论文链接：https://arxiv.org/abs/2201.05574
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英文版论文导读作者：William Zhao
论文导读翻译和补充：Yuxuan Lu
01 概 述
2021年8月5日，以太坊在其主网上实施了以太坊改进提案1559（EIP-1559），作为伦敦硬分叉的一部分，该提案将以太坊上的业务用度体制从一价价格拍卖修改为根据区块巨细而变化的拍卖。具体来说，EIP-1559 将业务用度拆分为和历史相关的根本用度和小费，根本用度会在业务上链时被焚毁，而只有小费将被付出给矿工。这种全新的体制在实践中的表现如何？
在这项工作中，我们运用来自以太坊区块链、内存池和业务所的丰富数据分析了这一体制。在较高的层面上，我们发现 EIP-1559 通过简化用度估算来改善用户体验，能够减轻燃气价格的块内差异，并明显减少用户的等待时间。此外，EIP-1559 的实施对燃气用度水平和区块链平安性的作用较小。
02 业务用度体制
以太坊等公共区块链搜集接受来自搜集上的业务并将其添加到链中。然而，处理这些事务和执行操作需要带宽、计算和内存资源。此外，由于搜集上节点的限制，在一段时间内可以处理的业务数量是有限制的。例如，以太坊每秒处理平均30笔业务。因此，为了有效分配资源和共鸣空间，区块链通过业务用度体制（TFM）收取业务用度。
大多数区块链采用比特币的业务用度体制。简而言之，这种体制是简单的一价拍卖，其中：
用户为她们的业务出价业务用度；
矿工选择要包含在区块中的业务；
矿工获得区块中所有业务的出价。
但是，一个显然的问题是一价拍卖效率低下，在区块链中运用这种简单的一价拍卖能够需要用户多付业务用度或等待很长时间。特别是在搜集负载较高的时期，业务用度能够有巨大的波动，因此用户很难做出正确的出价。如果出价过高，最终会导致多付钱；如果出价过低，我们能够会经历很长的等待时间。在以太坊搜集负载较高的事情，甚至在一个区块中都存在业务费率相差十倍的业务，可见简单的一价拍卖并不能很好地在区块链中工作。
03 EIP-1559
EIP-1559 对以太坊的业务用度体制进行了四项重大更改。
首先，以太坊搜集以前每个区块的巨细是根本固定的，而 EIP-1559 要求从块的巨细本身成为可变的。具体的，区块燃气上限从1500万翻倍至3000万，而区块燃气目标仍设定为1500万，区块燃气目标指平均区块巨细。下图显示了 EIP-1559 以前和后来块的燃气运用分布。
图1. 每个点代表一个块。在 EIP-1559 以前，几乎所有区块都运用了1500万燃气；在 EIP-1559 后来，运用的块气体在0-3000万之间变化。
其次，EIP-1559 引入了由搜集条件决定的根本费率参数。根本费率是每笔业务必须付出的最低燃气费率。如果一个区块的燃气运用大于燃气目标，则下一个区块的根本费率会增加，否则下一个区块的根本费率会减少。这样形成了一个负反馈使得平均上区块巨细在燃气目标附近。
图2. 每个点代表一个区块。EIP-1559 以前没有根本用度。后来，根本用度在搜集负载较大的时期会出现高峰。
第三，以向后兼容的方式修改用户出价的方式。除了所需的根本用度外，用户还可以选择在他们的业务中出价两个参数，即最高优先费率（tip）和最高费率（cap）。优先用度使得用户能够激励矿工优先将该业务上链。而最高用度是用户愿意付出的用度上限，包括根本用度和优先用度。最高用度对根本用度和优先用度之和之间的差额将退还给用户。
最后， EIP-1559 要求所有根本用度被烧掉，而优先用度会付出给矿工。在 EIP-1559 以前，矿工在挖掘一个区块后会赚取了区块中所有业务的业务用度。实施 EIP-1559 后，它们仅仅能赚取小费。这意味着小费实际上是强制性的，因为矿工无法赚取根本用度，否则他们能够会挖掘空区块。
04 本文目标
Tim Roughgarden [1] 运用博弈论分析研究了这种业务用度体制。事实上，他指出了它对短视矿工的激励兼容性。本文的目标是实证地评估 EIP-1559。具体来说，本文通过现实数据来回答以下三个问题：
EIP-1559 是否会在整体用度水平、用户竞价策略和块内用度分配方面作用业务用度？
EIP-1559 是否作用业务等待时间的分布？
EIP-1559 在分叉率、搜集负载和矿工可提取价值（MEV）方面是否会作用共鸣平安？
05 本文发现
EIP-1559 是否会作用业务用度？
