以太坊2.0中的MEV - 初步探索

Ethereum 将很快从工作量证明（Proof of Work，PoW）转向权益证明（Proof of Stake，PoS）共识协议。这个转变经过多年的筹备，分多个步骤进行。第一步是在 2020 年 12 月启动信标链（beacon chain）。它现在已经上线，并且在写作时，已有超过 16 万个验证者，或相当于 ~500 万 ETH 抵押。

第二步“合并”（The Merge）可能将在 2022 年初进行。虽然在此步骤之后还有许多细节需要解决，但已经有足够关于 PoS 以太坊（eth2）的解决方案，可以让我们推测最大可提取价值（Maximal Extractable Value，MEV）在其中的表现。

在这篇文章中，我们研究了 eth2 中的交易排序，并分析了启用 MEV 的抵押收益。我们发现 MEV 将显著提高验证者的奖励，但可能会加剧 eth2 参与者之间的不平等。我们还讨论了 eth2 中 MEV 的定性方面，例如其最大利益相关者（如交易所和验证者池）之间潜在动态的展开。

完整分析可在 这里 查阅。

eth2 概述

以太坊目前的共识安全依靠运行专门解决工作量证明挑战的矿工。由于从 PoW 到 PoS 的共识转变，网络的安全性将由验证者保障，他们抵押 32 ETH 的安全存款并投票达成对信标链状态的共识。验证者通过良好行为获得奖励，并通过停机或恶意行为受到处罚（削减）来获得经济激励。

信标链今天与 eth1 链并行存在，并自 2020 年 12 月以来成功运行。“合并”意味着 - 你猜对了 - 将信标链与当前的 eth1 链合并。在本文剩余部分中，我们将使用“eth1”来指代以太坊的执行引擎，包括你今天所知的区块和交易，使用“信标链”来指代 eth2 的新的基础 PoS 共识机制，而“eth2”则用于合并后的权威以太坊区块链，包含了登入 trịss1的执行引擎和用于其共识机制的信标链。

eth2 在被称为纪元（epoch）的 6.4 分钟增量中达成共识。每个纪元包含 32 个时段（slots），每个时段长度为 12 秒，且每个时段都是向信标链添加区块的机会。在正常运行情况下，每个时段将有 1 个区块，但如验证者停机等原因可能导致某些时段没有区块。

在每个纪元中，所有验证者被伪随机分配来提议区块或认可其他验证者提议的区块。针对认证者，这些分配在 2 个纪元前就已知，而提议者则在 1 个纪元前已知。每个时段中的区块将由一个验证者担任提议者，许多验证者负责对该区块中包含的所有信息进行认证，包括来自 eth1 和信标链的数据。认证者在当前信标链的 3 个方面的实际值投票准确时将获得奖励：链的头部、权威检查点以及最终检查点。1

eth2 中的 MEV

MEV（最大可提取价值）指的是区块提议者因重新排序、审查或插入交易，从其提议的区块中获取的所有可能价值。2 为了理解 eth2 中的交易排序，我们首先关注用于此的相关软件的内部运作。

eth2 客户端

由于 eth2 本质上是两条链的合并，因此它的客户端由两个子客户端组成，一个用于执行引擎，另一个用于共识。特别是，当前的 PoW 以太坊客户端仍然存在于 eth2 中，并与信标客户端并行运行，分担各自的职责。

eth1 客户端是 stripped of 共识责任的 PoW 以太坊客户端，专注于 eth1 交易池、eth1 执行有效性和 EVM。另一方面，信标客户端负责共识和验证者职责（例如，信标区块认证和提议）。它们并行运行，各自维护自己的 P2P 网络堆栈（信标使用 libp2p，eth1 使用 devp2p）。

一个 eth2 客户端可能如下所示 （修改的图表来源于 这篇文章 By Danny Ryan）。

eth1 区块提议

就像在当前的 PoW 以太坊中一样，eth2 中的 eth1 客户端维护一个从其 P2P 网络接收到的交易的本地内存池。根据 Rayonism 的规范，信标客户端与之交互以形成 eth1 区块。尽管规范中描述的通信通道在生产中可能会变化，但方法的语义可能会保留：

