作者：Georgios Konstantopoulos & Leo Zhang
編輯：南風
“一個可以自由運作的市場就像一個可以自由轉動的輪子：它需要一個軸和潤滑良好的軸承。如何提供這種軸並保持軸承良好的潤滑是市場設計的重點。”
—諾貝爾獎得主 Alvin E. Roth
01
區塊空間市場概述
區塊空間 (blockspace) 是為所有加密貨幣網路提供動力的商品。在區塊空間市場中，礦工是生產者，礦池是拍賣商，使用者是競標者。區塊空間市場的影響是如此普遍，幾乎觸及了加密貨幣生態系統的每個方面。
我們知道，在區塊鏈網路中，使用者發起交易後，交易將以點對點 (P2P) 的方式在每個節點的記憶體池中廣播。每筆交易都附有一筆交易費 (fee)。這筆交易費表明了交易者購買區塊空間的意願，從而使自己的交易被 (礦工) 處理並打包進一個區塊中。
每時每刻，都會存在無數個由礦工提議的區塊處於“薛定諤的狀態”之中，也即介於「未確認」和「已確認」的狀態之間。這些區塊競相尋找第一個滿足難度目標值的雜湊輸出。每個被提議的區塊都有成為區塊鏈上的下一個區塊的概率。透過每秒數十億次的計算，礦工們將瓦解這一概率波，形成區塊鏈賬本的歷史記錄。
由於每個區塊的大小是有上限的，也即在給定的時間內可以被打包進入其中的交易數量是有限的，因此這給予了區塊空間一個隱式的時間價值。如果某筆交易長時間未被確認，則可能會受到市場 (價格) 波動性的影響，或者被套利機器人搶先交易。使用者為使自己的交易被確認而支付的交易費 (fee)，反映了他們競標區塊空間的意願。區塊空間市場將礦工和使用者連線在一起。
從表面上看，區塊空間市場看起來複雜而混亂，因為它缺乏中央協調。它依賴於詳細的規則、程式以及供需的融合來進行自我調整。我們如何知道當前的市場設計是否最最佳化？可以透過諾貝爾獎得主 Alvin E. Roth 窺見一二。
Alvin E. Roth 被認為是市場設計領域的先驅。在其開創性著作《Who Gets What - and Why》中，他指出，為了正常運轉，市場至少需要做三件事：
市場深度：有足夠數量的潛在買家和賣家進行互動。在區塊空間市場中，供應商 (礦工) 受到區塊獎勵的激勵來提供雜湊率 (算力)；另一方面，隨著越來越多的人 (使用者) 使用網路進行交易，對區塊空間的需求也在增加。
安全性：市場參與者必須有安全感，才能披露他們可能持有的機密資訊，或者根據這些資訊行事。由於鏈上交易的透明性，提交密封報價的交易使用者可能並不總能得到他們想要的結果 (也即交易使用者之間無法知曉彼此的交易費出價，往往出價高的交易先被礦工確認)。此外，交易需要高度的結算保證，也就是說，應該有足夠的算力使區塊重組變得成本高昂。
克服擁堵問題：交易應該及時完成或取消。當市場不能有效地處理交易量帶來的擁堵時，參與者 (使用者) 的交易確認可能遭遇很大延遲。正如由於最近以太坊 Dapps (去中心化應用) 大受歡迎，交易擁堵導致了 Gas 價格的飆升。
在比特幣和以太坊的歷史上，如何最佳化區塊空間市場結構的設計常常會引發許多激烈的爭論。在下面的章節中，我們將從供應側 (礦工) 和需求側 (使用者) 的角度闡述以太坊區塊空間市場的結構。我們將檢視當前的區塊空間市場設計是否提供了深度，緩解了擁堵，或者參與其中是否安全和簡單。之後，我們將討論一些最佳化區塊空間市場結構的熱門提議，以及區塊空間市場在未來可能會如何發展。
