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HashKey 曹一新:分析以太坊 MEV 市场机制设计现状及趋势

2021-05-04 14:58

撰文:曹一新,就职于 HashKey Capital Research
审核:邹传伟,万向区块链首席经济学家

MEV 这一概念引起了以太坊社区的关注并抛出一个问题:如何设计一个较为合理的 MEV 市场机制?

该问题的重要性在于,MEV 交易竞争上链的过程影响着 DeFi 市场的套利效率和成本,而套利是 DeFi 市场有效运转的润滑剂;激励相容的 MEV 市场机制设计有助于促进利益相关方在自利决策驱使下行动,又同时为整体的经济效用带来裨益,提高 DeFi 市场中价格发现过程的效率和公平性,使之趋向有效。本文分析 MEV 市场的结构及易被利用的脆弱点,归纳以太坊 MEV 市场机制设计的主要模式,讨论现状与设计目标的差距,希望能为相关方带来些许启发。

MEV 市场的结构及脆弱点

MEV 市场的运行主要包括三个环节:

搜索

搜索者挖掘 MEV 交易机会,目前这一环节的发展处于早期阶段,搜索者以个体户为主,内部竞争激烈。

排序

搜索者参与「拍卖行」组织的针对特定区块空间交易排位的拍卖过程。「拍卖行」根据搜索者的投标选择交易并对其排序。市场对谁来充当「拍卖行」并没有加以约束,这也是机制设计中需要考虑的重点。

记账

矿工遵循区块链共识机制竞争记账权,将排序环节确认的交易列表打包进新区块。目前已形成由矿池代理「接单」、矿工专注挖矿、收益分摊的主流结构。

在整个生产过程中,实际上包含了三个竞争过程:

  1. 搜索者之间展开捕捉交易机会的竞赛;

  2. 捕捉到交易机会的搜索者之间展开对区块空间交易排位的竞拍;

  3. 矿工之间展开对下一个区块记账权的竞拍,该过程决定了谁能获得 MEV 这一额外收益来源。

在原始野蛮竞争的机制设计下,这片被称为黑暗森林的市场暴露的脆弱点在于:

交易隐私不被保护

正如之前 讨论 过的 ,在交易信息和投标价均透明的 PGA 机制下,搜索者在捕捉交易机会竞赛中的劳动成果容易被抢跑者搭便车,同时加剧对区块空间交易排位的恶性竞争,造成区块空间资源的浪费并拖延价格发现过程,有损 MEV 市场的秩序,对以太坊生态带来负外部性,也不利于搜索者通过技术壁垒建立竞争优势。

权利倾斜

在去中心化的设计目标下,为了吸引矿工加入区块链网络参与记账并维护网络安全,激励机制通过将区块内交易的选择和排序权利倾斜至矿工,使之能最大化其记账收益。在区块空间供不应求的情况下,这一自由度使矿工在与对手方关于区块空间的交易过程中处于明显的强势地位,在抢跑竞争中也有绝对优势。

在 MEV 市场现行的 PGA 过程中,由矿池(或个体矿工)直接充当排序环节的「拍卖行」并抽取搜索者的分成。虽然这个角色理论上也可由 Layer1 路由、Layer2 节点、Layer2 路由等担当,但最终打包区块的还是矿工,如何让矿工欣然接受别人指定的交易排序是需要考虑的问题,这就依赖良好的分工合作和利益分配机制。

虽然矿工包揽排序、记账环节,甚至直接介入搜索环节能为其带来更大短期利益,但从长远看,一个优化的排序和记账分工合作机制是可以预期的。矿工纵容抢跑行为将打击搜索者参与意愿并有损区块链生态的横向竞争力,使其长期综合收益折损;反过来,若搜索者为矿工提供的 MEV 分成平均超过矿工自己撸起袖子加油干的劳动所得,矿工就有动力将搜索、排序环节外包给专业人士。我们发现以太坊生态已经有若干方案在实践改进的 MEV 市场机制。

