DeFi 之道丨以太坊区块空间市场：挖矿、黑暗森林与 MEV

可以自由运行的市场就像可以一个自由转动的车轮：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，是市场设计要解决的问题。
―摘自美国诺贝尔经济学奖得主埃尔文 E. 罗斯（Alvin E. Roth）的《共享经济：市场设计及其应用》

概览

• 区块空间市场概述

• 供给方：以太坊挖矿结构

• 供给方：以太坊挖矿市场周期

• 需求方：区块空间的时间价值

• 需求方：拥堵和收费

• 黑暗森林和暗池

• 矿工将如何适应 MEV？

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区块空间市场概述

区块空间（blockspace）是为所有加密货币网络提供动力的商品。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每一个方面。

当用户启动交易后，交易将以点对点的方式在每个节点的内存池中广播。每笔交易均有交易费用。这笔费用表明交易者购买区块空间的意愿，从而使自己的交易被矿工处理并打包进区块中。

每时每刻，都会存在众多提议的区块（proposed blocks）处于“薛定谔状态”之中，即处于「未确认」和「已确认」状态之间。这些区块竞相寻找第一个满足难度目标值的哈希输出。每个区块都有可能成为下一个区块。通过每秒数十亿次的计算，矿工们战胜这一概率波，形成区块链账本的历史记录。

由于每个区块的大小存在上限，即在给定的时间内可以被打包的交易数量有限，因此这赋予区块空间一个隐性时间价值。当交易长时间未被确认，可能会受到市场波动的影响，或者被套利机器人抢先完成交易。用户为购买区块空间所支付的费用，反映了他们竞标意愿程度。区块空间市场连接了矿工和用户。

从表面上看，由于缺乏中央协调，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实现自我调节。我们如何知道当前的市场设计是否是已优化？诺贝尔经济学奖得主埃尔文 E. 罗斯揭示了答案。

罗斯是公认的市场设计领域先驱。他在开创性著作《共享经济：市场设计及其应用》中指出，为了保持正常运转，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：市场参与者必须有安全感，才能披露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并不总能得到他们想要的结果。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使区块重组变得成本高昂。

3. 不拥堵：交易应及时完成或取消。如果市场不能有效应对交易量带来的拥堵，参与者可能遇到大面积延迟，交易无法被打包到区块中。比如，最近以太坊 DApp 人气爆棚，由于网络拥堵，Gas 价格随之暴涨。

在比特币和以太坊的历史上，如何优化区块空间市场结构的设计经常会引发许多激烈的辩论。在下文中，我们将从供给侧（矿工）和需求侧（用户）的角度阐述以太坊区块空间市场的结构。我们将梳理当前的区块空间市场设计是否提供深度、缓解拥堵，或者安全和简单参与其中。接下来，我们将讨论优化区块空间市场结构的热门提议，以及区块空间市场潜在的发展方向。

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供应方：以太坊挖矿结构

整个挖矿行业的终极目的是为单一商品（即区块空间）充当去中心化、透明的清算所。

这项任务绝非微不足道。在一个没有权威协调且全球范围 24x7 运行的分布式区块链系统中，区块空间以匿名的方式拍卖，矿工需要通过投入大量硬件和能源成本，进行大量计算以确保区块链网络的安全，从而为区块空间提供强大的结算保证。

尽管人们普遍担心算力过于集中，但挖矿行业并不是一个单一的组织。区块空间市场的价格波动对每个参与者的影响程度不同。每个矿工都受到地点、矿机类型、温度、维护和挖矿策略等因素的严重影响。

比特币和以太坊挖矿有着截然不同的市场结构。比特币和一些 PoW 代币几乎完全迁移到了 ASIC 挖矿时代。另一方面，尽管以太坊是第二大市值加密货币，但以太坊挖矿领域几乎不存在 ASIC 挖矿。虽然经常出现新的以太坊 ASIC 制造商的传言，但据估计，目前大约 80-90% 的以太坊算力是由 GUP 挖矿主导。

从结构上讲，主要由 GPU 挖矿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？

GPU 挖矿离不开英伟达（NVIDIA）和 AMD。这两家大厂要么直接销售独立显卡，要么批发 GPU 芯片和内存给下游显卡制造商。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”。有很多白标的定制挖矿显卡品牌。

市场上，定制显卡矿机厂商（OEM）数量明显多于 ASIC 矿机制造商。因此，以太坊的哈希率构成比典型的 ASIC 网络更为多元化。这也给分销商垄断渠道带来了挑战。矿工有更多选择，因为他们无需等待比特大陆、神马等 ASIC 矿机制造商解决供应链难题。这意味着，GPU 供应通常不像使用高级后端流程的 ASIC 矿机那样常遭遇瓶颈。