我们观察到 EIP-1559 在实施的一个月内并没有降低业务用度水平本身，但它运用户更容易估算用度。高燃气费是一个可扩展性问题，而不是体制设计问题。
在 EIP-1559 以前，用户付出了全部出价，因此如果在出价后搜集状况变得不那么拥挤，他们就很有能够多付出很多业务用度。然而，运用新的定价体制可以避免此类风险，因为用户可以在出价中设置两个参数：最高优先费率（tip）和最高费率（cap）。这种分离实现了一个简单的竞价策略，用户只需将最大费率设置为其愿意付出的最高费率，并将优先费率设置为矿工的边际成本，这种定价策略是接近最优的。我们观察到用户在 EIP-1559 后来提交的出价与接近最优的策略是一致的。
图3. 最高费率出价通常远高于实际付出的费率。每个点代表一个区块。
图4. 在大多数情况下（<10 Gwei），优先费出价保持在低水平，特别是在区块号1306万后来。每个点代表一个区块。
此外，我们还观察到，采用 EIP-1559 格式出价的用户付出的用度低于坚持以传统方式出价的用户，这意味着运用新的出价方式更容易估算用度。
图5. 遗留业务和 EIP-1559 业务的区块中值燃气费率分布。EIP-1559 业务的分布总体上在遗留业务的左侧，这意味着采用 EIP-1559 的用户付出的燃气费率更低。
EIP-1559 是否作用业务等待时间的分布？
本文将业务的等待时间定义为第一次在内存池中观察到某个特定业务的时间与业务被挖掘的时间之间的差。等待时间决定了业务的延迟。我们发现伦敦硬分叉后来的等待时间从约17秒减少到约10秒，这能够是由于更方便的天然气价格竞标和可变巨细的区块。这对采用新出价方式的业务和仍然采用传统出价方式的业务都有利。因此，EIP-1559 改进了业务的等待时间，即使并非所有用户都采用了它。
图6. 业务等待时间中位数的分布。它在 EIP-1559 后来向左移动，这意味着用户的业务等待时间平均意义上缩短了。
EIP-1559 会作用共鸣平安吗？
EIP-1559 在底层改变了以太坊的共鸣参数，它不仅改变了区块巨细还改变了对矿工和用户的激励。为了了解它对共鸣平安的作用，本文讨论了 EIP-1559 能够作用共鸣的三种途径：
– 分叉率。更大的区块能够需要更多的时间通过搜集传播，并且如 Kartik Nayak [2] 所述，这能够导致更多的分叉，导致对敌手的防御减弱，甚至能够在没有对手的情况下作用共鸣本身的平安。我们的结果表明，EIP-1559 确实平均增加了区块巨细，因此也导致了约3%的分叉率上升。因此，它确实对共鸣平安产生了负面作用，但目前来看作用程度不大。
– 搜集负载。另一种作用共鸣平安的途径是 EIP-1559 产生的块巨细变化是否会明显作用搜集负载。为了回答这个问题，我们分析了不同时间间隔内运用的搜集负载的平均值。在这里我们运用时间区间内区块的燃气消耗总和来作为搜集负载的估计。我们的结果证实了 EIP-1559 不会使区块链系统在较长时间内处于明显更高的负载下。另外，我们确实观察到负载峰值的产生（负载峰值指的是那些搜集负载特别大的时间区间）但其频率在伦敦硬分叉前后没有明显差异。
图7. 不同时间间隔内每秒运用的燃气平均值。
– 矿工可提取价值（MEV）。MEV 是指矿工可以通过在他们产生的区块中任意包含、排除或重新排序业务的能力而获得的额外利润。我们发现，在 EIP-1559 后来，来自 Flashbots 的 MEV 收入在一个剧烈的下降后来恢复并至少回到了伦敦硬分叉以前的水平。因此其在矿工收入中所占的份额在 EIP-1559 后来明显增长，因为绝大部分的业务用度都被作为基础用度焚毁了。这一点能够会激励矿工更多地投资于 MEV 开采。
图8. Flashbots 收入与非静态收入的比率。
参考文献
[1] Roughgarden, T. (2021). Transaction fee mechanism design. ACM SIGecom Exchanges, 19(1), 52-55.
[2] Kartik Nayak. (2021, Oct 15). Nakamoto’s Longest-Chain Wins Protocol. Decentralized thoughts. https://decentralizedthoughts.github.io/2021-10-15-Nakamoto-Consensus/
图文 | 陆宇暄
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