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2020/6/10|市場研究¹——
以太坊改進提案EIP-1559分析
如果以太坊改進提案（Ethereum improvement proposal）EIP-1559²得以實施，將成為使用者在任何主流區塊鏈競標區塊空間方式的最大改變。雖然擬議的規則相對簡單，但該提案將對使用者、礦工和錢包提供者帶來重大變化，甚至會從整體上影響以太坊的安全性。
本文將首先分解該提案的不同構成部分，以便深入討論；之後將分析該提案與其設計目標的吻合程度；最後探討可能存在的缺陷。
設計目標
EIP-1559有四個設計目標：
1
改善使用者體驗
比特幣和以太坊等區塊鏈平臺使用的第一價格拍賣制度（First price auctions）易於理解和實施，但卻效率低下（欲瞭解更多相關資訊，請點選參考連結³和參考連結⁴）。最大的問題之一就是費用估算。EIP-1559試圖透過對所有交易儘可能實施相同的費率（fee rate）來解決這一問題。在大多數情況下，使用者只需決定是否支付費用，而不再決定出價多少。由於費用估算更加準確，這種做法有望降低手續費。
2
實施鬆弛機制(Slack mechanism)
區塊空間的使用需求未必穩定。因此，一些區塊使用程度尚未過半，而另一些區塊已經人滿為患。鬆弛機制將允許某些區塊擴容，只要其他區塊相對較小即可。如此一來，便可以實施更長期的平均區塊大小限制，但同時允許各個區塊之間存在大小差異。
3
提高安全性
當區塊補貼（block subsidy）用完⁵時，僅依靠交易手續費（transaction fees）來保證安全性的區塊鏈平臺（例如將來的比特幣）可能會遇到問題。EIP-1559試圖將交易手續費和網路安全分離開來。交易手續費會被銷燬，改為用更可靠的永久性區塊補貼（perpetual block subsidy）來激勵礦工。
4
防止經濟抽象(economic abstraction)
當使用者可以使用任何代幣（例如：穩定幣）支付交易手續費時，原生代幣（native token）的儲備狀態和貨幣溢價將受到威脅。EIP-1559規定交易必須消耗特定數量的ETH，並希望由此增加經濟抽象的難度。
EIP-1559的作用原理：基本費+小費
根據協議，使用者需繳納一筆叫做基本費（BASEFEE）的最低費用，該費用為提案的首個構成元素。
由於協議無法阻止透過外部價格發現（price discovery）打包交易，所以最低費用制度通常無法實施。協議總是可以規定一個價格，但如果礦工和使用者達成了一個更低的價格，則使用者可以按協議向礦工付款，而礦工可以在協議外向使用者退款。
EIP-1559透過徹底銷燬基本費用制度來解決上述問題，防止退款的發生。
因為礦工收不到任何費用，因此使用者必須以其他方式來激勵礦工交易。那麼從使用者的角度來看，使用者在提交交易時，必須設定好兩個值：
首先，使用者需要確定一筆叫做GAS_PREMIUM的額外費用（以下簡稱“小費”）作為將交易打包進區塊的標價。通常情況下，它必須足夠高，才能補償礦工叔塊風險（如：1 Gwei）的邊際增長。當網路擁堵時，它允許交易者之間進行原始的第一價格拍賣。
其次，使用者還需確定一個價格上限（FEECAP），代表他們願意為交易打包進區塊支付的最高金額（包括小費）。這一點有必要，因為實際上基本費每分鐘都會上下浮動，並且所設費用上限不足的使用者應當有機會被打包進後續的區塊中。
概括地說，基本費允許協議在不促成鏈下市場（off-chain market）形成的前提下向使用者收取一筆最低費用。它為提高區塊空間利用機制的靈活性（例如統一的價格拍賣和彈性的區塊大小）奠定了基礎。
彈性的區塊大小上限
區塊大小的靈活性自然是越高越好，但如果區塊大小不受控制，則會造成已知的激勵問題。用更大的區塊來提高叔塊率（uncle rates）的能力會鼓勵礦工中心化。此外，必須控制驗證成本，來維持網路去信任化（trustless）的特性⁶。