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。而且，零售类 GPU 显卡在其他计算领域（如游戏、数据中心和 AI）中也很有价值。总体而言，GPU 矿工在硬件选择方面具有更高的选择灵活度。

结构决定特性。硬件构成决定了挖矿行业的资本支出和能源消耗。这两个因素是计算挖矿成本的关键因素，同时对挖矿生态系统余下部分产生了连锁效应：从制造、分销、托管设施、Gas 成本波动、对以太坊改进提案（EIPs）的偏好，到挖矿周期的定义特征。

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供给方：以太坊挖矿市场周期

在 The Alchemy of Hashpower 一文中，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。

由于挖矿硬件市场固有的流动性不足，网络哈希率变化往往滞后于价格变化。“硬件反应时间”取决于各种外部因素，例如制造商的供应链限制、晶圆代工厂库存、工厂产能，甚至运输物流。

今年，这些延迟显得尤为重要，因为市场正全速奔跑进入疯狂牛市。矿工和投资者争先恐后地订购新机器。另一方面，矿机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，英伟达最近宣布，将人为削弱最新显卡运行 Ethash （PoW 挖矿算法）性能，以阻止矿工买下所有 GPU 库存。这意味着，除非代币价格或费用大幅上涨，否则等到积压的矿机最终上线时，“清理库存”和“洗牌出局”阶段可能会让很多矿工非常痛苦。

以太坊中，挖矿收入主要有三个来源：

1. 内置的区块奖励（每个区块奖励 2 ETH + 叔块奖励）

2. 交易费

3. 矿工可提取价值（MEV）-下文详细展开

以太坊中的交易费用占总区块回报的百分比要比比特币高得多。这意味着，以太坊矿工不仅关注币价，还会关注 Gas 价格的走势。即使 ETH 价格保持不变，交易费的增加也将足以激励以太坊矿工增加哈希率。

此外，如前所述，与 ASIC 网络相比，由于 GPU 在选择和分布上的灵活性，更容易扩大或缩小哈希率。因此，以太坊挖矿的周期往往比比特币更短：

挖矿周期越短，意味着挖矿收益高时竞争迅速加快，而 GPU 硬件选择的灵活性则意味着挖矿收益低时，哈希率更容易解除。单位盈利能力（每 MH/s 的区块奖励）可能剧烈波动，因此很难预测收益：

币价和交易费的明显上涨吸引了更多的矿工参与。然而，与大多数商品市场不同，更多的生产者并不意味着区块空间供应的增加，因为区块空间的供应由区块大小和平均出块时间决定。这意味着，哈希率的提高并不会降低网络交易费用，而是增加网络的安全预算。随着越来越多的矿工加入竞争，对历史区块进行重组的成本变得更高，从而改善了网络的结算保证。

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需求方：区块空间的时间价值

由于区块大小存在上限，以无许可的方式参与需要竞争系统的资源。对任何发起链上交易的人来说，交易费范式是最关键的核心用户体验。

作为最受欢迎的存储和执行智能合约的平台，以太坊的实用性迅速上升。DeFi 的“货币乐高”已经使诸多 DeFi 产品和服务以无需许可的方式相互结合，并极大地推动了新的金融项目的创新。

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竞价。这是一种简单的拍卖形式。用户提交出价，以交易费的形式支付给矿工，争取将交易打包在下一个区块中。用户可以通过交易的 Gas 价格（gwei / Gas［1gwei = 1e-9 ETH］）来选择出价。

实证观察表明，矿池交易选择方法中超过 75% 的矿池遵循默认策略，没有优先级，即仅仅按照交易费的降序打包交易，而不优先打包任何特定地址的交易。

区块空间需求侧的市场结构很简单，用户希望将支付给矿工的费用降到最低，以享受平滑的体验，而矿工希望最大化他们的收入，因为他们是追求盈利。

毋庸置疑的是，用户支付的费用将始终遵循供求关系。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。对于下一个区块，如以下待处理事务队列的形状所示：

区块空间是加密领域最接近“数字房地产”的东西。区块空间具有“房地产”的内在价值，是经济活动发生地。

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降低。对于用户而言，由于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。

