eth2中的最大可提取价值（MEV） - 初步探索

以太坊将很快从工作量证明（Proof of Work，PoW）过渡到权益证明（Proof of Stake，PoS）共识协议。这一过渡工作已进行多年，并分多个步骤展开。2020年12月的第一步是启动信标链（beacon chain）。目前，它已经上线，并且在撰写本文时，有超过160,000个验证者，相当于~500万ETH的质押。

第二步 “合并”（The Merge）可能会在2022年初发生。虽然在这一阶段之后还有许多细节需要理顺，但是关于PoS以太坊（eth2）的要点已经足够我们思考最大可提取价值（Maximal Extractable Value，MEV）在其中将如何表现。

在这篇文章中，我们研究了eth2中的交易排序，并分析了支持MEV的质押产出。我们发现MEV将显著提升验证者的奖励，但可能加剧eth2参与者之间的不平等。我们还讨论了eth2中MEV的一些定性方面，例如其最大利益相关者（如交易所和验证者池）之间潜在的动态关系。

这篇文章由Alex Obadia和Taarush Vemulapalli在Flashbots共同撰写。

完整分析可在此处查看。

eth2 概述

当前，以太坊的共识由运行优化硬件以解决工作量证明挑战的矿工保障。从PoW转向PoS共识意味着网络将由验证者保障，验证者质押32 ETH的安全存款并对信标链的状态进行投票。验证者通过良好行为获得奖励，同时因停机或恶意行为可能面临惩罚（削减）。

信标链现今与eth1链并行存在，自2020年12月以来一直运行成功。“合并”意指——你猜到了——将信标链与当前的eth1链合并。在本文中，我们将用“eth1”来指代以太坊熟知的执行引擎、区块和交易，用“信标链”来指代eth2的新基础PoS共识机制，而“eth2”则指代合并后的正式以太坊区块链，其中包括eth1执行引擎和信标链的共识机制。

eth2以6.4分钟为增量达成共识，称为时代（epoch）。每个时代包含32个时隙（slot），每个时隙长12秒，每个时隙为向信标链添加区块提供了一个机会。在正常操作条件下，每个时隙将有1个区块，但诸如验证者停机等原因可能导致某些时隙没有区块产生。

在每个时代，所有验证者会以伪随机的方式被分配来提议区块或对其他验证者提议的区块进行证明。这些分配在前2个时代之前已知，提议者提前1个时代已知。每个时隙的区块将有一个验证者充当提议者，许多验证者则作为证明者对该区块的所有信息进行验证，包括来自eth1和信标链的数据。证明者会因准确投票当前信标链的3个方面而获得奖励：链头、已确认检查点和最终检查点。[^1]

eth2中的MEV

MEV（最大可提取价值）是指区块提议者因重新排序、审查或插入他们所提议区块内的交易而可能获得的所有价值[^2]。为了理解eth2中的交易排序，我们首先关注为其使用的软件的内部工作。

eth2客户端

由于eth2本质上是两条链的合并，因此其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。值得注意的是，当前的PoW以太坊客户端继续存在于eth2中，并与信标客户端并行运行，分担各自的责任。

eth1客户端是一个去除了共识责任的PoW以太坊客户端，专注于eth1交易池、eth1执行有效性和EVM。信标客户端则负责共识和验证者职责（例如信标区块证明和提议）。这两个客户端同时运行，各自维持自己的p2p网络栈（信标使用libp2p，eth1使用devp2p）。

一个eth2客户端可能看起来像下图（取自这篇文章由Danny Ryan提供）。

eth1区块提议

正如今天在PoW以太坊中一样，eth2中的eth1客户端维护一个来自其p2p网络的本地内存池（mempool）。如Rayonism的规范所述，信标客户端与其交互以形成eth1区块。虽然规范中描述的通信渠道在生产中可能会发生变化，但方法的语义可能会保留：

• 信标客户端通过多次交互查询eth1客户端一个由其在内存池中收到的交易形成的eth1区块，检查其是否满足各种有效性条件。
• 一旦信标客户端收到eth1区块，并且满足各项有效性检查，该区块将由提议者包含在当前信标区块中，成为证明者投票的组成部分。
• 然后，信标客户端请求eth1客户端将其链的头更新为最新的已包含的eth1区块。
• 在一段时间之后，信标区块所在的时代被最终确认，信标客户端通知eth1客户端该eth2区块在共识层已被最终确认。