1. 供應側：以太坊挖礦的結構
整個挖礦行業的最終目的是為一種商品，也即區塊空間，提供一個去中心化的透明清算所。
這項任務決不是微不足道的。在一個沒有中央權威協調者且全天候全球執行的分散式區塊鏈系統中，區塊空間以匿名的方式拍賣，礦工需要為區塊空間提供強大的結算保證，透過在硬體和能源上投入大量資金來進行大量計算，以確保區塊鏈網路的安全。
儘管人們普遍擔心算力過於集中化 (比如引發所謂的51%算力攻擊)，但挖礦行業並不是一個單一的有機體。區塊空間市場的波動對各個參與方的影響程度不同；且每個礦工都受到地點、礦機型別、溫度、維護和挖礦策略等因素的嚴重影響。
比特幣和以太坊挖礦有著截然不同的市場結構：比特幣和一些 PoW 幣幾乎完全遷移到了 ASIC 挖礦時代。另一方面，儘管以太坊是第二大市值，但以太坊挖礦領域幾乎沒有 ASIC 挖礦的存在，雖然每隔一段時間就會出現新的 ASIC 製造商的傳言，但據估計，目前大約 80-90% 的以太坊算力是由 GUP 挖礦主導。
那麼從結構上來說，主要由 GPUs 挖礦組成的區塊空間供應商市場，與主要由 ASICs 挖礦組成的區塊空間市場有何不同呢？
GPU 挖礦始於 NVIDIA (英偉達) 和 AMD。它們要麼直接銷售獨立的顯示卡，要麼批發 GPU 晶片和記憶體給下游顯示卡製造商。這些製造商轉而刪除與挖礦無關的功能，因此被稱為“挖礦顯示卡”。有很多白標定製挖礦卡的品牌。
相比 ASIC 市場，GPU 市場的原始裝置製造商的數量要多得多。因此，以太坊的算力構成比典型的 ASICs 網路 (比如比特幣網路) 更加多樣化。這也給礦機分銷商壟斷渠道帶來了挑戰。GPU 礦工有更多的選擇，因為他們不必等待 Bitmain (位元大陸)、Whatsminer 等 ASIC 製造商來解決裝置供應鏈限制。
這意味著，GPUs 的供應通常不像使用高階後端流程的 ASICs 那樣存在瓶頸。此外，GPU 礦工並不依賴於任何特定的區塊鏈網路 (可以在不同的 PoW 區塊鏈網路間切換著挖礦)，從事投機性挖礦的礦工幾乎只使用 GPU 礦機。而且，消費類 GPU 顯示卡在其他計算領域也很有價值，比如遊戲、資料中心和人工智慧工作。總的來說，GPU 礦工在他們的硬體選擇方面有更高的靈活性。
結構決定特性。硬體構成決定了挖礦行業的資本支出和能源消耗。這兩個因素是計算挖礦成本的關鍵因素，而挖礦成本對挖礦生態系統的其他部分產生了連鎖效應：從裝置的製造、分銷、託管設施、Gas 成本的波動、對 EIPs (以太坊改進提案) 的偏好，到挖礦週期的特徵。
根據比特幣價格和網路算力之間的相對變化率，下圖展示了比特幣挖礦週期的四個典型階段 (這個週期會迴圈發生)：(1) The Rising Bull (上升階段) → (2) Mining Goldrush (挖礦淘金熱階段) → (3) Inventory Flush (礦機減產，清理庫存) → (4) Shakeout (重大改組) → 重複 (1) The Rising Bull (上升階段) → ......