若干改进机制设计的亮点与不足

KeeperDAO:搜索者联盟

KeeperDAO 是个比较有意思的项目,可谓是亦正亦邪。它试图用三个博弈机制解决用户和搜索者的痛点。

隐藏博弈:制造搜索环节的信息不对称性

KeeperDAO 为用户和搜索者建立通道,可以让搜索者优先获得用户发送的交易信息,使之在捕捉交易机会竞赛中具备先发优势,并用 KeeperDAO 提供的「特殊智能合约」保护交易信息不被外部抢跑者窃取,套利收益的一部分将返回至用户作为回报。

先不谈「特殊智能合约」是否容易被破解,优先获得交易信息对搜索者是有吸引力的,但引发一个思辨:交易用户有权出卖自己的交易信息吗?同时这也会吸引抢跑者,使抢跑行为更接近于一种内幕交易。KeeperDAO 提出隐藏博弈的初衷(白皮书和 Medium 文章)比较消极,认为用户既然要被抢跑,不如把交易信息卖给抢跑者,挽回一点损失,这个观点在其它致力于减少抢跑交易的方案推行之后可能难以立足。但抢跑交易理论上是可以在后面要介绍的合作博弈机制中规避的。

对于用户而言,很难说有多少真的对自己交易被抢跑有所感知,他们直观的感受是 DEX 交易滑点很大,KeeperDAO 能帮助 DEX 优化这一用户体验,目前已经和 1inch,Bancor 建立合作,隐藏博弈也确实做到了将信息价值变现返回给用户。至于帮助即将触发清算的借贷者主动寻找清算方并挽回一点损失,KeeperDAO 与 DeFi Saver 等帮借贷人做自动反清算服务的项目相比没有明显的竞争优势。

KeeperDAO 同时也支持用户与搜索者之间的另一种合作关系:用户作为 LP 为搜索者提供本金,搜索者以闪电贷的形式借出资金进行套利,并将部分收益按 Staking 比例分摊给 LP。但可供选择的闪电贷来源不止一家(dYdX、Aave、Uniswap V2),搜索者采用 KeeperDAO 的流动性资金并提供分成的动力略显不足。

除了用户提供的优先信息,另一个可能吸引搜索者加入的措施是降低 PGA 成本。前面提到的用「特殊智能合约」隐藏 MEV 交易信息是一种技术手段,更值得一提的 KeeperDAO 提倡的合作博弈。

合作博弈:建立搜索者联盟

KeeperDAO 提出用一套共赢的博弈机制来激励搜索者形成合作联盟,削减 PGA 竞争,使搜索者整体 MEV 收益增大。但并不像矿工只用拼算力即可,搜索者捕捉交易机会和在 PGA 竞拍策略中胜出的能力存在差异,如何让搜索者联盟内部公平地分配收益比较烧脑。

KeeperDAO 提出了一个包括排序(schedule)和利润分配(profit sharing)两个过程的博弈机制。

排序

搜索者抵押 ROOK 代币至智能合约拿到一个 ID,每隔 100 个区块,系统会根据各位搜索者抵押的 ROOK 数量 Bk 按二次方投票的规则计算各自的权重:

Wk = sqrt(Bk)/SUM(sqrt(Bk))

这一权重将作为排序过程中被智能合约随机选中的概率,依次将搜索者 ID 排号入座。这意味着在 PGA 过程之前又开辟了一个合作联盟内部的拍卖市场,来对进入未确认交易池的交易进行局部排序。ROOK 代币就是搜索者拍卖的筹码。

用户的优先信息将同步给所有搜索者,但系统要求搜索者不能与排序在它之前的搜索者进行 PGA 竞争,并对违反者施加惩罚措施。这激励搜索者抵押更多的 ROOK 代币来获得更多的优先套利机会。不过排序靠后的搜索者也有捡漏的机会,如果排序靠前的搜索者未能把握优先交易机会,而被外部搜索者抢先,排序靠后的搜索者也可加入 PGA 竞争。

