一文了解以太坊提案EIP-1559：实施基本费+小费

以太坊改进提案EIP-1559分析

如果以太坊改进提案（Ethereum improvement proposal）EIP-1559?得以实施，将成为用户在任何主流区块链竞标区块空间方式的最大改变。虽然拟议的规则相对简单，但该提案将对用户、矿工和钱包提供者带来重大变化，甚至会从整体上影响以太坊的安全性。

本文将首先分解该提案的不同构成部分，以便深入讨论；之后将分析该提案与其设计目标的吻合程度；最后探讨可能存在的缺陷。

设计目标

EIP-1559有四个设计目标：

1.改善用户体验

比特币和以太坊等区块链平台使用的第一价格拍卖制度（First price auctions）易于理解和实施，但却效率低下（欲了解更多相关信息，请点击参考链接?和参考链接?）。最大的问题之一就是费用估算。EIP-1559试图通过对所有交易尽可能实施相同的费率（fee rate）来解决这一问题。在大多数情况下，用户只需决定是否支付费用，而不再决定出价多少。由于费用估算更加准确，这种做法有望降低手续费。

2.实施松弛机制(Slack mechanism)

区块空间的使用需求未必稳定。因此，一些区块使用程度尚未过半，而另一些区块已经人满为患。松弛机制将允许某些区块扩容，只要其他区块相对较小即可。如此一来，便可以实施更长期的平均区块大小限制，但同时允许各个区块之间存在大小差异。

3.提高安全性

当区块补贴（block subsidy）用完?时，仅依靠交易手续费（transaction fees）来保证安全性的区块链平台（例如将来的比特币）可能会遇到问题。EIP-1559试图将交易手续费和网络安全分离开来。交易手续费会被销毁，改为用更可靠的永久性区块补贴（perpetual block subsidy）来激励矿工。

4.防止经济抽象(economic abstraction)

当用户可以使用任何代币（例如：稳定币）支付交易手续费时，原生代币（native token）的储备状态和货币溢价将受到威胁。EIP-1559规定交易必须消耗特定数量的ETH，并希望由此增加经济抽象的难度。

EIP-1559的作用原理：基本费+小费

根据协议，用户需缴纳一笔叫做基本费（BASEFEE）的最低费用，该费用为提案的首个构成元素。

由于协议无法阻止通过外部价格发现（price discovery）打包交易，所以最低费用制度通常无法实施。协议总是可以规定一个价格，但如果矿工和用户达成了一个更低的价格，则用户可以按协议向矿工付款，而矿工可以在协议外向用户退款。

EIP-1559通过彻底销毁基本费用制度来解决上述问题，防止退款的发生。

因为矿工收不到任何费用，因此用户必须以其他方式来激励矿工交易。那么从用户的角度来看，用户在提交交易时，必须设定好两个值：

首先，用户需要确定一笔叫做GAS_PREMIUM的额外费用（以下简称“小费”）作为将交易打包进区块的标价。通常情况下，它必须足够高，才能补偿矿工叔块风险（如：1 Gwei）的边际增长。当网络拥堵时，它允许交易者之间进行原始的第一价格拍卖。

其次，用户还需确定一个价格上限（FEECAP），代表他们愿意为交易打包进区块支付的最高金额（包括小费）。这一点有必要，因为实际上基本费每分钟都会上下浮动，并且所设费用上限不足的用户应当有机会被打包进后续的区块中。

概括地说，基本费允许协议在不促成链下市场（off-chain market）形成的前提下向用户收取一笔最低费用。它为提高区块空间利用机制的灵活性（例如统一的价格拍卖和弹性的区块大小）奠定了基础。

弹性的区块大小上限

区块大小的灵活性自然是越高越好，但如果区块大小不受控制，则会造成已知的激励问题。用更大的区块来提高叔块率（uncle rates）的能力会鼓励矿工中心化。此外，必须控制验证成本，来维持网络去信任化（trustless）的特性?。

弹性区块大小机制应运而生。其目标是允许矿工仅以可证的成本（provable cost）来制造更大的区块。孤块率（orphan rate）的提高本身并非可证成本，因为可以通过提高中心化程度来降低孤块率，但协议内的手续费销毁是可证成本。

在 EIP-1559中，矿工可以偶尔超过区块大小上限来应对突发需求，但仅限于有真正用户需求的情况。原始的基本费通过引入实际成本（销毁的费用）来阻止矿工通过垃圾交易扩充自己的区块。

EIP-1559之所以有可能应对突发需求，是因为其用两个值取代了区块大小现有的硬上限：一个10m gas/区块的长期目标和一个20m gas/区块?的新硬上限。（相关补充说明请查看注释i)

长期来看，网络会上下调整基本费，以达到理想的平均区块大小。当区块小于目标大小时，费用会逐渐下调来增加需求。当区块超出限制时，费用会逐渐增上调来减少需求。费用的变化程度由距10m的“距离”而定，但每个区块上下浮动的程度均不超过12.5％。