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需求方：拥堵和收费

区块空间的时间价值直接转换为用户支付的费用。在这种收费模式中，预估“正确”的 gas 价格是一个难题，可以从单个区块内 Gas 价格的波动性看出。

一周内，Gas 中位数价格从 100 Gwei 波动至 400 Gwei。

回顾一下罗斯提到的成功市场设计的三个要素：市场深度、安全性和不拥堵。显然，交易拥堵时，Gas 价格对于普通用户而言通常涨得过高。其瓶颈到底在哪里？

Gas 费用的不可预测性源于一个事实，即用户无法对接下来的 第 1 个、第 5 个或 第 10 个区块中包含的合适费用进行协商。如今，大多数用户都采用 “一次性出价”方式。他们只对交易进行一次广播，然后等待交易被打包进去。通过允许用户在一定范围内表达其费用偏好，可改进恒定因素，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各方的利益。目前，讨论了三种可能的路径：

• 短期：增加区块大小。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，增加供应）。但这种变化只能暂时缓解高额费用带来的痛苦，因为新的需求会迅速填满区块，再次推高费用。此外，区块大小的增加使得区块链节点软件占用更多资源，因此应避免使用这一方式，以保持系统的去中心化属性。

另一种方法是重组竞价程序。如今，所有区块链的费用机制都实施了“最高价拍卖”。以太坊 EIP-1559 则提议，当系统不拥堵时，将费用机制更改为固定价格销售，允许用户轻松地选择“最优”报价来满足其选择偏好（与现状相反）。

EIP-1559 的变体已在 Near、Celo 和 Filecoin 中部署。

该提案计划于 2021 年 7 月在以太坊激活，这将是有史以来公有区块链最大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。超过 60% 的矿池表示反对该提案， EIP-1559 已经变成了用户与区块空间生产商之间的“贸易战”。虽然目前还难以量化此提案将对矿工的交易费收入的确切影响，但矿工们普遍认为，Gas 价格需要大幅上涨，以弥补损失。中国以太坊社区“以太坊爱好者”的阿剑直言不讳地批评这项提议，他认为 EIP-1559“会失去矿工的忠诚”。币印矿池（Poolin）尽管尚未宣布任何正式立场，但其创始人认为，该提案实际上不会对挖矿收入产生太大影响，但“侮辱性极强”。

然而，并不是所有矿工都这么认为。以太坊矿池 F2Pool （鱼池）的创始人是 DeFi 产品的活跃用户，他们支持这个提案。甚至连比特币区块大小“内战”的中心人物吴忌寒也表达对以太坊 EIP-1559 提案的支持。根本上来说，对于扎根于世界各地的非结构式开放生态系统而言，人类的协调仍然是最大的挑战之一。

从长远来看，适当的解决方案是允许供应方实现扩容，而不会对 Layer1 系统的信任需求产生重大影响。毕竟，用户想要低费用，而低费用不是一个经济机制设计问题，而是一个区块链可扩展性的基本问题。值得注意的是，可扩容性允许更多的需求进入系统，这将抵消每笔交易平均费用的下降。主要方法是所谓的 Layer 2 解决方案，如 Optimistic Rollup 和 ZK Rollup。

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黑暗森林和暗池

如果只是在比特币背景下看，那么围绕需求方的讨论将到此结束。然而，以太坊正在构建一个颠覆游戏规则的完整金融系统。在一段有限的时间内，以太坊可能会存在某些“机会”，这些机会以套利的形式存在，或者以某项高需求资产的在出售时仅提供有限的参与名额（如 ICO）的形式存在。

类似于人们争相排队抢购限量版服装，开发者已构建了可以智能竞争链上机会的软件，这些软件甚至通过设置 Gas 价格竞标价与其他机器人相互竞争。

这个概念被称为“最优 Gas 费竞拍”（Priority Gas Auction，简称 PGA）。它最早在 Phil Daian 等人的开创性论文《Flash Boys 2.0》中首先提出。PGA 产生的“不规律”收入流称为矿工可提取价值（Miner Extractable Value，MEV）。参与 PGA 的机器人有机会获得非常有利可图的机会，他们愿意以高昂的 Gas 价格出价，获取最高利润。

在《以太坊黑暗森林》（Ethereum is a Dark Forest）一文中，作者描述了一场价值捕获，其中大约 12,000 美元的代币落入了“捕食者”手中。这些捕食者是套利机器人，它们不断监视内存池中的活动，并试图根据预先确定的算法抢先交易特定类型的交易。Uniswap 等 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”(dark pools)，让交易绕过公共内存池，因此在这些交易写入链上之前，对公众是不可见的。这些暗池不向网络广播交易，而是直接将交易转给矿工，这些暗池并非完全追求利润最大化。《逃离黑暗森林》（Escaping the Dark Forest）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一个有问题的智能合约中解救出 25000 ETH。