上圖：比特幣的價格 (紅色曲線) 和比特幣網路的算力 (綠色曲線) 的歷史變化情況，以及比特幣網路挖礦週期的迴圈。
由於挖礦硬體固有的流動性不足，網路算力的變化往往滯後於價格變化。“硬體反應時間”是由各種外部因素決定的，如製造商的供應鏈限制、代工晶圓積壓、裝置效能，甚至運輸物流。
隨著市場正全速進入瘋狂的牛市趨勢，這種滯後在今年尤其明顯。礦工和投資者爭相訂購新機器；而另一方面，礦機制造商剛剛從 COVID-19 疫情期間的供應鏈中斷中恢復過來，全球積體電路短缺迫使所有需要半導體 (晶片) 的行業——挖礦、汽車、消費電子產品等——都在排著長隊等待晶圓分配。
此外，NVIDIA (英偉達) 最近宣佈，他們將人為削弱其最新顯示卡執行 Ethash (PoW 挖礦演算法) 效能，以阻止礦工買下其所有 GPU 庫存。這意味著，除非幣價或費用繼續大幅上漲，否則等到積壓的礦機最終上線時，“清理庫存”和“重大改組”階段可能會讓很多礦工非常痛苦。
在以太坊中，挖礦收入主要有三個來源：
內建的區塊獎勵 (每個區塊獎勵 2 ETH + 叔塊獎勵)
交易費，以及
礦工可提取價值 (MEV)
以太坊中的交易費用佔總區塊回報的百分比 (也即單個以太坊區塊中，交易費佔該區塊給礦工帶來的總收入的百分比) 要比比特幣高得多 (見下圖)。這意味著，以太坊礦工不僅關注幣價，還會關注 Gas 的走勢。即使幣價保持不變，交易費的增加也將足以激勵以太坊礦工增加自己的算力。
上圖中：黃線表示交易費佔比特幣區塊總回報的百分比，紫線表示交易費佔以太坊區塊總回報的百分比。可以看長，後者佔比顯然更高。資料來源：Coinmetrics
此外，如前所述，與 ASIC 網路相比，GPU 在選擇和分佈上的靈活性使其更容易擴大或縮小算力。因此，以太坊挖礦的週期往往比比特幣更短：
上圖：以太坊的價格 (黃色曲線) 和比特幣網路的算力 (藍色曲線) 的歷史變化情況，以及以太坊網路挖礦週期的迴圈。
挖礦週期越短，意味著當挖礦收益高時，競爭加劇得更快；而 GPU 硬體選擇的靈活性則意味著當挖礦收益低時，算力更容易解除。
幣價和交易費的明顯上漲吸引了更多的礦工參與。然而，與大多數商品市場不同的是，更多的生產商 (礦工) 並不意味著區塊空間供應的增加——區塊空間的供應由區塊大小和平均出塊時間決定。這意味著，網路算力的增加並不會降低網路交易費，而是增加了網路的安全預算：隨著越來越多的礦工加入競爭，對歷史區塊進行重組的成本變得更高，從而改善了網路的結算保證。
2. 需求側：使用者希望交易費降到最低
由於區塊大小是有限的，這意味著使用者需要競爭系統的資源。對於任何發起鏈上交易的使用者來說，交易費模式定義了核心的使用者體驗。當前，以太坊網路的交易費模式是「最高價拍賣模式」。
作為最受歡迎的儲存和執行智慧合約的平臺，以太坊的實用性迅速上升。DeFi 的“貨幣樂高”已經使諸多 DeFi 產品和服務以無需許可的方式相互結合，並極大地推動了新的金融專案的創新。
今天的以太坊使用者透過「最高價拍賣模式」來參與區塊空間市場的競價。這是一種簡單的拍賣模式，使用者為他們的交易提交一個報價，以交易費的形式支付給礦工，以使自己的交易被礦工打包進入區塊。
使用者可以透過設定交易的“Gas價格”來進行出價，該價格以 gwei/gas 計價 (1gwei = 0.000000001 ETH)。我們對礦池打包交易的實證觀察 表明，超過 75% 的礦池遵循預設策略，即僅僅按照交易費的降序打包交易 (交易費更高的交易先被打包，交易費更低的後被打包)，而不優先打包任何特定地址的交易。見下圖：
區塊空間需求側的市場結構很簡單：使用者希望將支付給礦工的費用降到最低，以享受平穩的體驗，而礦工希望最大化他們的收入，因為他們是追求盈利的實體。
使用者所支付的費用始終遵循供求規律，這是一個不爭的事實：區塊空間是最稀缺的資源，因此那些希望自己的交易更快被打包進區塊的使用者，其願意支付的交易費往往要比那些願意等到下一個區塊被打包的使用者更高。