• 通过多次往返，信标客户端查询 eth1 客户端根据其内存池中收到的交易形成的 eth1 区块，同时检查它是否符合各种有效性条件。
• 一旦 eth1 区块被信标客户端接收并符合各种有效性检查，它将由提议者包括在当前的信标区块中，并成为认证者投票的数据的一部分。
• 信标客户端随后要求 eth1 客户端更新其链的头到最近包含的 eth1 区块。
• 经过一段时间后，信标区块所在的纪元被 最终确定，信标客户端会通知 eth1 客户端，在共识层上该 eth2 区块已完成最终确定。

虽然在 eth2 中达成共识的方式有所变化，但每个 eth1 区块内的交易排序方式与今天相同，包括用于排序交易的软件（例如以太坊 PoW 客户端 Geth）和通过的 P2P 网络。

MEV 在 eth2 中存在吗？

由于 eth2 中的交易排序过程与 PoW 以太坊相同，因此可以合理地认为 MEV 机会仍然会存在 如我们今天所知。不同之处在于最终控制排序的是验证者而不是矿工，后者被选择提议一个发生了变化的信标区块，这将包含他们从 eth1 客户端查询的新 eth1 区块。

这意味着像 Flashbots 的 MEV-geth（为 MEV 提取优化的修改版 eth1 客户端软件）这样的技术仍然可以存在，允许 eth1 交易发送者为他们希望的交易排序向区块提议者（和交易排序者）给予小费。在确认这一主张后，我们现在可以考虑验证者通过运行 Flashbots 这样的软件可能获得多少收入。

验证者奖励经济学

Pintail 最近发布了一份关于信标链验证者奖励的 详细分析。我们在自己的分析中遵循了他们的方法（并重新使用了他们的代码），你可以在 这里查阅，我们从中选择了一些关键要点。我们还设置了一个 实时 Binder，供你在浏览器中直接使用 Python notebook。

虽然 MEV 难以衡量，我们使用 Flashbots 数据 作为提议者可能获得的 MEV 最低额外收入的下限。这是一个下限，因为只有一小部分 MEV 活动在 Flashbots 上。

该分析的一个警告是，它考虑了协议强制抵押收益上面的 MEV，而不包括区块提议者可能获得的交易费用。没有包含这些收入的主要原因是，很难预测交易费用在 EIP-1559 之后将产生多少。这并不是一个过于悲观的假设，因为不追求 MEV 的用户可能没有太多激励去使用超过常规 1 gwei 的 basefee，然而，这意味着 MEV 对抵押收益的相对影响被高估了。

理想案例

首先来看所有验证者完美参与并获得可能的最大协议奖励的情况（即没有受到削减），并且所有奖励均匀分配，因为所有验证者将在无限的时间跨度内提议相同数量的区块。

在当前 16 万验证者的情况下，我们发现 MEV 可以使验证者的奖励增加 75.3%，或提供 12.86% 的年利率，而不是 7.35% 的非 MEV 年利率。这一发现的一个关键点是，更高的验证者奖励意味着更多的 ETH 持有者会被激励成为验证者，这反过来意味着以太坊会通过增加验证者数量而更安全。

展望未来，随着更多验证者上线，验证者的收益提高将变得不那么显著，例如，在有 25 万验证者的情况下，收益的提高可能为 60%（800 万 ETH 进行抵押）。如前所述，这项分析并未考虑验证者可能获得的交易费用，这将降低 MEV 对收益的相对影响。然而，这些数字仍然有用以比较矿工今天通过 Flashbots 获得的额外奖励，目前约为 5.6%。这种明显差异源于 PoS 中发行速度的显著降低。这表明，在 eth2 中，MEV 提取将远比在 eth1 中更具吸引力，并且可能会有大量抵押者推动 MEV 启用的抵押收益。

