作的利润。
从理论上讲，矿工将不断尝试重组区块链，因为他们试图从历史区块中提取 MEV （俗称「时间强盗」攻击）。尽管存在这种可能性，但这种情况显然不可行：矿工（在多数情况下）在结构上是在做多 ETH，而这种行动将直接对其 ETH 投资产生负面影响。可以概括为以下说法：如果任何理论上的矿工攻击被用户检测到，都将不予执行。
更为乐观的看法是，矿工决定将 MEV 攫取外包给交易商。他们可以通过前面提到的 Flashbots 方法来做到这一点：保留区块奖励并仅将排序外包，也可以通过将其哈希率租借给专门的交易商来实现。
无论采用哪种方法，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，将寻求以其矿工的哈希率赚取最佳收益。随着 MEV 提取竞争日趋白热化，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。
生态系统其他成员可以如何参与 MEV 提取？
哈希率的金融化是挖矿领域的重要基础趋势。如果区块空间类似于房地产，那么哈希率就是财产的权益，哈希率的远期合约类似于抵押。对矿工来说，通过算力工具出售其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，远期合同使矿工可以在一段时间内以一定的价格出售固定数量的算力。
预期网络 MEV 活动将会累积的活跃 DeFi 用户，可以通过购买这些算力工具进行投机交易。例如，某交易者预计网络 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一定数量的算力。在合同期内，挖矿奖励和矿工获得的 MEV 收入将随后转交给该交易者。如果交易者赌对，则这笔交易可能会赚回交易者自己支付给矿池的 MEV 费用。具备流动性的算力工具和 MEV 都代表了矿业资本市场的最前沿发展。市场正在积极构建新工具，以朝着这些方向前进。 MEV 加算力工具为用户和矿工实现了完整的资本市场闭环循环。
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，而且有充分理由需要研究。在本文中，我们观察了 GPU 的供给侧与 ASIC 哈希率市场之间的主要差异。我们还识别了创造需求方动能的关键机制。然后我们将两者在矿工可提取价值外壳下进行了捆绑阐述。
正如 Charlie Noyes 在 MEV and ME 一文中写道：「任何试图阻止矿工攫取收入流的尝试，都有可能激励建立协议外市场。」MEV 是以太坊交易类型及区块空间市场当前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 用户规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，因此将反过来影响挖矿业与区块空间购买者的互动方式。以太坊挖矿市场周期将出现新模式。
感谢 Tina Zhen、Tarun Chitra、Hasu 和 Alex Obadia 对本文初稿发表见解和意见。
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