區塊空間是加密領域最接近“數字房地產”的東西。區塊空間具有作為經濟活動發生地的“房地產”的內在價值。
02
網路擁堵與交易費
區塊空間的價值直接轉化為使用者支付的費用。在這種收費模式下，預估“正確”的天然氣價格是很難的，這可以從單個區塊內 Gas 價格的波動性看出，見下圖：
上圖：以太坊區塊的平均 Gas 價格在一週內從 100 Gwei 波動到 400 Gwei。
回顧一下諾貝爾獎得主 Roth 對成功的市場設計的三個要求：市場深度、安全性、克服擁堵。很明顯，在擁堵時期，Gas 價格對普通使用者來說往往會漲得太高。其中的瓶頸到底在哪裡？
Gas 費用的不可預測性源於這樣一個事實，即使用者無法對接下來的第 1、5 或 10 個區塊中包含的“適當交易費”進行協調。如今，大多數使用者都是使用“一次性競價”的方式：他們只對交易進行一次廣播，然後等待交易被打包進去。
一項新技術的最初版本總是粗糙的。多年來，會出現不同的版本來解決擁堵問題。區塊空間的市場設計涉及平衡生態系統中各方的利益。在當前關頭，討論了三種可能的解決擁堵問題的途徑：
短期：增加區塊大小，但可能損害安全性；
中期：改變區塊空間拍賣機制，要求社羣達成共識；
長期：實施可擴充套件性解決方案，比如 Rollups 和 Eth2.0。
首先。一些人可能會想要增加區塊大小 (block size)，這樣單個區塊就可以容納更多筆交易 (也即，增加區塊空間的供應，假設需求不變)。但這種變化只能暫時緩解高額交易費帶來的痛苦，因為新的需求會迅速填滿區塊，再次推高費用。此外，區塊大小的增加使得區塊鏈節點軟體需要佔用更多的資源，因此應該避免這種方式，以保持系統的去中心化。
其次，另一種方法是對競價過程進行重組。今天，所有區塊鏈的費用機制大多實施了“最高價拍賣”。EIP-1559 提案則提議，當系統不擁堵時，將費用機制改變為固定價格出售，允許使用者很容易地選擇“最優”的報價來滿足他們的選擇偏好。EIP-1559 的變體已經部署在 Near、Celo 和 Filecoin 等區塊鏈網路中。此提案也計劃於2021年7月在以太坊倫敦升級中啟用，這將是有史以來在公共區塊鏈中發生的最大的費用市場機制變化。
EIP-1559 也是以太坊目前最具爭議的話題之一。已有超過 60% 的礦池表示反對該提議，EIP-1559 已經演變成使用者和區塊空間生產者 (即礦工) 之間的“貿易戰”。雖然目前還難以量化此提案將對礦工的交易費收入的確切影響，但礦工界普遍認為，Gas 價格需要大幅上漲，以彌補帶來的損失。中國以太坊社羣“以太坊愛好者”的阿劍是對這項提議直言不諱的批評者，他認為EIP-1559“會失去礦工的忠誠”。以太坊礦池 Poolin (幣印) 的創始人 Kevin Pan 認為，該提案實際上不會對挖礦收入產生太大影響，但“侮辱極強”。
然而，並不是所有礦工都這麼認為。以太坊礦池 F2Pool (魚池) 的創始人是 DeFi 產品的活躍使用者，他們支援這個提案。甚至連比特幣區塊大小“內戰”(導致比特幣現金的分叉誕生) 中臭名昭著的煽動者吳忌寒也表達對以太坊 EIP-1559 提案的支援。根本上來說，在一個紮根於世界不同地區的開放生態系統中，人類的協調仍然是最大的挑戰之一。
最後，從長遠來看，適當的解決方案是允許供應側實現擴充套件，而不會對 Layer1 (第一層) 系統的信任需求產生重大影響。畢竟，使用者想要低費用，而低費用不是一個經濟機制設計問題，而是一個基本的區塊鏈可擴充套件性問題。值得注意的是，可擴充套件性還允許更多的需求進入系統，這將抵消每筆交易平均費用的下降。其中主要方法是所謂的 Layer2 (第2層) 解決方案，如 Optimistic Rollup 和 ZK Rollup。
03
以太坊的黑暗森林與暗池
如果我們是在比特幣的背景下，那麼圍繞需求方 (使用者) 的討論將到此結束。然而，在以太坊中，一個正在被構建的金融系統扭曲了遊戲規則。