总之，在基本费调整机制下，用户若想达到理想的区块空间利用水平，需支付的费用有可能更高，也有可能更低。

预期效果

1.改善用户体验

要评估用户和钱包提供者的用户体验，我们必须考虑系统在不同拥堵状态下的情况。

无拥堵状态：

每当区块低于 20m gas的最大上限时，用户就没有理由支付最低值之外的小费。即便基本费随着时间的推移上下调整，也依然如此。

如此一来，打包进区块就完全取决于基本费了。

愿意同时支付基本费和最低小费的用户将被打包进下一个区块??（相关补充说明请查看注释ii)。只要没有拥堵，用户就能以固定价格购买区块空间。就好比你今天上亚马逊，会发现你中意的商品都标有固定价格，有别于拍卖中的竞价制度。用户看到标价后，要么接受交易，要么拒绝交易。如此一来，用户和钱包的费用估算就变得高度可预测了。

用户甚至可以将费用上限设为低于当前基本费的某个金额，从而等费用降低时被打包进区块。

偶尔拥堵的状态：

当矿工在10M gas以上的区块挖矿时，基本费就开始上升。实际上，它会一直上升，直到有一个10M gas或以下的区块被开发为止。如果下一个区块的容量是10M，基本费就将稳定在当前费用所在的位置。如果下一个区块容量低于10M，基本费就会开始下降。

理解这一点很重要。如果区块容量超出10m一段时间，交易就会变得非常昂贵，最终将需求拉低。那交易成本增长的速度有多快呢？

假设在第0个区块的基本费为10亿wei/gas。并假设ETH的价格为240美元，一笔典型的21k gas的交易成本为0.0005美元。只需经过10个20M gas的区块，交易成本就会增加至0.02美元。经过100个区块后，交易成本将增加至657美元。这就是指数增长的力量。

当区块接近20M gas的上限时，有紧急交易的用户多半会参与到小费拍卖中来，因为协议已经没有一种二进制的方式来确定交易的优先级了（之前，用户要么愿意支付基本费，要么不愿意）。

如此一来，网络拥堵时，协议就会退回现有的第一价格拍卖机制。

即使在小费拍卖中，交易者仍可预测基本费的高低。如果基本费在区块0时的虚拟起始值为100，则它最多可以在T1时达到100 * 112.5％，在T2时达到100 * 112.5％^ 2，在T3时达到100 * 112.5％^ 3，依此类推。降费的情况也是如此。

以初始值为100的基本费为例，图2的蓝色区域显示了其在未来的区块中可能达到的潜在水平。

拥堵加剧的状态：

由上文可知，EIP-1559允许在短时间内（而非较长时间内）使用更大的区块。在需求剧增30分钟后，一笔21,000 gas的简单交易的基本费将超过1,000美元（假设基本费初始值 = 1 Gwei）。

让基本费回归到更“正常”水平的唯一方法是开发10m以下的区块。

试想一下，如果连续出现20m gas的100个区块。接前述示例，一笔交易的平均成本增加到了657 美元。为了使基本费返回初始值，必须开发89个空块。或者，我们也可以开发183个5m gas的区块，或是371个7.5m gas的区块，依此类推。

因此，高度拥堵情况下的一种典型模式，就是一系列非常小或比较小的区块紧跟着一系列大的区块。这也合理，因为时间偏好高的用户现在可以提高他们的交易/挖矿速度。但是最终，基本费的上涨超出了交易者的需求，他们不得不等基本费再次下跌。

换个角度来看，松弛机制将价值许多区块的容量从不久的将来带到了眼前。但它本身无法产生更多的容量，最终，借来的始终需要归还。

2.实施松弛机制

通过分析EIP-1559应对拥堵的方式，我们可以发现，其松弛机制与基本费在区块之间的最大变化金额密切相关。它调整得越慢，系统就能越好地处理交易需求的变化。

这种变化的共同主题是昼夜循环或工作日-周末循环的周期性。就其目前的形式来看，EIP-1559不允许区块在夜间增大然后到白天变得更大，因为这些时间段太长了，会导致白天的费用飙升至数十亿美元，并相应地在晚上迅速下跌至接近于零。

因此，松弛机制的作用范围为几分钟到半小时，超出此范围则无效。需求将区块大小往一个方向（如：满块）拉动的时间越长，基本费的上涨对其的反向拉动效果就越剧烈。

3.提高安全性

许多区块链平台都实行通货紧缩的货币政策，即它们发行的新币数量随时间的推移逐渐减少。当发行量下降至足够低的水平时，安全性就变为由交易手续费来支付。EIP-1559摒弃了这种仅靠收费来维持安全性的模式，因为大部分的交易手续费不会激励矿工，而是会被销毁。

因此，可以说 EIP-1559为矿工提供了一种永久性的区块补贴，来确保协议的安全。但是，更准确地说，它将永久性区块补贴的设计选项优化地更为妥当。原因是费用的销毁对货币的供应起到了通缩的作用，从而允许在不增加总供应的情况下在其他地方发行新币。

