以太坊 MEV 黑暗森林發展史：從 gas 戰爭到 PBS

原文標題：《PBS: Neutralizing the Dark Forest》

作者：pseudotheos

編譯：DeFi 之道

Domothy 和我合著了這篇文章。PBS 仍然是一個活躍的研究領域，但這篇綜合性文章旨在彙總迄今為止的研究進展以及研究方向。

在現有架構中，區塊提議者（以前的礦工）選擇存儲池（mempool）中的交易來構建區塊。 在以太坊上，這些由驗證者組成，它們同時運行共識客戶端和執行客戶端。 從理論上講，區塊構建者會選擇支付最高費用的交易------但這不是一個嚴格的要求。 因為一個區塊構建者可以完全控制 tx 排序和包含，因此區塊構建者可以運行複雜的 MEV 策略。 MEV 在任何有活動的地方都是非常普遍的，因此，以太坊是最賺錢的 MEV 戰場，迄今為止已被提取超過 6.75 億美元。

數據來源：Token Terminal

一、MEV 快速入門

從技術上講，以太坊交易只是一系列字節。 因此，創建和發送它所涉及的成本可以忽略不計。 一個很好的例子是鏈上套利。 當同一資產在交易所之間定價不同时，就會為價值提取創造機會。 從這筆交易中賺到的任何錢，然後減去 gas 費，基本上就是從區塊鏈上的經濟活動中提取的利潤。

但是，這裡有一個問題：由於區塊鏈的透明性，任何擁有節點的人都可以識別並提交相同的交易。 無論有多少人發送他們的交易，都只會有一個贏家：即提交的交易被確認的人。 正如你可能想象的那樣，這極大地有利於決定哪些交易進入下一個區塊，以及以什麼順序進行的人，他們可以簡單地利用這些交易！

此示例說明了所謂的"MEV 機會"。 鑑於等待確認的待處理交易列表，以及以太坊當前的全球狀態，存在特定的交易順序，可以讓區塊構建者從生態系統中提取最大價值。 大多數時候，MEV 機會更複雜，需要以正確的順序進行多次交易，但原理是相同的：區塊構建者具有巨大的優勢。

二、MEV 發展之路

幾年前，當以太坊仍然受到工作量證明（PoW ）的保護時，MEV 的概念主要是理論上的。 相反，交易很簡單："這就是我想做的事情，這是我願意給礦工的錢，讓他們把它納入下一個區塊。"

礦工將簡單地查看待處理交易列表，按最高費用排序，並將儘可能多的交易放入一個區塊中。 而交易本身的複雜性無關緊要。 這滿足了一些公平的概念：每個礦工將運行相同的代碼，遵循相同的規則，並賺取相同數量的錢（與算力成比例）。

但簡而言之，這無法持久。 金融激勵滋生競爭， 提供最多包容性的 MEV 交易獲勝，因為礦工也受到經濟激勵來選擇最有利可圖的交易。 在這些情況下，礦工是獲利最多的人，他們甚至不用玩什麼遊戲。如果有足夠的競爭，利潤總是趨向於礦工的（或驗證者，在 PoS 以太坊的情況下）。

短期：gas 戰爭

第一個後果很快就顯現出來。 每筆 MEV 交易，無論成功與否，仍然包含在鏈上的嘗試。 這浪費了大量以太坊本已有限的區塊空間，導致費用高得令人難以置信。

數據來源：Etherscan

中期：共識的中心化

當礦工意識到他們作為區塊構建者所具備的權力時，一股新的中心化力量出現了。 無論出價如何，區塊構建者都可以保證包含他們的 MEV 交易。

注意：在 EIP-1559 之後，區塊構建者仍然需要支付基礎費用（base fee）。

新的策略是讓區塊構建者積極監控鏈，以尋找 MEV 機會直接利用自己的權力。 很容易看出為什麼這是一個強大的中心化向量，獨立於共識機制：更頻繁地創建區塊將導致更多的 MEV 提取。 但不幸的是，由於規模經濟的原因，隨著時間的推移，MEV 通過加強提取打破了公平的指導理念。

長期：錯位的激勵措施

這種中心化導致了二階後果：除了在一個區塊中對交易進行排序之外，區塊構建者還可以選擇按預期添加他們的區塊或將區塊鏈回滾幾個區塊，以有效地從最近的交易中"竊取"所有 MEV 機會。在某些極端情況下，竊取前一個區塊的 MEV 可能是更有利可圖的選擇，這很容易導致不穩定的區塊鏈不斷分裂成更小的分叉，從而導致更長的結算時間。

值得慶幸的是，最後一個問題從未在基礎層上實現。 然而，依靠少數傑出的行為者善意地反對強大的經濟激勵，並不是以太坊所追求的彈性水平。 在足夠長的時間範圍內，如果完全不加以控制，MEV 將對以太坊構成生存威脅。

三、潛在的解決方案

關於 MEV，目前已經有了許多減輕上述後果的提議，它仍然是一個開放的研究領域。一些潛在的解決方案包括：

1、強制按費用排序區塊

結果：

(1) 回到 gas 戰爭;

(2) 由於缺乏存儲池共識，驗證者可以忽略不方便的交易；

2、強制包含交易的隨機順序

開放式問題：誰來決定什麼是隨機的？

結果：

（1）回到 gas 戰爭；

（2）增加了交易共識的延遲；

（3）除了他們的 MEV 交易之外，驗證者可以人為地保持區塊為空，這會導致糟糕的體驗。

3、加密存儲池

結果：

（1）減少有毒的 MEV；

（2）需要增加驗證者的誠實假設；

（3）增加延遲；（4）增加複雜性；

（5）增加抗審查性；

（6）驗證者自我包含的 MEV 不受影響

研究者們正在探索更多潛在的解決方案，包括密碼學方法和加密經濟學方法。 "解決 MEV"作為一個整體是不可能的。任何障礙都會導致更深奧的 MEV 提取，從而加劇中心化。令人驚訝的是，下個最好的事情是接受 MEV 是不可避免的，並且無論我們喜歡與否，它都將永遠是一個中心化的向量。