我們知道，在一段有限的時間內，以太坊網路中可能存在某些“機會”，這些機會以套利的形式存在，或者以某項高需求資產在出售時僅提供有限的參與名額 (比如 ICO) 的形式存在等。與人們爭相排隊購買限量版服裝的方式類似，開發者們已經開發出了一種可以智慧地競爭鏈上機會的軟體 (比如套利機器人，或者搶先交易機器人)，這些軟體甚至透過 Gas 競價與其他機器人相互競爭。
這個概念被稱為「最優Gas費競拍」(Priority Gas Auction，簡稱 PGA)，最早是在 Phil Daian 等人的開創性論文《Flash Boys 2.0》[1] 中描述的。PGAs 產生的“非常規”收入流被稱為「礦工可提取價值」(Miner Extractable Value，簡稱 MEV)。
當前，以太坊生態上的 MEV 主要由 DeFi 交易員透過結構化套利策略 (透過套利機器人) 所獲得；而礦工則是透過獲得這些交易員付出的交易費間接獲利。
參與 PGAs 的機器人可以獲得一個潛在的非常有利可圖的機會，它們願意以過高的 Gas 價格競標，從而使交易儘快被確認打包，以獲取到它們將能夠獲得的利潤。透過在打包交易時按 Gas 費用高低來重新對交易進行排序，這些過高的 Gas 費用最終落入礦工手中。
這就使得以太坊生態中發展出一片黑暗的森林 (Dark Forest)，比如，Phil Daian 在該論文中描述了一場價值捕獲，其中價值約 1.2 萬美元的代幣落入了“捕食者”的手中。這些捕食者是不斷監視以太坊交易記憶體池活動的套利機器人，並試圖根據預先確定的演算法提前 (搶先) 執行特定型別的交易。Uniswap 等 DEX 平臺很可能充斥著套利機器人。
因此，一些服務提供商已經開始提供“暗池”(dark pools)，這些暗池讓交易繞過以太坊公共記憶體池，因此在這些交易被打包上鍊之前，對公眾是不可見的。這些暗池不向網路廣播交易，而是直接將交易轉發給礦工，這樣這些交易就不會向網路上的其他節點廣播。
這些暗池並非完全用於實現利潤最大化的目的，也可能是為了逃離以太坊的黑森林。比如，在逃離黑暗森林的過程中[2]，安全研究員 samczsun 記錄了他的團隊如何使用這種技術從一個有問題的智慧合約中解救出 25000 ETH。
搶先交易 (front-running) 和暗池並不是加密貨幣市場獨有的。它們代表了一種與時間一樣古老的金融驅動力：隱蔽。華爾街長期以來一直在接受這種有爭議的投資方式。據估計，2015年後，暗池佔美國交易所上市證券交易活動的 15-18%。
MEV (礦工可提取價值) 的“潛在市場總量”正在呈指數增長 (見下圖)，自 2020 年初以來，至少有 3.5 億美元的 MEV 被提取，其中三分之一發生在 2021 年2月。提取的大部分 MEV 集中在 Uniswap、Sushiswap、Curve 和 Balancer 等熱門自動做市商之間的套利行為，Compound 和 Aave 的清算也佔到了一小部分。
上圖：自2020年1月1日以來累計被提取的 MEV。來源：https://explore.flashbots.net
這種蝴蝶效應是驚人的：套利和清算機會創造了 MEV。費用預估器使用經 PGA 競價調整後的 Gas 價格作為參考，導致使用者為他們的交易支付過高的費用。
這個問題的核心是，使用者和機器人在同一個交易記憶體池裡。
在理想情況下，涉及 MEV 的交易應該與非 MEV 交易處於獨立的交易池中。這將允許提取 MEV 的機器人相互競爭；而所有其他交易，比如加密貨幣的轉移，將在非 MEV 交易池中進行，這將使使用者享受一個更穩定的 Gas 市場。
但不幸的是，對以太坊來說，這種重大更改很難執行。解決這個問題的一個更簡單的方法是為礦工引入一個新的 API 端點，在那裡他們將接受僅涉及 MEV 的交易包。透過這種方式，套利交易員將直接向該終端提交他們的交易，而使用者將繼續像今天一樣使用系統的其餘部分。這就是 Flashbots 正在採取的方法[3]。
04
礦工將如何適應MEV？
