EIP-1559 上线前夕,再探其设计原理与潜在影响

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当前以太坊 Gas 费拍卖模式难以实现资源有效配置,EIP-1559 正是为解决以太坊 Gas 交易效率低下问题而提出的解决方案。

原文标题:《EIP-1559 上线前夕,再探 EIP-1559 设计原理与潜在影响》

撰文:李炼炫、陈雨萱,就职于火币研究院

以太坊 EIP-1559 协议的主要目标是改善 Gas 费拍卖效率问题。此前以太坊采用一价密封拍卖模式,但由于市场上信息不对称问题,引发了资源配置低下和贝叶斯博弈下报价策略复杂化的问题。为此,EIP-1559 引入了每笔交易必须支付的固定费用 Base Fee,并将其内嵌公式化,由此改善了信息不对称问题,提高了拍卖效率;同时为了防止矿工舞弊和抽象经济问题,EIP-1559 将 Base Fee 部分进行了销毁处理,并引入了由用户自主报价的 TIP 费用,来激励矿工打包交易。当然,Base Fee 销毁机制不可避免地影响了矿工群体的利益,但利好于 ETH 持币群体。此外,EIP-1559 无法从根本上解决交易费用高昂的问题。

北京时间 8 月 5 日晚,以太坊将正式迎来伦敦硬分叉。在本次升级的内容中,EIP-1559 提案受到行业的广泛关注。然而提到 EIP-1559,中文社区对其认知却有明显不足。例如,很多读者误认为 EIP-1559 提案是为了降低链上交易手续费,或者是为了实现 ETH 的通缩。在不尽的争议中,EIP-1559 的真实动机却逐渐被喧嚣所埋没。为此,在 EIP-1559 即将升级的前夜,有必要带领读者们重新认识 EIP-1559,了解其背后动机、原理与影响。

EIP-1559 的背景动机

相信大部分读者都有所了解,EIP-1559 主要是修改了以太坊上交易手续费的收取方式。而以太坊的这种交易机制,本质上是一种是拍卖。目前流行的拍卖方式主要有四种模式,分别是英式拍卖(增价拍卖),荷兰式拍卖(减价拍卖),密封一价拍卖和密封二价拍卖,具体如下表所示。其中,以太坊采用的是密封一价拍卖模式:用户在出价相互保密的前提下提出手续费报价,矿工优先将出价更高的交易打包进区块,以获取交易手续费。

以太坊

拍卖的最大特点在于,价格由竞争的方式来决定,不是由卖方说了算,也不是由买卖双方讨价还价完成。竞争决定价格的优越性源于非对称信息(理解这点很重要,后文我们可以看出 EIP-1559 正是为了优化这一问题),卖方不完全知道潜在买方愿意给出的真实价格,每一个潜在买方也不知道其他买方的出价。当然,对于拍卖这种特殊的经济机制设计,在任何情况下都有两个核心目标需要完成:

帕累托最优:该拍卖能实现资源的有效配置,这意味着拍卖品应出售给对它评价最高的用户,因为评价最高的人往往是最需要拍卖品的人;

利润最大化:该拍卖可使卖方获得最大期望的利润

在传统经济学的假设条件之下,密封一价拍卖模式是可以实现帕累托最优的(即交易的高效率)。然而,以太坊所处的现实情况已经超出了传统经济学的假设,使得当前的 Gas 费拍卖机制深受市场诟病,主要体现在以下两点:

(1)以太坊 Gas 费拍卖中信息不对称,导致资源未有效配置,交易效率低下

在密封一价拍卖规则下,每个买方都会有如下考虑:如果他对物品的真实评价是 100 美元,那么他绝对不会出价 100 美元,因为这样做他的盈利为 0;他更不会出价高于 100 美元,这意味着他会亏本。因此,他最好出价低于 100 元。然而此时他却面临如下权衡:出价越高,赢面越大,但赢后所得利润越少;出价越低,赢面越小,但赢后所得利润越大。因此,他必须在赢面大小和赢后获利大小之间做权衡,找出一个最优出价策略。

