EIP-1559 上线前夕，再探其设计原理与潜在影响

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。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。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。（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。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：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 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：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。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。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。