在過去，當費用佔區塊總收益的百分比是微不足道的時候，礦工的主要關注點是儘可能多地獲得區塊獎勵(比如，當前的以太坊區塊獎勵是每個區塊 2 ETH)。礦工往往會選擇一個擁有足夠多算力的礦池來託管自己的算力。經過多年的發展，礦池已或多或少地最佳化到相同的效能範圍，落後於同行的礦池將很容易被識別出來，很快就會被競爭對手擠掉。
除了一些礦池的基本引數 (比如收入分配計劃、加入礦池的手續費等) 以外，礦工並不關心他們加入了哪個礦池；使用者也並不真正關心哪個礦池處理他們的交易；而只要交易費有吸引力，礦池也不關心誰是使用者。
但隨著 MEV (礦工可提取價值) 佔區塊總收益百分比的增長，礦工、礦池和使用者的考慮開始變得更加微妙。有了 MEV，區塊空間市場機制將從純粹的商品市場轉變為包含一些配對市場的元素。當使用者提交交易時，他們應該要意識到礦池在及時處理他們的交易的能力。
在其他條件相同的情況下，MEV 會導致 Gas 價格高於 MEV 不存在時的水平。這意味著，礦工已經間接地獲得了套利交易員提取的 MEV 總價值的一小部分，目前估計佔比約為 12%。最近的一項分析也表明，礦工透過 MEV 所賺取的費用最終將會超過“常規”收入流。也就是說，礦工是尋求利潤的實體，可能希望捕獲更多的 MEV。透過利用它們在處理交易的順序上的權力，礦工可以選擇插入、重新排序甚至審查交易，以最大化其打包交易的利潤。
理論上講，在極端情況下，礦工們會不斷重組區塊鏈，因為他們會試圖從過去已經被打包的區塊中提取 MEV 價值。雖然有可能發生，但這種情況並不明顯可信：礦工 (大多數) 在結構上長期持有 ETH，而這種重組行為將直接對他們的 ETH 投資產生負面影響。
更樂觀的看法是，礦工將決定把 MEV 的提取外包給套利交易員。礦工可以使用上述 Flashbots 方法，或者將他們的算力出租給專門的交易公司。
我們預計，以太坊礦池將不可避免地開始在 MEV 提取過程中更加活躍，因為它們尋求為自己提供的算力獲得最佳收益。隨著 MEV 提取競賽的升溫，以太坊挖礦生態系統的 (去) 中心化將如何受到這種市場結構變化的影響仍有待觀察。
05
生態系統中的使用者將如何參與到MEV 中來？
算力的金融化是挖礦行業的一個重要潛在趨勢。對於礦工來說，透過算力工具 (hashpower instruments) 來出售他們的算力是他們鎖定未來收入的一種方式。類似於在雲挖礦平臺上租用算力，遠期合約 (forward contracts) 允許礦工以預付價格將固定數量的算力出售出去一段時間。如果區塊空間類似於房地產，那麼算力就是該房產的權益，而算力的遠期合約類似於抵押。
那些預期網路 MEV 活動將增加的活躍 DeFi 使用者，可以透過購買這些算力工具來進行投機。例如，預計未來 15 天網路 MEV 活動將激增的交易員，可以在未來 15 天以預先價格購買 x 數量的算力。在合約期內，挖礦收益加上礦工獲得的 MEV 收入將隨後傳送給該交易員。
這種算力工具和 MEV 都代表了挖礦資本市場的前沿發展。新工具正在積極地朝著這些方向發展。MEV 和算力工具為使用者和礦工閉合了一個完整的迴圈。
06
總結
以太坊區塊空間市場結構是一個值得研究的有趣話題，而且有充分的理由。在這個分析中，我們觀察到了 GPU 和 ASIC 算力市場之間的主要差異。我們還明確了創造需求側動態的關鍵機制，並將區塊空間的供給側和需求側在 MEV (礦工可提取價值) 方面捆綁在了一起。
MEV 是以太坊交易型別日益複雜的必然結果。隨著針對 MEV 的工具和知識庫越來越主流，將會出現更多有趣的 MEV 模式。
改變一種商品在市場上的銷售方式也會改變這種商品的生產方式。MEV 為挖礦行業創造了新的收入渠道，從而反過來影響挖礦行業與區塊空間的買家 (即交易使用者) 之間的互動方式。以太坊挖礦週期將出現新的模式。
感謝 Tina Zhen, Tarun Chitra, Hasu 和 Alex Obadia 對這篇文章早期草稿的評論。
正文中涉及的連結：
[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