密封一价拍卖实现帕累托最优的前提是保留价格 等于真实评价。但以太坊的 Gas 拍卖机制却未能实现这一点,主要原因在于信息的不对称性。一个典型的案例:考虑只存在两个用户,对 Gas 的真实评价分别为 50 美元和 30 美元。如果具有较高评价(50 美元)的用户 A 错误地认为另一个用户 B 的真实评价为 10 美元,那么用户 A 就会出价 20 美元来赢取商品;然而用户 B 却出价 30 美元,最终造成了对 Gas 费评价最高的用户 B 未赢得商品,这显然未实现资源的有效配置,造成交易效率的低下。

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(2)密封一价拍卖模式导致出价策略的复杂化,提高了用户的出价成本

在中文社区中,很多解读文章都提及 EIP-1559 的是为了改善用户的体验。但却未说明其中缘由。从博弈论角度看,密封一价拍卖机制是一个典型的静态贝叶斯博弈,即用户赢得拍卖的可能性不仅取决与他自己的出价,也取决与其他买方的出价策略,导致用户没有占优策略(所谓占优策略,即无论竞争对手如何反应,自己都有一个最佳策略,类似「以不变应万变」)可以选择,使得出价策略复杂化。

在这里,以太坊的 Gas 费拍卖机制可以看成一个简化的鹰鸽博弈模型,即不完全信息条件下的单次静态贝叶斯博弈:假设用户 A 与另一位用户同时进行 Gas 费拍卖,但并不知道对方是提供的报价比自己高还是低。假设对方是高保留价格用户(M 类用户)的概率是 m,对方是低保留价用户 (N 类用户) 的概率为 1-m。则双方的博弈策略和收益矩阵如下所示。从图中可以看出,任何一个用户在进行报价时都面临四种情况,必须要先推测其他人是高保留价用户还是低保留价用户,随后还要评估自己应该报低价还是报高价,每种情况下都有不同的应对策略和收益,完全没有占优策略。

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当然,我们也可以用简单的数学公式来描述静态贝叶斯博弈:有 n 个买方,买方 i 的私人价值是 vi,他的策略是出价 bi,策略范围在 [0, + ∞) 区间上。他的收益取决于他自己的出价 bi,也取决于其他人的出价 bj。我们可以把买方 i 的期望收益函数表示成:

U_i=(v_i-b_i)Pr⁡(b_i≥b_j,j≠i)

其中 Pr(.) 为 b_i 在所有出价中最高的概率。经过一系列复杂推导,我们可以得到贝叶斯博弈的均衡价格:

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其中 v^((1)) 和 v^((2)) 分别为所有买方私人价值 (v1, v2, ..., vn) 的最高值和第二高值。

从这可以看出,贝叶斯博弈下用户的最终均衡报价,不仅仅与所有买方的私人价值的最高值与第二高值有关,还与参与拍卖的人数、价值分布函数 F() 有关。因此,以太坊的 Gas 拍卖机制增加了出价策略的复杂度,降低了用户的拍卖体验。

总体来说,当前以太坊 Gas 费拍卖模式,既无法实现「真实价高者得」的资源有效配置,带来了出价策略复杂化的困难。EIP-1559 正是为解决当前以太坊 Gas 交易效率低下问题而提出的解决方案。

EIP-1559 的内容与原理

EIP-1559 提案实际上包括两大块:一个是 Gas 拍卖机制的改革,另一个是区块松弛机制。这里我们主要分析 Gas 拍卖机制。

通过第一节的分析我们可以看出,造成以太坊 Gas 费拍卖低效率的主要原因在于信息不对称:

由信息不对称导致保留价格不等于真实评价,造成一价密封拍卖无法实现资源有效配置;

由信息不对称形成的贝叶斯博弈,造成出价策略的复杂化。

下面让我们看看 EIP-1559 如何解决这两个问题。提案为以太坊引入了每笔交易必须支付的固定费用,即 Base Fee。具体而言,Base Fee 根据前一个区块的情况而上下浮动,目标是平均区块利用率为 50%。当前一个区块的使用率超过 50% 时,固定费用按比例上升(每个区块上限为 +12.5%),当使用率低于 50% 时,费用下降。计算 Base Fee 的公式被具体写在协议中,在每个区块之后,Base Fee 会自动更新:

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这里,b 代表 Base Fee, t 代表区块高度,T 代表区块大小,目标区块负载为 T/2,g 表示包含在区块中的交易数量,由于 g 取决于基本费用 b,我们将 gt | bt 表示在基本费用等于 bt 的情况下包含在 Bt 中的交易数量。D 为调整因子,当前设置为 d=0.125。