由于有永久性区块补贴的协议为矿工带来了更稳定的收入来源，因此可以说 EIP-1559对以太坊的长期安全性和稳定性有积极影响。

4.防止经济抽象

在EIP-1559之前，严格说来，交易手续费无须以ETH支付。虽然网络仅支持以ETH支付的费用，但理论上用户可以在带外（out-of-band）以任何货币类型向矿工付费。但是，矿工也可以通过MEV间接地?获得付款。例如，矿工可以在不收取手续费的情况下将去中心化交易所（DEX）的交易打包进来，因为他可以通过非法预先交易（front-running）在其他地方赚钱。

EIP-1559在很大程度上解决了这个问题。每笔交易的基本费部分都以ETH 计算，并且总是会被销毁。在这种情况下，无论是谁付款，这些ETH都会从货币的供应中消失。矿工仍然可以自由选择基本费较低的交易，但前提是他必须支付与以ETH计算的区块补贴之间的差额。矿工在该区块中会赚取更少的ETH，但用户则会保留更多的ETH。因此这对于代币供应而言是一场洗礼，总有人必须以ETH支付交易手续费。

之所以说EIP-1559“在很大程度上解决了这个问题”，是因为它可以防止对基本费（而不是小费）的经济抽象。由于小费并没有被销毁，因此协议无法强行规定其支付方式或支付地点。结果就像是EIP-1559提出之前的同类链下市场。但是，如上文所述，在大多数情况下，用户没有必要支付最低值之外的小费。

可能存在的问题

人们对EIP-1559的一个主要担忧是矿工是否可以并且是否愿意操纵基本费。

当基本费为零时，由于没有销毁，因此矿工会收到用户的全部出价。也需切记，只有当区块空间供不应求时，才会开始小费拍卖。

一旦费用接近于零，矿工可以简单地将费用永久保留在这个水平。如果他们从不在10m gas以上的区块挖矿，那基本费也绝不会增加。如果需求从不超过10m （或矿工决定设置的任何10m以下的上限），那么矿工将获得全部费用。

但是，对于矿工整体而言的最佳选择对矿工个体而言未必如此。这就是所谓的集体行动问题（collective action problem）。如果区块的上限为10m gas，而有的用户需要在20m gas的区块进行交易，那么只需一个矿工就可以打破这种联盟，将支付小费的交易打包进来。

要使基本费制度稳定地占据垄断地位，就需要一个矿工激活软分叉（MASF）。在MASF 中，超过50％的哈希率（hashrate）将保证忽略任何大于10M gas的区块，从而激励那一小部分人来遵循这种新实施的规则。

由于此攻击向量（attack vector）始终存在于任何网络上，因此我们目前不认为它是EIP-1559的特定风险。

小结

由上文的分析可知，EIP-1559在很大程度上名至实归。它应该可以增加费用估算的可预测性，非常短的高度拥堵时期除外，因为此时系统会退回到已建立的第一价格拍卖模型。由于基本费会呈指数增长，从而限制需求，因此这些时期注定会持续数分钟。

由于有了基本费这个有趣的构成元素，上述优点才有可能得以实现。该提案通过在协议中设置基本费这个最低费用，开辟了新的设计空间：从弹性区块大小到永久性区块补贴，再到更强的抗经济抽象能力，以及更好的拍卖模型。

EIP-1559的前途一片光明，但这并不意味着它已经达到了最佳状态。我们仅仅评估了现有参数与其自身的设计目标的吻合程度。有必要对该机制的不同配置展开进一步研究。

注释i：为了防止特征蔓延（feature creep），最近规范又从硬性规定10m/20m的上限改回了保留由矿工投票的目标X的现状。上限则会自动更新为2*X。

注释ii：取决于矿工如何决定区块内的交易顺序，此处也可能有例外。如果矿工想单纯地优化收入，他可以按照小费递减的顺序来安排交易。如此一来，在同一区块中，小费高的交易将排在小费低的交易的前面。因此，即使在区块容量不足时，依赖块内优先级的交易（如做市或清算服务）也可能继续进行小费拍卖。

尽管如此，矿工可以随心所欲地安排交易，这是他们权利的主要来源。从给交易排序中能赚到的钱越多，我们就越单纯地期望矿工将所有这些业务内部化，并排挤掉任何非挖矿竞争者。

参考链接

1. 市场研究：

https://insights.deribit.com/market-research/（或点击阅读原文）

2. 以太坊改进提案EIP-1559:

https://github.com/ethereum/EIPs/blob/master/EIPS/eip-1559.md

3. 参考链接:

https://haseebq.com/blockchain-fees-are-broken/

4.?参考链接:

https://ethresear.ch/t/first-and-second-price-auctions-and-improved-transaction-fee-markets/2410

5. 区块补贴（block subsidy）用完:

https://uncommoncore.co/research-paper-a-model-for-bitcoins-security-and-the-declining-block-subsidy/

6. 网络去信任化（trustless）的特性:

https://insights.deribit.com/market-research/why-bitcoin-might-not-survive-a-bitcoin-standard/

7. 通过MEV间接地:

https://arxiv.org/abs/1904.0523

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编译者/作者：Deribit德瑞的交易课

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