彈性區塊大小機制應運而生。其目標是允許礦工僅以可證的成本（provable cost）來製造更大的區塊。孤塊率（orphan rate）的提高本身並非可證成本，因為可以透過提高中心化程度來降低孤塊率，但協議內的手續費銷燬是可證成本。
在 EIP-1559中，礦工可以偶爾超過區塊大小上限來應對突發需求，但僅限於有真正使用者需求的情況。原始的基本費透過引入實際成本（銷燬的費用）來阻止礦工透過垃圾交易擴充自己的區塊。
EIP-1559之所以有可能應對突發需求，是因為其用兩個值取代了區塊大小現有的硬上限：一個10m gas/區塊的長期目標和一個20m gas/區塊ⁱ的新硬上限。（相關補充說明請檢視註釋i)
長期來看，網路會上下調整基本費，以達到理想的平均區塊大小。當區塊小於目標大小時，費用會逐漸下調來增加需求。當區塊超出限制時，費用會逐漸增上調來減少需求。費用的變化程度由距10m的“距離”而定，但每個區塊上下浮動的程度均不超過12.5％。
總之，在基本費調整機制下，使用者若想達到理想的區塊空間利用水平，需支付的費用有可能更高，也有可能更低。
預期效果
1
改善使用者體驗
要評估使用者和錢包提供者的使用者體驗，我們必須考慮系統在不同擁堵狀態下的情況。
無擁堵狀態：
每當區塊低於 20m gas的最大上限時，使用者就沒有理由支付最低值之外的小費。即便基本費隨著時間的推移上下調整，也依然如此。
如此一來，打包進區塊就完全取決於基本費了。
願意同時支付基本費和最低小費的使用者將被打包進下一個區塊ⁱⁱ（相關補充說明請檢視註釋ii)。只要沒有擁堵，使用者就能以固定價格購買區塊空間。就好比你今天上亞馬遜，會發現你中意的商品都標有固定價格，有別於拍賣中的競價制度。使用者看到標價後，要麼接受交易，要麼拒絕交易。如此一來，使用者和錢包的費用估算就變得高度可預測了。
使用者甚至可以將費用上限設為低於當前基本費的某個金額，從而等費用降低時被打包進區塊。
偶爾擁堵的狀態：
當礦工在10M gas以上的區塊挖礦時，基本費就開始上升。實際上，它會一直上升，直到有一個10M gas或以下的區塊被開發為止。如果下一個區塊的容量是10M，基本費就將穩定在當前費用所在的位置。如果下一個區塊容量低於10M，基本費就會開始下降。
理解這一點很重要。如果區塊容量超出10m一段時間，交易就會變得非常昂貴，最終將需求拉低。那交易成本增長的速度有多快呢？
假設在第0個區塊的基本費為10億wei/gas。並假設ETH的價格為240美元，一筆典型的21k gas的交易成本為0.0005美元。只需經過10個20M gas的區塊，交易成本就會增加至0.02美元。經過100個區塊後，交易成本將增加至657美元。這就是指數增長的力量。
當區塊接近20M gas的上限時，有緊急交易的使用者多半會參與到小費拍賣中來，因為協議已經沒有一種二進位制的方式來確定交易的優先順序了（之前，使用者要麼願意支付基本費，要麼不願意）。
如此一來，網路擁堵時，協議就會退回現有的第一價格拍賣機制。
即使在小費拍賣中，交易者仍可預測基本費的高低。如果基本費在區塊0時的虛擬起始值為100，則它最多可以在T1時達到100 * 112.5％，在T2時達到100 * 112.5％^ 2，在T3時達到100 * 112.5％^ 3，依此類推。降費的情況也是如此。
以初始值為100的基本費為例，圖2的藍色區域顯示了其在未來的區塊中可能達到的潛在水平。
擁堵加劇的狀態：
由上文可知，EIP-1559允許在短時間內（而非較長時間內）使用更大的區塊。在需求劇增30分鐘後，一筆21,000 gas的簡單交易的基本費將超過1,000美元（假設基本費初始值 = 1 Gwei）。
讓基本費迴歸到更“正常”水平的唯一方法是開發10m以下的區塊。
試想一下，如果連續出現20m gas的100個區塊。接前述示例，一筆交易的平均成本增加到了657 美元。為了使基本費返回初始值，必須開發89個空塊。或者，我們也可以開發183個5m gas的區塊，或是371個7.5m gas的區塊，依此類推。