如果仔细分析,我们可以看出,因为 Base Fee 内嵌在协议中,并且是根据区块现状而自动进行调整,这本质上是官方为拍卖机制引入的一个价格参考标准:如果用户的保留价格低于 Base Fee,那么他将选择不出价,等到未来 Base Fee 低于自己的保留价格时再出价;如果用户的保留价格高于 Base,那么他将选择报价高于 Base Fee。因此,EIP-1559 通过将 Base Fee 移到协议内部的方式,为交易者提供一个可预测的交易报价,降低信息的不对称性,在一定程度上缓解了资源配置效率低下和报价策略复杂化问题。

然而,如果 EIP-1559 只有 Base Fee,又会带来另一个严重问题:矿工舞弊。这类问题最常见的方式有两种:一是矿工可通过自己生成交易来抬高 Base Fee (毕竟 Base Fee 是由固定公式调控),由此使自己获利,但这严重损害了用户的利益,并且容易带来网络的堵塞;二是通过与用户串谋,达成「链下交易」 的方式,来使自己获益,但这使得 ETH 在以太坊上的地位被削弱。

基于以上原因,EIP-1559 设计了最具争议的 Base Fee 销毁机制。Base Fee 不支付给矿工而是进行销毁,这完美地解决了上述的矿工舞弊问题:首先,矿工很难再通过自己生成交易来牟利,因为他们不能只将自己的交易塞进一个区块中而不消耗费用;其次,「链下交易」以后将不再可行,它巩固了 ETH 作为支付使用以太坊的唯一方式,防止经济抽象 。

然而,如果完全销毁所有的交易费用,那么矿工将没有动力继续打包交易;更重要的是,在以太坊网络出现堵塞时,仅有 Base Fee 的 Gas 费机制又将无法实现资源的最优配置。为此,有必要在 Base Fee 的基础上引入一笔小费作为矿工的激励,这就是 Tip。Tip 报价采用的也是一价密封拍卖机制,但相较于占 Gas 费大部分的 Base Fee 而言,Tip 只能算一个小额小费,因此其中带来的交易效率问题不会成 Gas 拍卖机制的主要问题。

Tip 的大小由用户自己决定,在以太坊拥堵时,Tip 越高的报价越容易打包上链。但 Tip 的报价并非没有限制,因为 EIP-1599 有一个价格上限(Fee Cap),代表用户愿意为交易打包进区块所支付的最高费用,确定了 Fee Cap,也就确定了 Tip 的上限。

至此,EIP-1559 拍卖机制正式成型:Gas 费用被拆分用 Base Fee 和 Tip 两部分,其中 Base Fee 部分由协议公式根据区块情况计算得出,并且最后被销毁;Tip 部分的大小由用户决定,最后支付给矿工。

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当然,需要注意的是,除最重要的拍卖低效率问题外,EIP-1559 还解决了其他两个低效问题:Gas 费用的高波动和用户延迟较长问题,这两个问题本质上都是区块的 Gas 上限造成的,所以最后通过区块松弛机制来缓解。这里因为篇幅的原因不再赘述。

EIP-1559 的影响

从上面我们可以看出,EIP-1559 主要是为了解决当前以太坊 Gas 交易效率低下而提出的新方案。当然,由于争议性的 Base Fee 销毁机制,在一定程度上改变了以太坊现有的利益分配格局。从现实上看,EIP-1559 能带来以下影响:

直接影响:

提高以太坊 Gas 拍卖效率,改善用户报价体验;

防止矿工舞弊,保证交易的顺利进行

解决「经济抽象」问题,强化 ETH 在以太坊的地位

其他影响:

Base Fee 销毁导致矿工收入减少,严重损害了矿工利益;

可能导致 ETH 通缩,但总体上减少了 ETH 流通量,利好 ETH 持有者;

不能解决的问题

EIP-1559 不能解决 Gas 费高的问题。从经济学角度看,Gas 费的高低取决于市场供需关系,因此降低手续费的根本是扩容。EIP-1559 主要目标是解决拍卖机制的定价问题,并不能从根本上解决 Gas 费高的问题。

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