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研究|矿⼯可提取价值介绍(MEV)
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研究|矿⼯可提取价值介绍(MEV)

以太坊的核⼼在于利⽤其灵活的智能合约允许开发者探索⽆需许可应⽤程序的新领域。⽬前,建⽴在以太坊上的去中⼼化⾦融协议 (DeFi) 正爆炸性增⻓,我们享受这样的增⻓带来的便利的同时也正为这般发展所苦恼。 正如第⼀次互联⽹⾰命中的编程库⼀样,DeFi 作为“⾦钱乐⾼”允许开发者通过组合与混⽤简单的区块来构建出复杂的系统。这种复杂性也会带来新的⻛险。其中很重要的⻛险就是矿⼯可提取价值 (Miner Extractable Value, 简称MEV)。

MEV是什么

MEV 的概念⾸先由 Phil Daian 等⼈在“Flash Boys 2.0” 中引⼊,它的定义是矿⼯可以直接从智能合约中提取作为加密货币利润的价值。也有⼈理解为矿⼯ (或验证者、序列器) 在其⽣产的区块中通过其能⼒任意打包、排除或重新排序交易可以获得的利润。要想深⼊理解MEV的弊端,我们需要理解⼏个名词:套利,PGA,抢先交易和排序优化 (Ordering Optimization,. 简称OO) 奖励。

套利

套利是⼀种投资策略,通常指在某种实物资产或⾦融资产(在同⼀市场或不同市场)拥有两个价格的情况下,以较低的价格买进,较⾼的价格卖出,从⽽获取低⻛险的收益。例如,某⽀股票同时在伦敦和纽约交易所上市,同股同权,但是在纽约标价10美元,在伦敦却标价12美元,投资者就可以在纽约买进,到伦敦卖出。当以下三个条件有⼀个或多个被满⾜时,即出现套利机会。

1. 同⼀种资产在不同市场上价格不同。

2. 具有相同或相近价值的两种资产定价差异过⼤(例如相似的农作物品种,如软⻨和硬⻨;原料与 成品,如⼤⾖与⾖油、原油与取暖油)。

3. ⼀种已知未来价格的资产当前的价格与其根据⽆⻛险利率折现的价格差距过⼤。(对于存在仓储 费⽤的资产,如农产品,还需考虑仓储成本)

套利不仅包括在⼀个市场买⼊某种资产,在另⼀市场以更⾼价格卖出的交易。有的⾦融资产套利要求⽅向相反的交易组合尽可能同时发⽣,以规避成交时间不⼀致带来的未成交市场上价格变动的⻛险。能电⼦化交易的⾦融产品如⽐特币,以太坊更适合同时成交的策略。

Priority Gas Auctions (PGA)和抢先交易

举个例⼦来说明PGA。假设在 Uniswap 上有⼀笔⼤宗交易产⽣滑点之后,出现了⼀个价值⼀万美元的套利机会。这时,套利机器⼈注意到了这个套利机会并提交⼀笔交易以捕捉机会,提供给矿⼯的交易费为 10 美元。那么可能会出现以下情况:

1. 矿⼯会复制和审查套利者的交易以便⾃⼰捕捉此次套利机会;

2. 其他机器⼈也会注意到该次套利机会并提供更⾼的交易费报价,因此导致⼤家竞价以争取捕捉套利机会的权⼒。这种竞拍模式被称为“优先 Gas 拍卖” (Priority Gas Auction, PGA)。

这⾥的竞拍模式之所以会存在,取决于两点。第⼀是区块链的交易⼤多于线下完成,从交易申请到确认需要经过矿⼯认证,这⾥存在⼀定时间差,从⽽使优先 Gas 拍卖理论上可⾏。其次,注意到套利机会的其他⼈或机器⼈通过出更⾼的gas费来激励矿⼯优先确认其交易从⽽拿到套利。这就是所谓的抢先交易

排序优化奖励 (Ordering Optimization)

所谓排序优化,是矿⼯在特定时期控制交易排序的结果。PGA 和纯收⼊机会提供了 OO 奖励的⼀种来源。纯收⼊机会也可以理解为套利,只不过有简单模型和复杂模型的区别。