因此，高度擁堵情況下的一種典型模式，就是一系列非常小或比較小的區塊緊跟著一系列大的區塊。這也合理，因為時間偏好高的使用者現在可以提高他們的交易/挖礦速度。但是最終，基本費的上漲超出了交易者的需求，他們不得不等基本費再次下跌。
換個角度來看，鬆弛機制將價值許多區塊的容量從不久的將來帶到了眼前。但它本身無法產生更多的容量，最終，借來的始終需要歸還。
2
實施鬆弛機制
透過分析EIP-1559應對擁堵的方式，我們可以發現，其鬆弛機制與基本費在區塊之間的最大變化金額密切相關。它調整得越慢，系統就能越好地處理交易需求的變化。
這種變化的共同主題是晝夜迴圈或工作日-週末迴圈的週期性。就其目前的形式來看，EIP-1559不允許區塊在夜間增大然後到白天變得更大，因為這些時間段太長了，會導致白天的費用飆升至數十億美元，並相應地在晚上迅速下跌至接近於零。
因此，鬆弛機制的作用範圍為幾分鐘到半小時，超出此範圍則無效。需求將區塊大小往一個方向（如：滿塊）拉動的時間越長，基本費的上漲對其的反向拉動效果就越劇烈。
3
提高安全性
許多區塊鏈平臺都實行通貨緊縮的貨幣政策，即它們發行的新幣數量隨時間的推移逐漸減少。當發行量下降至足夠低的水平時，安全性就變為由交易手續費來支付。EIP-1559摒棄了這種僅靠收費來維持安全性的模式，因為大部分的交易手續費不會激勵礦工，而是會被銷燬。
因此，可以說 EIP-1559為礦工提供了一種永久性的區塊補貼，來確保協議的安全。但是，更準確地說，它將永久性區塊補貼的設計選項最佳化地更為妥當。原因是費用的銷燬對貨幣的供應起到了通縮的作用，從而允許在不增加總供應的情況下在其他地方發行新幣。
由於有永久性區塊補貼的協議為礦工帶來了更穩定的收入來源，因此可以說 EIP-1559對以太坊的長期安全性和穩定性有積極影響。
4
防止經濟抽象
在EIP-1559之前，嚴格說來，交易手續費無須以ETH支付。雖然網路僅支援以ETH支付的費用，但理論上使用者可以在帶外（out-of-band）以任何貨幣型別向礦工付費。但是，礦工也可以透過MEV間接地⁷獲得付款。例如，礦工可以在不收取手續費的情況下將去中心化交易所（DEX）的交易打包進來，因為他可以透過非法預先交易（front-running）在其他地方賺錢。
EIP-1559在很大程度上解決了這個問題。每筆交易的基本費部分都以ETH 計算，並且總是會被銷燬。在這種情況下，無論是誰付款，這些ETH都會從貨幣的供應中消失。礦工仍然可以自由選擇基本費較低的交易，但前提是他必須支付與以ETH計算的區塊補貼之間的差額。礦工在該區塊中會賺取更少的ETH，但使用者則會保留更多的ETH。因此這對於代幣供應而言是一場洗禮，總有人必須以ETH支付交易手續費。
之所以說EIP-1559“在很大程度上解決了這個問題”，是因為它可以防止對基本費（而不是小費）的經濟抽象。由於小費並沒有被銷燬，因此協議無法強行規定其支付方式或支付地點。結果就像是EIP-1559提出之前的同類鏈下市場。但是，如上文所述，在大多數情況下，使用者沒有必要支付最低值之外的小費。
可能存在的問題
人們對EIP-1559的一個主要擔憂是礦工是否可以並且是否願意操縱基本費。
當基本費為零時，由於沒有銷燬，因此礦工會收到使用者的全部出價。也需切記，只有當區塊空間供不應求時，才會開始小費拍賣。
一旦費用接近於零，礦工可以簡單地將費用永久保留在這個水平。如果他們從不在10m gas以上的區塊挖礦，那基本費也絕不會增加。如果需求從不超過10m （或礦工決定設定的任何10m以下的上限），那麼礦工將獲得全部費用。
但是，對於礦工整體而言的最佳選擇對礦工個體而言未必如此。這就是所謂的集體行動問題（collective action problem）。如果區塊的上限為10m gas，而有的使用者需要在20m gas的區塊進行交易，那麼只需一個礦工就可以打破這種聯盟，將支付小費的交易打包進來。