考虑时间与 REV 分布

在有限的时间跨度内，验证者的奖励将会有变化，因为有针对提议区块的具体协议奖励，并且一些验证者将会幸运地被给予提议比平均数量更多的区块，而某些不幸运者则提议的区块会更少。

例如，对于 100,000 个验证者来说，每个验证者每年的平均区块提议数量为 26 个，但最不幸运的 1% 的验证者最多可以提议 15 个区块，而最幸运的 1% 的验证者至少可以提议 39 个区块。

根据这种逻辑，我们可以绘制不同区块提议运气的奖励变化情况：

现在添加每个区块上 实际可提取价值（REV）（Flashbots 上记录的每个区块 0.185 ETH），我们可以比较没有和有 MEV 提取的 3 种运气水平之间的差异：

没有 MEV 提取的 3 个水平现在与有 MEV 提取的水平难以区分。这一发现表明，MEV 提取加剧了验证者之间由于区块提议运气所产生的不平等。

此外，REV 的分布并不均匀，可以视为另一个运气维度，其中某些块将具有比其他块更大的 MEV 奖励。例如，这是从最近的 100,000 个连续以太坊区块（从区块 11600000 开始）的 Flashbots 矿工奖励（长尾分布）：

我们将 x 轴截断为 3 ETH 以便于可视化，但我们的样本中的矿工奖励最高可达到 101 ETH，具体数据可以在我们上述的分析中找到。利用 Flashbots 矿工奖励的分布作为 REV 分布的代理，我们可以基于最不幸运的 1%、中位数和最幸运的 1% 验证者从 MEV 奖励中所获得的收益绘制并定义 3 个运气水平：

虽然前面的图表向我们展示 MEV 放大了由于区块提议运气产生的验证者之间的不平等，但此图表显示 REV 不均匀分布是导致验证者之间不平等的更大来源，尤其考虑到 y 轴在此处达到 600%，而前一个图表仅为 80%。

然而，在现实中，验证者将通过在验证者池中汇聚资源来淡化区块提议运气和 REV 分布的变化。尽管以太坊 PoS 的设计旨在使验证者因有效认证获得相对一致的可观奖励（而不是仅在提议区块时），MEV 在验证者奖励中的引入可能是一种中心化力量，因其可能使得操作单一验证者的风险收益比降低，而更有财务吸引力地加入一个池，以便获得可预测和更快的流动性。

最后，我们担心 MEV 可能会在 eth2 中放大寡头动态，使得拥有更多 32 ETH 抵押的实体比拥有更少的（富者更富的动态）更快致富。这将使 MEV 提取的民主化在 eth2 中显得尤其重要，以维持共识投票权的去中心化。3

更深入的分析

上面分享的 Python notebook 详细说明了我们的分析，其中包含了关于削减约束的模型，将缺乏在线时间和验证者参与率的惩罚如何受到 MEV 奖励影响的研究。由于篇幅问题，这里不再重复我们的结果，但鼓励你查看并参与。

新共识参与者

虽然上述定量分析开始思考 eth2 中的 MEV 重要，但如果没有对其参与者的定性分析就不完整。如前所述，在 eth2中，算力被抵押的 ETH 取而代之。矿工和矿池被对大型 ETH 持有量掌控的新参与者替代，如交易所、协议金库、投资基金和验证者池。可以说，按目前的 eth1 存款地址在当前 eth2 验证者 set 中已显示出这一点。

值得注意的是，该饼图没有区分持有共识投票权的最终实体和其运行的基础设施。虽然对共识投票权的中心化是令人担忧的，但基础设施中心化相对而言则不那么令人担忧，因为 PoS 的经济激励鼓励更低的基础设施集中度，以最小化 相关削减风险。

具体来说，这意味着像 Kraken 这样的拥有大量 ETH 的交易所可能会通过在多个基础设施提供者中分散其抵押来降低冲减风险，选择在不同区域、采用不同硬件和使用不同客户端，而不是独自承担如此庞大的基础设施任务。