MEV从何⽽来

先决条件

1. ⾮对称信息:矿⼯在挖矿的同时确认链下交易(这⾥的交易不只Layer 1,将来会提到Layer 2的交易⼀定意义上也存在MEV),其对于不同交易的申请的知识,是其他交易者所⽆法获取的信息。

2. 抢先交易:通过价格竞拍(PGA),矿⼯更倾向于优先确认交易费更⾼的交易。

3. DEXes: DEX 是⼀个以⾮托管⽅式使⽤代币,允许⽤⼾进⾏交易的流⾏智能合约类型。其中智能合约扮演了传统交易中连续限价交易的执⾏员⻆⾊。

简单来说,为何传统⾦融市场不存在的套利机会会在加密货币中出现,因为矿⼯在挖矿的同时也会看到不同交易的申请,从⽽获得⾮对称信息。利⽤这个信息差,矿⼯可以选择(甚⾄⾃⼰拟造)⼿续费更⾼但同样价格的套利交易从⽽通过抢先交易获取⾥⾯的套利(以及可能存在的失败交易⼿续费中的⼀部分)。⽽传统⾦融市场中这种抢先交易的⼿段是法律禁⽌的。

MEV的危害

DeFi 的成功带来最直接的影响便是:以太坊 MEV 的已知下限正呈指数增⻓。按照这个速度,相信 MEV 在接下来⼀年会产⽣实际性的问题。我们不可能判断以太坊上的 MEV 总共有多少。我们⽬前知道的所有 MEV 仅为下限值。这是因为 MEV 可以在⽤⼾与区块链交互的任意时间被创建,并且智能合约允许实现⽆限数量的潜在 交互。因此,⽆法通过单纯的计算得出区块链上潜在的 MEV 总值。

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Fig. 1: MEV下限估值(关于MEV的⼀切)

然⽽,我们可以通过相加已知被利⽤的 MEV (即上图所⽰的 “已实现的 MEV”) 来建⽴基线。然后,我们便可以使⽤启发式的⽅法来推断真实的下限值⽐我们的基线⾼出多少,以及未被利⽤的 MEV 会如何影响区块链的环境。

MEV 可以看作是矿⼯对⽤⼾收取的税 (⽆形的)。

在上⾯提到的 Uniswap 例⼦中,⼀笔⼤宗交易会导致价格滑点,产⽣价值⼀万美元的套利机会 (MEV)。套利机器⼈通过套利⾏为使得市场价与真实价格持平,这使 Uniswap 市场在不伤害原始交易者的同时变得更加⾼效。这个 MEV 交易例⼦是良性的。

然⽽,同样是这笔交易的另⼀个版本可能会是这样:⼀个套利机器⼈在执⾏之前就识别到⽤⼾的交易,然后将⽤⼾的交易夹在⾃⼰的买卖订单中间。最终的结果便是,MEV 向⽤⼾征收了⼀种⽆形的税:他们的订单被⼈为抬⾼⽽导致⽆法执⾏,然后套利机器⼈⽴即出售订单以获取利润。当然,矿⼯可以零成本做到这⼀点。这种 MEV 交易就是恶性的。

仅限于以太坊吗?

MEV不只出现于以太坊,只要是以PoW为共识算法的区块链项⽬均存在此问题,并且随着项⽬的发展⽽越来越严重。

潜在危害

就MEV发明者的话来说,应⽤层的安全问题会直接影响到共识算法的安全与稳定性。如果说以DEX为首的交易所或者说应⽤层出现过多套利机会(⽽这样的机会确实存在,可能由于输⼊错误或者其他原因),那么矿⼯提取MEV的动机会增加,⽽矿⼯诚实挖矿并确认交易的共识算法将不再有激励价值,或者说⽐不过提取MEV来的多。如此⼀来共识算法所提供的安全性与稳定性将不复存在,⽽加密货币本⾝也将遭受重⼤打击。以往的⽂章或评论往往着眼于例如⽐特币⼀类的加密货币,在代币发放完毕后的矿⼯激励危机,如交易费⽐不过通胀的危机等等,MEV的发现使得该危机提前发⽣。因为交易费与矿⼯挖矿的奖励并不是矿⼯所能提取的全部价值,前⽂提起的排序优化奖励就是MEV中的重要组成部分。⽽这样⼀个很⼤的部分还仍未被重视。