利润分享

排序阶段激励搜索者通过合作减少一部分 PGA 过程,从而抬高整体的收益。但联盟内排序靠后的搜索者依然要与所有排序在他之前的搜索者竞争,他们加入这个联盟相对处于弱势。KeeperDAO 设计的利润分享机制旨在促使搜索者收益的分布尽量匹配他们的搜索能力。

搜索者的收益会汇聚到统一的金库,并等额铸造一定数量的 ROOK 代币,按他们当初抵押 ROOK 的数量同比例分配。同时,系统会对联盟成员的绩效进行评估,并按绩效排名和抵押代币排名的差异调整利润。这个设置使得搜索者掂量自己搜索能力谨慎下注,并充分利用优先信息产出更多收益,理论上是一个合理的激励机制,实践效果有待观察。

激励博弈:ROOK 代币的闭环

KeeperDAO 方案无需修改以太坊底层系统,完全靠外部机制激励参与方行为,用 ROOK 代币的发行与流通贯穿了机制流程,使得所有收益都以 ROOK 代币的形式发放,解决了项目方如何盈利的问题,并持续积累储备金。ROOK 代币的经济模型和风险在此不加评论。

总体上,KeeperDAO 提出的合作博弈让我们看见一种可能性:搜索者从个体户转向集约型生产模式。KeeperDAO 通过制造信息不对称输送价值的行为模式在传统金融框架下具有法律风险,在 DeFi 领域里值得思辨:交易者是否有权利出售自己的交易信息给个别市场参与群体?

ArcherDAO: 密封拍卖机制

ArcherDAO 采用了另一种思路,为搜索者和矿工建立通道,让这两个群体谋求分工合作优化利益。搜索者负责捕捉 MEV 交易机会,通过 ArcherDAO 建立的中心化枢纽传递到矿工端,矿工择取高价值交易进行打包,实际上就是通过一个中心化的密封拍卖机制,基于对 ArcherDAO 和矿工的信用减少 MEV 交易被抢跑的风险。

同样的,ArcherDAO 提倡通过 LP 提供套利本金的方式将一部分 MEV 收益回流至用户,并推出 ArcherSwap 作为 DEX 的扩展开通普通交易用户与矿工的秘密通道,帮助交易用户降低滑点。

Flashbots: 密封拍卖机制+SGX

Flashbots 开发的以太坊客户端版本 MEV-Geth Alpha 版本也是一个密封拍卖机制。搜索者直接将 MEV 捆绑交易(bundle)通过路由发送给采纳 MEV-Geth 的矿工,由其按照 MEV-Geth 指定的区块构建规则选择对其利益最大化的交易组合和排序。

在这个密封拍卖过程中,搜索者不知道其它竞拍者的投标价,在 bundle 信息中指定交易被打包的时间节点,若在可接受的时间节点内没被成功打包,说明竞拍失败,该 MEV 交易会被直接取消并不用承担上链失败的损失。

为了进一步减少矿工抢跑的可能,Flashbots 拟引入 SGX 加强交易上链前的隐私保护。如图 1 所示,在路由和矿池端分别设置 SGX 模块,由路由充当「拍卖行」选择交易并排序,生成区块信息,将有限信息和验证 Coinbase 报酬相关证明传送至矿池,矿池之间进行 PoW 竞赛,谁先提供 PoW 证明,就能率先解锁完整区块信息,上传到以太坊主网获得奖励。

HashKey 曹一新:分析以太坊 MEV 市场机制设计现状及趋势图 1. MEV-SGX 设计架构

上述设计实际上将矿池之间的 PoW 竞赛关联到对 MEV 交易的拍卖过程中,提供 PoW 证明才能解锁完整信息的方式,使矿工投入更多沉没成本,当解锁后的区块信息内的价值大于矿工重复进行 PoW 的成本,他们才有抢跑意愿;矿池之间也存在博弈,其它矿池先一步将解锁后的信息诚实地上传到链上将使后来者的交易失败。不过,这种来回通信的过程可能会增加矿池在 PoW 竞赛中的耗时。