虽然在eth2中达成共识的方式发生了变化，但在每个eth1区块内的交易排序保持不变，无论是在排序交易的软件中（例如Geth等以太坊PoW客户端）还是在gossip交易的p2p网络中。

MEV在eth2中是否存在？

由于eth2中的交易排序流程将与PoW以太坊相同，因此可以合理认为MEV机会仍然存在如我们今天所知。差异在于，最终的排序控制权在验证者而非矿工手中，矿工被选中提议一个包含从eth1客户端查询到的新eth1区块的信标区块。

这意味着Flashbots的技术MEV-geth（针对MEV提取优化的修改版eth1客户端软件）仍然可以存在，允许以eth1进行交易的发送方向区块提议者（和交易排序者）提供小费，以便于他们进行偏好的排序。在确定了这一主张后，我们现在可以思考验证者通过运行诸如Flashbots之类的软件可以获得多少收入。

验证者奖励经济学

Pintail最近发布了一篇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其方法（并重复使用其代码），你可以在这里查看，我们从中提取了一些关键要点。我们还为你设置了一个实时Binder，你可以直接在浏览器中使用Python笔记本。

虽然MEV的测量 notoriously困难，我们使用Flashbots数据作为区块提议者从MEV中获得的最低额外收入的下限。这是下限，因为只有一部分MEV活动在Flashbots上发生。

这项分析的一个注意事项是，它仅考察了基于协议强制的质押收益之上的MEV，而未包括区块提议者可能获得的交易费用。之所以不包括这些的主要原因是，难以预测在EIP-1559之后将从交易费用中获得多少。这不应该是一个太糟糕的假设，因为不追求MEV的人可能没有太大动机使用超过常见的1 gwei以上的basefee，然而，这意味着MEV对质押收益的相对影响被高估了。

理想情况

我们先考虑所有验证者完美参与、获得最大协议奖励的情况（即没有削减），并且所有奖励均匀分配，因为所有验证者在无限时间尺度上拟拟提议相同数量的区块。

在当前160,000个验证者的级别下，我们发现MEV可以增加验证者奖励75.3%，即ETH质押的年收益率（APR）为12.86%，而不计MEV的APR为7.35%。一项重要结论是，更高的验证者奖励意味着更多ETH持有者将被迫成为验证者，从而使以太坊更安全，因为拥有更大规模的验证者集。

展望不久的未来，更多的验证者上线，验证者的收益提高就不那么明显了，例如250,000个验证者（8百万ETH质押）时提高60%。如前所述，这项分析未考虑验证者可能获取的交易费用，这将降低MEV对收益的相对影响。然而，尽管这些数据在与当前Flashbots的矿工额外奖励的比较中仍然有用，后者目前的额外奖励约为5.6%。这一明显差异源于PoS中发行率的显著降低。这表明，在eth2中提取MEV会比在eth1更为惹人注目，并且质押者可能会积极寻求获得支持MEV的质押收益。

考虑时间和REV分配

在任何有限的时间尺度内，由于针对区块提议的具体协议奖励，以及一些验证者会幸运获得提出超出平均数量区块的机会而另一些验证者则不幸提议更少的区块，验证者的奖励将会存在变异性。

例如，对于100,000个验证者，平均每个验证者每年的提议区块数是26，但最不幸的1%的验证者最多只能提议15个区块，而最幸运的1%验证者至少提议39个区块。

用这种逻辑，我们可以绘制在这3个不同区块提议运气水平下的奖励变异性：

现在增加到每个区块上由Flashbots记录的平均实现可提取价值（REV）（0.185 ETH），我们可以对比有无MEV提取的这3个水平：

没有MEV提取的这3个水平现在与有MEV提取的水平无明显区别。这表明MEV提取放大了由区块提议运气造成的验证者之间的不平等。

此外，REV的分配是不均匀的，可以视为运气的第二个维度，其中一些区块的MEV奖励会比其他区块大。例如，下面是自区块11600000起的100,000个最近连续以太坊区块的Flashbots矿工奖励（长尾分布）。

为了可见性，我们将x轴截断到3 ETH，但我们样本中的矿工奖励可高达101 ETH，你可以在我们上述链接的分析中找到。使用此Flashbots矿工奖励的分布作为REV分配的代理，我们可以根据最不幸的1%、中位数和最幸运的1%验证者从MEV奖励中可获得的收益定义并绘制3个运气水平：