⽬前状况

⽬前以太坊上的状况是,⼤部分矿⼯ (还) 没有尝试过⾃⼰捕获 MEV。⼏乎所有当前的链上活动都是由⾮矿⼯交易者推动的。然⽽,⼀些 MEV 只能由矿⼯捕获,因为他们有权任意排序 (或排除) 交易。⾮矿⼯交易者可以捕获“简单”的 MEV;⽽较为“复杂”的 MEV ⽆法通过 PGA 捕获。这意味着我们⽬前看到的⼤多数是PGA类型的MEV。就像之前提到的例⼦⼀样,Uniswap 套利是最常⻅的 MEV 实现⽅式。⽬前为⽌,社区共同的假设为:矿⼯遵循利他主义,会主动放弃 MEV 利润并继续运⾏默认的节点软件。⽐特币矿⼯根据经验没有选择⾃私挖矿策略,因此前者所作的假设是有例⼦可循的。然⽽这种“矿⼯利他主义”假设,很明显是⾏不通的。

如何应对

减少以太坊上的 MEV,或者在不增加通货膨胀的情况下提⾼矿⼯维护⽹络安全的激励的理想的解决⽅案有:

1. 更佳的应⽤设计:每个应⽤程序都可以⾃⼰设计,以最⼩化其能够创造的 MEV。这⼀⽅案可能很有竞争优势,因为⽤⼾将需要⽀付更低的成本和享受更好的⽤⼾体验。然⽽,协议不能强制应⽤程序这样做,并且可避免的 MEV ⾮常有限。

2. 额外的安全性激励:除了区块奖励之外 (如 EIP-1559 提议销毁的 BASEFEEs,或状态租⾦),稳定的矿⼯收⼊来源是对协议安全的补充,并可以帮助缓解 MEV 问题。如果不考虑上⾯的两个⽅案,⼤多数研究就会集中于如何提⾼破坏共识 (时间盗贼攻击) 的难度和成本,⽽不是从根源上解决 MEV 问题:

3. 分离打包和排序:矿⼯ (或验证者) 只能负责打包交易,⽽将优先交易排序的权利单独竞拍。理论上,这防⽌重组激励。然⽽,这使得⽤⼾总是需要承受优先交易竞拍带来的 MEV 损失,这等同于多区块时间盗贼攻击带来的影响。

4. 最终确定性 (Finality):中本聪的⼯作量证明 (PoW) 只有概率上的最终确定性。⽽基于拜占庭容错的算法更能保证最终确定性,并且仅仅重组单个被敲定的区块就需要程度更深的合谋,该算法使得时间盗贼攻击更加困难。然⽽,如果 MEV 的激励⾜够⾼,那么即使合谋的难度较⾼也值得尝试了。再者,参与者对于其提议的区块,仍然有权任意排序交易,因此仅凭最终确定性⽆法解 决“⼀般”的抢跑交易问题。

5. 权益证明 (Proof-of-Stake):基于 PoS 的区块链中,尝试重组的验证者会遭受罚没惩罚,因此使得时间盗贼攻击成本更⾼,尤其是与最终确定性结合时。然⽽,只要 MEV 的激励⾜够⾼,即使在罚没惩罚的警⽰下也可能会捕获 MEV。

3,4,5条仅针对时间盗贼攻击(MEV带来的潜在攻击可能中的⼀种),并不具有普适性。

⼩结

矿⼯可提取价值应该是⼀个伴随加密货币经济的诞⽣⽽产⽣的问题。虽然是后来才被发现和提出,随着⽐特币以太坊,以及各去中⼼化交易所的规模扩⼤,MEV应当是逐渐受到重视并关注解决的⼀个问题。⽬前,以太坊⾯临的MEV问题相较于⽐特币要更加复杂且明显。同时,Layer2的解决⽅案也应当适当关注MEV问题,从⽽维护 Layer2 的共识算法稳定性。

参考⽂献

1. MEV发明者:https://arxiv.org/pdf/1904.05234.pdf

2. MEV介绍:关于MEV的⼀切