四、區塊構建市場

解決方案是通過將提出區塊的過程與構建它的過程分開，因此命名為 Proposer-Builder Separation（區塊提議者-構建者分離方案）。 "區塊提議者"的想法已經存在於以太坊的 PoS 設計中。每 12 秒，就會選出一個驗證者作為區塊提議者。區塊的構建方式無關緊要。驗證者的預期工作是將其提議給網絡的其餘部分，而其他每個驗證者的工作是驗證它以確保它不會違反任何規則。

PBS 的整體思路是，區塊構建者（builder）將競爭並向負責提議區塊的任何驗證者提交競標。這個驗證者唯一需要做的就是提議出價最高的區塊。

使用 PBS，高度對抗的 MEV 戰場被小心地隔離到區塊構建發生的地方。此外，拍賣系統允許所有驗證者輕鬆地從區塊構建者發現的 MEV 機會中受益，無論規模如何。

放棄並將整個事情變成一場大型拍賣，而不真正嘗試修復 MEV 本身，這似乎不是我們想要看到的。然而，MEV 實在是太有利可圖了，不能將其視為一些罕見的邊緣案例。如果我們不直接在協議中規定這樣的拍賣，它仍然會以某種形式存在，除了它將是帶外的、不透明的並且受制於前面提到的中心化力量。如果不加以控制，很容易看出私人區塊構建拍賣會是什麼樣子，以及它們可能對區塊鏈的去中心化和可信中立性造成的所有損害。

有了 PBS，我們反而受益於這種不可避免的經濟現實------我們可以圍繞這樣的市場應該是什麼樣子來設計規則，並消除我們不喜歡的部分。我們可以使其公平、透明且易於每個驗證者訪問。

理想的區塊構建市場

理想的市場應該是什麼樣的 ？

1、中立

（1）區塊提議者不應該有動機偏愛某些區塊構建者；

（2）區塊構建者應該沒有動機偏愛某些區塊提議者；

2、最小的區塊提議者開銷

（1）低硬體要求允許市場上有更多的區塊提議者；

3、捆綁安全

（1）區塊提議者不應該能夠攔截已構建的區塊，並用 MEV 交易代替他們自己的交易；

4、共識的簡單性

（1）由區塊構建市場構建的區塊，不需要對共識層進行重大更改。

現有的區塊構建市場

在協議中直接實現 PBS 會很複雜，這需要一些時間。 與此同時，為了實現相同的目標，出現了一些協議外的解決方案，但它們有一些細微的權衡。雖然沒有正式寫入協議，但協議外的實現允許更高程度的實驗，並為最終實現提供了一個極好的測試平台。Flashbots 創建了一個區塊構建市場，其中包含了全捆綁或無捆綁（all-or-nothing bundle）以及有條件付款。

他們的工具包括：

1、MEV-Geth

（1）不利於客戶端多樣性

（2）僅在合併前工作

2、MEV-Boost

（1）與客戶端無關，解決了先前實現的問題

（2）驗證者不能操作區塊（他們只有在簽署區塊頭後才會收到區塊主體）

但協議外市場仍然有一些缺點：

（1）中繼者仍然需要信任

（2）審查問題

圖片來自：Jon Charbonneau 以及 Delphi Digital

五、剩下的問題

適當的 PBS 設計仍然是一個活躍的研究領域。我們有指導原則，但最終實施並非易事。

1、區塊構建者中心化

區塊構建者中心化比區塊提議者中心化危害小，但仍然不理想。因此，我們正在進行研究以最終創建一個去中心化的區塊構建者網絡，希望它可以勝過集中的實體。

2、審查問題

實施 crLists 仍然允許審查，但在競爭激烈的市場中，長期交易審查變得過於昂貴，需要區塊構建者填充區塊。如果區塊構建者沒有填滿區塊，空間就會被區塊提議者選擇的交易填滿。這種增加的防禦，大大減少了極端區塊構建者集中化帶來的生存威脅。加密存儲池還可以同時解決審查問題和有毒的 MEV，但需要底層協議方面的升級。

3、高 MEV 差異

即使收益通過 PBS 民主化，區塊提議者的運氣仍然是匯集質押 ETH 的激勵因素。 一個實體擁有的驗證器越多，其就越有可能提出區塊並獲得 MEV 獎勵。在核心協議中實施 MEV 平滑，使我們能夠達到理想的公平場景，其中 Staking 質押獎勵與質押的數量成正比，因為 MEV 獎勵將被匯總並平均支付給驗證者。此外，如果以最佳方式實施協議內 MEV 平滑，將減少規避協議內 PBS 設計的動機。

4、正式規範

PBS 領域有許多重要的研究計劃，但明顯缺乏關於激勵或經濟學的正式分析。此外，研究空間正在迅速變化，在我們到達分析和實施階段之前，不可避免地會有更多的發展。

六、結論

在過去的幾年中，MEV 和協議研究發生了很多事情，而且我們對它的了解越多，這個主題就越廣泛。儘管我們仍有懸而未決的問題，但我們正在通往去中心化、高彈性、中立的全球網絡的道路上。如果你想更深入地了解，Domothy 在此處整理了一份供進一步閱讀的清單。