交易所

在 eth2 中权力动态最显著的变化是交易所成为最大 ETH 持有者，因此也是最大验证者的出现。像 Coinbase、Binance 和 Kraken 这样的中心化企业可能会控制大量的验证者位置。这些参与者受规管的法律不同于矿池，且在声誉上有许多方面。这种差异可能会对验证者生态产生新的影响，相对于矿工生态，将会影响验证者的活动，包括他们接受的 MEV 类型。

有趣的是，这些实体除了抵押之外的多项活动，可能会为这些交易所提供与 MEV 提取的现有服务之间的协同效应。一些提到的机会 在这里 包括提供快速交易、在链上包含前进行私人加密货币提取、以及通过相当于加密本地的支付交易流程来减少链上的交易费用。

这些服务可能一开始颇具创新性，其收益可能将驱使用户转向提供这些服务的交易所，而可能对那些因为监管原因不愿或无法提供这些服务的交易所造成损害。此外，交易所在 MEV 竞争中的潜在垂直整合（例如，交易所运行自己的程序向其验证者提交交易）也是一个需要更深入研究的重要问题。

验证者池

在 eth2 中的另一个重要变化是验证者池的崛起，提供如降低抵押所需的最低 ETH 数量、为客户启动验证者、淡化区块提议的运气差异（MEV + 交易费用），并提供额外服务（如抵押衍生品）等好处，因为它们管理的资本基础。

一个有趣的现象是 meta-pools 的出现，如 Rocketpool 和 Lido。这些实体连接多个验证者池，可能会成为抵押量的主要来源，因此能够影响验证者池的行为，如它们参与的 MEV 提取类型以及向抵押者提供的利润分享。

这些元池通常提供抵押衍生品。其中一个例子是能够为用户提供其抵押存款的液态代币化版本（通常是锁定的），以便它们可以在网络的其他部分使用。这样，验证者在 MEV 上的收益将进一步提高，因为它们能够将流动的抵押 ETHE 再次利用于 DeFi。

回顾上文关于基础设施去中心化的说明，交易所还可以看作另一种类型的 meta-pools，进一步连接其后端的验证者基础设施。交易所也可能提供抵押衍生品服务，而这些传统和本地参与者之间的竞争可能会在多个方面发挥作用，如去中心化、流动性护城河和监管灵活性。4

待解决的问题

我们对 eth2 中 MEV 的探索涉及了许多我们计划在未来几个月研究的待解决问题。以下是其中的四个：

eth1 区块提议者市场

由于现在实际上需要运行两个客户端（eth1 + 信标），单个验证者很可能选择将其 eth1 节点默认指向像 Infura 这样的服务提供商，因为自己运行它的开销相当可观。这可能暗示着 eth1 和 eth2 节点运行者之间开始出现分隔。假设这种情况发生，很可能会出现一个为 eth2 区块提议者运营高性能硬件和 MEV 模拟软件的 eth1 节点运营商市场。

MEV 搜索优化的新约束

MEV 机会，如价格套利和清算，依然在 eth2 中存在，但其提取发生的系统具有新的参数，可能会修改或引入 MEV 提取的新约束。

区块时间现在固定为 12 秒，而在 eth1 中则存在可变区块時間，提议者时段的安排在每个纪元开始时进行，这意味着提议者最多会有 6.4 分钟的时间来计算它的分配（在每个纪元开始时已经分配的提议者所拥有的严格少于此时间）。5 这不仅可能为验证者争取到更多时间来在 eth1 客户端内存池中运行计算作业以获取最佳 MEV 提取的数据，而也因为区块时间的可预测性而简化了模拟和执行。

这表明，凭借更长且更可预测的计算和 MEV 提取策略，可能实现更复杂的高计算量的 MEV 提取。

领导选择机制的变化

验证者将提前知道他们是否可以提议区块（除非他们是新纪元的第一个时段）。他们甚至可能（尽管概率较低）成为单个纪元内提议多个区块的提议者。成为区块提议者的保证如何改变 MEV 提取的动态？连续多个区块提议者的保证又如何？

尤其是大型验证者池/交易所将最有可能在同一纪元内持有多个连续时段。这可能使得 MEV 提取利用一个实体持有的连续多个时段形成一个元时段，从而开启新的攻击向量。67