要使基本費制度穩定地佔據壟斷地位，就需要一個礦工啟用軟分叉（MASF）。在MASF 中，超過50％的雜湊率（hashrate）將保證忽略任何大於10M gas的區塊，從而激勵那一小部分人來遵循這種新實施的規則。
由於此攻擊向量（attack vector）始終存在於任何網路上，因此我們目前不認為它是EIP-1559的特定風險。
小結
由上文的分析可知，EIP-1559在很大程度上名至實歸。它應該可以增加費用估算的可預測性，非常短的高度擁堵時期除外，因為此時系統會退回到已建立的第一價格拍賣模型。由於基本費會呈指數增長，從而限制需求，因此這些時期註定會持續數分鐘。
由於有了基本費這個有趣的構成元素，上述優點才有可能得以實現。該提案透過在協議中設定基本費這個最低費用，開闢了新的設計空間：從彈性區塊大小到永久性區塊補貼，再到更強的抗經濟抽象能力，以及更好的拍賣模型。
EIP-1559的前途一片光明，但這並不意味著它已經達到了最佳狀態。我們僅僅評估了現有引數與其自身的設計目標的吻合程度。有必要對該機制的不同配置展開進一步研究。
如果你想複製我們的數字和圖形來自己做實驗，可點選訪問GitHub下載相關程式碼。
註釋i ：為了防止特徵蔓延（feature creep），最近規範又從硬性規定10m/20m的上限改回了保留由礦工投票的目標X的現狀。上限則會自動更新為2*X。
註釋ii ：取決於礦工如何決定區塊內的交易順序，此處也可能有例外。如果礦工想單純地最佳化收入，他可以按照小費遞減的順序來安排交易。如此一來，在同一區塊中，小費高的交易將排在小費低的交易的前面。因此，即使在區塊容量不足時，依賴塊內優先順序的交易（如做市或清算服務）也可能繼續進行小費拍賣。
儘管如此，礦工可以隨心所欲地安排交易，這是他們權利的主要來源。從給交易排序中能賺到的錢越多，我們就越單純地期望礦工將所有這些業務內部化，並排擠掉任何非挖礦競爭者。
參考連結
1. 市場研究：
https://insights.deribit.com/market-research/（或點選閱讀原文）
2. 以太坊改進提案EIP-1559:
https://github.com/ethereum/EIPs/blob/master/EIPS/eip-1559.md
3. 參考連結:
https://haseebq.com/blockchain-fees-are-broken/
4.參考連結:
https://ethresear.ch/t/first-and-second-price-auctions-and-improved-transaction-fee-markets/2410
5. 區塊補貼（block subsidy）用完:
https://uncommoncore.co/research-paper-a-model-for-bitcoins-security-and-the-declining-block-subsidy/
6. 網路去信任化（trustless）的特性:
https://insights.deribit.com/market-research/why-bitcoin-might-not-survive-a-bitcoin-standard/
7. 透過MEV間接地:
https://arxiv.org/abs/1904.05234
關注作者：
Hasu：https://twitter.com/hasufl
Georgios Konstantopoulos：https://twitter.com/gakonst
作者：Hasu和
Georgios Konstantopoulos
感謝Su Zhu、Patrick McCorry、John Adler、Nick Johnson、Dankrad Feist、Tarun Chitra、James Prestwich和Caleb Tebbe提供的有益討論和反饋。