路由在这里扮演了排序环节的重要角色,仍然存在中心化单点攻击和信用风险,针对这个问题的另一个提案是搜索者各自独立维护一个 SGX,直接和矿池交互,这种 P2P 模式又将排序权移交给矿池,并且需要进一步解决交易排序前后的加解密问题。

另外值得一提的是,MEV-Geth 通过将搜索者的投标价从 PGA 中的 Gas 费转变成 Coinbase 报酬来降低搜索者竞拍对以太坊网络造成的负外部性。由于交易者可通过 Coinbase 报酬直接给矿工输送奖励而不抬高 Gas 费,MEV-Geth 定义了一个 MEV equivalent gas price 的概念来衡量矿工能从每工作单位中获得的收益:

MEV equivalent gas price = 总 Coinbase 报酬 ÷ 总 Gas 使用量

上述表征量直接忽略了 Gas 费,故由 MEV-Geth 节点打包的 MEV 交易手续费基本上都设置为 0。

Layer 2

Optimism 的研究员在以太坊研究论坛提出过一个增加对区块空间交易排序权的竞拍方案(MEVA)。提议将未确认交易池交易排序和打包两个工序分离,交由不同群体负责。矿工仍然通过工作量证明竞争打包区块权,而另一拨参与方通过抵押资产参与对交易排序权的竞拍。Optimism 计划将这一竞拍方案用于选择 Optimism Rollup 在 Layer2 的序列器(Sequencer),从而提升 Layer2 节点的收入,这种试图与 Layer1 矿工分一杯羹的做法会可能引发新的竞争。

MEVA 曾引起诸多争议,其中最大的一个是认为将排序权拍卖给单一投标方可能会引起区块时间粒度内的权利集中。针对此,Chainlink 提出一个分离排序工序、但让一系列去中心化节点决定排序结果的公平排序服务(FSS)。

总结与思考

从现在来看,MEV 市场机制的设计目标至少是:

  1. MEV 拍卖的结果要能激励矿工诚实地执行拍卖结果,或将搜索甚至排序环节外包出去,而不是直接参与搜索者群体的竞争;

  2. 参与方的总体效益有所提升并得到合理的分配。

目前的解决方案大多从应用层设计 MEV 拍卖市场,分别涉及到搜索者群体、矿工群体、搜索者和用户、搜索者和矿工、Layer2 节点和 Layer1 矿工之间的局部利益分配,未来可能会形成一个整体的利益分配机制。另外这些方案没有尝试处理 MEV 交易和普通交易的排序机制,MEV 交易的捆绑和集中可能增大区块记录的市场状态变化的不均匀性和矿工收入的波动性。

在应用层随着区块链从单生态繁荣向多生态跨链、多应用层发展,应用生态的价值规模预期非常可观,MEV 可能会成为底层链从应用生态捕获的价值的重要一部分且具有较高的波动性。如何降低 MEV 的波动性对区块链网络安全性的冲击是社区提及但并未深入探讨的问题。而在系统向越发复杂的趋势演化过程中,这些在排序环节的「拍卖行」角色就像复杂物流系统中的「分拣中心」,作为一种新的重要的基础设施,通过对交易信息的选择、排序和分配影响着系统的运转。

交易信息所有权的归属、市场部分参与方优先获得不对称信息的合理性值得思辨,对于一些旨在向传统金融监管框架对齐的公链生态,这些问题可能涉及监管风险,而最终的解决方案从目前看不得不从共识层面增加规范或加强交易的隐私保护。目前学术界关于在共识层面改进交易排序的公正性有一些讨论,业界在技术层面提高交易的隐私性来避免抢跑行为也开始探索。

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