虽然上述图表显示MEV放大了由区块提议运气造成的验证者之间的不平等，但此图表显示REV的不均匀分配是造成验证者之间更大不平等的来源——尤其是考虑到y轴在此图中达到600%，而先前的图表则为80%。

然而，现实中，验证者将通过在验证者池中集中资源来平滑来自区块提议运气和REV分配的变异性。虽然以太坊PoS的设计使得验证者因有效证明获得相对稳定的奖励（而不是如PoW时仅在提议区块时获得），但在验证者奖励中引入MEV可能会形成一种集中的力量，令其对独立验证者的运营产生抵制，使得加入池中以获得可预见并提前的流动性变得更具财务吸引力。

最后，我们担心MEV可能通过加速拥有最多32 ETH质押的实体的财富积累，放大eth2中的寡头动力学，这种“富者愈富”的现象。为了维护共识投票权的去中心化，这使得在eth2中民主化MEV提取显得尤为重要。^[3]

进一步分析

上述Python笔记本详细说明了我们分析的其余部分，我们在模型中考虑削减约束，以研究因缺乏正常运行时间和验证者参与率导致的惩罚如何受到MEV奖励影响。为了简洁起见，我们在这里不详细介绍我们的结果，但我们鼓励你查看并参与讨论。

新的共识参与者

虽然上述定量分析对思考eth2中的MEV至关重要，但不进行涉及其参与者的定性分析也显得不够完整。正如前面提到的，以太坊PoW链上的算力将会被eth2上的质押ETH取代。矿工和矿池被控制大量ETH持有的新角色所取代，如交易所、协议金库、投资基金和验证者池。我们可以从beaconcha.in上看出当前eth2验证者集中的eth1存款地址的现有分布。

必须注意的是，这张饼图没有区分持有共识投票权的最终实体和其运行所需的基础设施。虽然共识投票权中心化是令人担忧的，但基础设施中心化则相对不太令人担忧，因为PoS的经济激励会鼓励基础设施的去中心化，以减少相关的削减风险。

具体来说，这意味着像Kraken这样的交易所如果希望降低削减风险，则可能会将其质押分散到许多基础设施提供商，分布在不同的地区，使用不同的硬件和不同的客户端，而不是将这一庞大的基础设施任务内部化。

交易所

eth2中权力动态最明显的变化是交易所作为最大ETH持有者及相应最大验证者的出现。诸如Coinbase、Binance和Kraken等中心化企业可能会控制最大的验证者插槽。这些参与者在法律监管方面与矿池有所不同，并具有多方面的声誉。这些差异可能在验证者生态中施加新的力量，与矿工生态相比可能形塑验证者的活动类型，尤其是他们接受何种类型的MEV收入。

有趣的是，这些实体除了质押外还自营几个活动，可能会为现有服务与MEV提取之间创造新的协同机会，如提供加速交易、在链上包含前进行的私密加密货币提取，以及通过相当于加密原生的订单流支付来减少链上费用等。

这些服务在初始阶段可能是前沿科技，其优势可能会促使用户迁移至提供这些服务的交易所，相应地，也可能对那些因监管原因无法或不愿提供此类服务的交易所造成损害。此外，交易所可能在MEV游戏中潜在的纵向整合（例如，交易所自己运作的机器人将交易提交给它们自己的验证者）是我们认为有必要进一步研究的问题。

验证者池

eth2中另一个重要的变化是验证者池的兴起，带来了许多优势，例如降低质押所需的最低ETH数、为客户快速启动验证者、平滑来自区块提议运气的变异（MEV + 交易费用），以及由于它们所管理的资本基础，提供质押衍生品等附加服务。

一个有趣的现象是meta-pool的涌现，如Rocketpool和Lido。这些实体连接多个验证者池，可能成为质押量的主要来源，从而能够对验证者池的行为（例如，它们参与何种MEV提取，以及提供给质押者的利润分成）施加影响。

这些meta-pool通常提供质押衍生品。例如，它们能够提供用户一种液态的、标记化的质押存款版本（其通常是被锁定的），以便于用户在其他网络中使用。这将帮助验证者在MEV之上进一步增厚收益，使他们能重复利用流动质押的ETH，以接入DeFi。

回忆上述关于基础设施去中心化的说明，交易所可以被视作另一类型的meta-pool，也在它们的后台连接到验证者基础设施。交易所也很有可能会提供质押衍生产品服务，而这些传统参与者和原生参与者之间的竞争将在去中心化、流动性壁垒和监管灵活性等多个维度展开。^[4]