二层与分片

这篇文章大部分假设 eth1 区块的内容仍将保持不变。但实际上，很大一部分交易流将转移到二层，第一层则将用作数据可用性层，zk-rollup 和乐观 rollup 的有序交易批次将被提交。

这将直观地减少验证者从 MEV 中获得的收益。但很难预测，因为多层的世界带来了额外的复杂性，可能会衍生出新的 MEV 形式（即跨 L2、L1-L2）。此外，在跨 L2 互动的环境中，eth1 中的批次排序仍可能具有重要性。

类似地，随着 eth2 的持续发展和分片进入生产，信标链块内分片的排序可能会变得重要，MEV 可能成为促进分片错开的激励机制。8

加入我们！

我们对 eth2 中 MEV 的探索提出了更多问题而非答案，并期待在社区内进一步研究这些问题以加深我们对其的理解。

我们已经在 这里 和 这里 的谈话中分享了一些我们的发现，并在 ETHGlobal 的 Rayonism 黑客活动中联合 Lido 和 Nethermind 开发了早期原型的 MEV 启用的 eth2 客户端。

在 Flashbots，我们进行关于 MEV 的研究并构建系统，我们希望获得你的帮助。我们是一个分布式的组织，遵循 海盗黑客集体 的原则，并有多个 开放职位。我们还向与我们一致工作的外部研究者发放资助，请在我们的 研究库中了解更多信息，或者加入我们的 Discord!

感谢 Terence Tsao，Raul Jordan，[Alejo Salles]( https://twitter.com/fiiiu)，Luke Youngblood，Tomasz Stanczak，Lakshman Sankar，Barnabe Monnot，Caspar S，和 Viktor Bunin 对本文的宝贵贡献和修改。同时也感谢 Flashbots 团队的其余成员为达成这篇讨论的努力。

1. 更多关于证明与最终确定的信息 https://our.status.im/two-point-oh-justification-and-finalization/ ↩
2. MEV 是代表可以在区块链上提取许可以外的交易的重新排序、包括或审查的总价值。迄今为止，MEV 提取主要由 DeFi 交易者和机器人操作员通过执行与交易排序相关的交易策略进行，这小部分由矿工通过与这些参与者的 MEV 交易相关的 gas 费用收益。关于 MEV 的更多信息 可以在这里阅读。 ↩
3. Phil Daian 在 MEV...wat do 中讨论的话题。 ↩
4. 有关抵押池和抵押衍生品的更多信息，请查看这篇优秀的 文章。 ↩
5. https://benjaminion.xyz/eth2-annotated-spec/phase0/beacon-chain/#compute_proposer_index ↩
6. 如果一个池持有 kkk 个验证者，而总数为 NNN，则产生单个时段的概率为 p=k/Np=k/Np=k/N。在一个纪元内产生两个连续时段的概率为 p2=kNk−1Np_2=\frac{k}{N}\frac{k-1}{N}p2​=Nk​Nk−1​。 （在放松单一纪元限制的情况下，产生 2 个连续时段的概率实际上稍微提高，因为现在唯一的验证者可以在不同纪元之间产生相邻的时段——对于我们所关心的更大的 kkk 数量来说，这是一个微小的影响）。如果我们取近似数 N=120kN=120\textrm{k}N=120k，总的验证者数，以及最大矿池（Kraken）运行 k=20kk=20\textrm{k}k=20k，我们发现 p≃0.17p\simeq0.17p≃0.17 和 p2≃0.026p_2\simeq0.026p2​≃0.026，或 2.6%2.6\%2.6%。 ↩
7. 此外，也存在 Vitalik Buterin 预测的关于通过控制纪元结束时的连续区块进行随机性的操控的担忧。 ↩
8. 更多关于激励分片错开的内容，请参考 Vitalik Buterin 的 这篇 ↩

• 原文链接： writings.flashbots.net/m...
• 登链社区 AI 助手，为大家转译优秀英文文章，如有翻译不通的地方，还请包涵～