抢先交易和暗池并非加密货币市场独有。它们代表了一种与时间一样古老的金融驱动力：隐蔽。华尔街长期以来一直在接受这种有争议的投资方式。在人的角度看来，一秒钟内可能有数百个交易机会是非常拥挤的市场；但对于计算机来说，机会相对稀少。据估计，2015 年后，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，至少有 3.5 亿美元的 MEV 被提取，其中三分之一发生在 2021 年 2 月。大部分提取的 MEV 集中在 Uniswap、Sushiswap、Curve 和 Balancer 等热门自动做市商之间的套利行为，Compound 和 Aave 清算也占到了一小部分。

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。费用预估器使用 PGA 推高的 Gas 价格作为参考，导致用户为自己的交易支付过高的费用。从根本上讲，这个问题的核心是，用户和机器人在同一个交易内存池里，与他们是否追逐 MEV 无关。

理想情况下，MEV 交易应与非 MEV 交易处于独立的交易池中。这样提取 MEV 的机器人相互竞争，而所有其他交易（如 CryptoPunk 转让），将在非 MEV 交易池中进行，这将降低 Gas 市场的波动性。

不幸的是，对以太坊来说，如此重大的更改很难执行。解决这个问题的一个更简单的方法是为矿工引入一个新 API 端点，他们将接受仅涉及 MEV 的交易包。这样，交易员将直接向该终端提交交易，而用户继续像今天一样使用系统的其余部分。这就是 Flashbots 所采取的方法，其造成的干扰最小。

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矿工如何适应 MEV？

过去，当费用占区块奖励总额的百分比微不足道时，矿工的主要重点是获得尽可能多的区块奖励。矿工会选择一个拥有足够大哈希率的矿池托管算力。经过数年的发展，矿池已或多或少地优化到相同的性能范围。落后于竞争对手的矿池可以轻易被识别出来，很快就会被竞争对手挤掉。除了基本参数（运气、付款时间表和矿池手续费），矿工并不关心他们加入了哪个矿池，用户并不真正在乎哪个矿池处理其交易。

只要交易费用诱人，矿池也不在乎用户是谁。

随着 MEV 相对于区块奖励的比例呈现增长，矿工、矿池和用户的考虑开始变得更加微妙。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元素。当用户提交交易时，他们应该意识到矿池及时处理交易的能力。

在其他条件相同的情况下，MEV 会导致 Gas 价格高于不存在 MEV 时的水平。这意味着，矿工已经间接地获得了套利交易员所取得全部 MEV 中的一小部分，目前估计占比约为 12%。

一份近期的分析报告还暗示， MEV 赚取的费用最终将超过“常规”收入（如果还没有的话！）赚取的费用。矿工是营利性实体，可能希望获取更多 MEV。矿工可以选择专门从事内部交易业务。他们利用交易排序中拥有的强大力量，可以选择插入交易、重新排序甚至审核交易，最大程度地提高交易操作的利润。

理论上讲，在极端情况下，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。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）在结构上长期持有 ETH，而这种重组行动将直接对他们的 ETH 投资产生负面影响。也就是说，任何理论上的矿工攻击被用户检测到，都将不会执行。

更乐观的看法是，矿工决定将 MEV 提取外包给交易员。矿工可以通过上述 Flashbots 方法（保留区块奖励，仅将排序外包）实现，或者将哈希率租借给专门的交易商。

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，因为它们寻求赚取哈希率的最佳收益。随着 MEV 提取竞争升温，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。

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生态系统其他成员如何参与 MEV？

哈希率的金融化是挖矿行业的重要潜在趋势。如果区块空间类比于房地产，那么哈希率就是财产权益，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，远期合同允许矿工以预付价格将固定数量的算力出售出去一段时间。

预期网络 MEV 活动将会累积的活跃 DeFi 用户，可以通过购买算力工具进行投机交易。例如，交易者预计网络 MEV 活动在未来 15 天内会激增，则可在未来 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 都代表了挖矿资本市场的前沿发展。市场积极构建新工具，并朝这些方向前进。MEV 和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而且有充分的理由研究的有趣话题。在本文中，我们观察到了 GPU 供给方 和 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态的关键机制，并围绕矿工可提取价值共同阐述这两方面。

正如 Charlie Noyes 在 MEV and ME 一文中写道：任何试图阻止矿工获取收入流的尝试，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 MEV 工具和知识库越来越主流，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 为挖矿行业开辟了新收入渠道，因此反过来影响挖矿业与区块空间买家之间的互动方式。以太坊挖矿市场周期将出现新模式。