开放问题

我们对eth2中MEV的探索揭示了许多需要进一步研究的开放问题。以下是其中四个：

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），那么单个的验证者可能会默认将其eth1节点交给服务提供商（如Infura），因为自行运行的开销很大。这可能表明eth1和eth2节点运行者之间开始出现分离。假设这种动态发生，就可以想象一个高性能硬件和MEV模拟软件来服务eth2区块提议者的eth1节点运行者市场的建立。

MEV搜索优化的新约束

MEV机会（如价格套利和清算）在eth2中仍然存在，但其提取发生的系统具有新的参数，这可能会修改或引入对MEV提取的约束。

区块时间现在定为12秒，而不是eth1的可变区块时间，并且提议者在每个时代开始时被指定，这意味着提议者最多有6.4分钟的时间来计算其分配（在该时代的开始阶段分配的提议者严格少于该时间）[^5]。这不仅可能给验证者提供更多的时间来运行计算任务以获取最佳的MEV提取，还使得模拟和执行变得更加简单，从而提高区块时间的可预测性。

这指向一种可能的更复杂的计算密集型MEV提取，这使在更长、更可预测的时间间隔内计算和执行MEV提取策略成为可能。

领导者选择机制的变化

验证者将提前知道他们是否能提议一个区块（除非他们是新时代的第一个时隙）。他们甚至可能（尽管概率较低）在一个时代内成为多个区块的提议者。这样的提议者保证将如何改变MEV提取的动态？对连续多个区块提议者的保证又将如何影响？

尤其大型验证者池/交易所最有可能在同一时代中持有多个连续时隙。这可能使得通过单一实体所持有的多个连续时隙获取多个区块的MEV成为可能，并可能开辟新的攻击向量。^[6]^[7]

Layer2与分片

本文大部分假设eth1区块内容将保持不变。然而，实际上，大量的交易流动将转移至Layer2，并且第1层将用作数据可用性层，其中zk-rollups和乐观Rollup的有序交易批将被提交。

这可能从直观上降低验证者从MEV中获得的收益。然而，难以预测的是多Layer2的世界带来了额外的复杂性，这可能开启新的MEV形态（即跨Layer2、Layer1-Layer2）。此外，在跨Layer2的交互世界中，eth1中批次的排序仍可能至关重要。

类似地，随着eth2的持续发展和分片进入生产阶段，信标区块中分片排列的顺序可能也会变得重要，而MEV可能成为促进分片交错的重要激励机制。^[8]

加入我们！

我们对eth2中MEV的探索提出了许多问题，而非给出答案，我们期待在社区中进一步研究这些问题。

我们已经在这里和这里的讨论中分享了一些我们的发现，并且在ETHGlobal的Rayonism黑客松上，携手Lido和Nethermind共同开展了早期的MEV启用eth2客户端原型。

在Flashbots，我们研究并构建与MEV相关的系统，我们期待你的参与。我们是一个分布式组织，以海盗黑客集体的原则为理念，拥有多个开放职位。我们还为与我们的工作对齐的外部研究者提供资助，了解更多信息请访问我们的研究库，或加入我们的Discord。

感谢Terence Tsao、Raul Jordan、Alejo Salles、Luke Youngblood、Tomasz Stanczak、Lakshman Sankar、Barnabe Monnot、Caspar S和Viktor Bunin对本篇文章的宝贵贡献和编辑。也感谢Flashbots团队在讨论中给予的支持。

1. 更多关于确认和最终化https://our.status.im/two-point-oh-justification-and-finalization/ ↩︎

2. MEV是一个指标，表示可以从正在以区块链上生成的区块内交易的重新排序、包含或审查中无许可地提取的总价值。到目前为止，以太坊上的MEV提取主要是由DeFi交易员和机器人操作员通过执行交易策略来进行，其中交易排序很重要，同时小部分来自这些参与者的MEV交易的矿工手续费。了解有关MEV的更多信息在这里 ↩︎

3. 此主题讨论由Phil Daian在MEV…我们该怎么办中提出。 ↩︎

4. 更多关于质押池和质押衍生品的信息请查看这个精彩的文章 ↩︎

5. https://benjaminion.xyz/eth2-annotated-spec/phase0/beacon-chain/#compute_proposer_index ↩︎

6. 如果一个池持有k个总数为N的验证者，个别时隙生产的概率为p=k/N，在一个时代内产生两个连续时隙的概率为p²=kNk−1N（实际上在放宽单个时代的约束的情况下，这个生产两个连续时隙的概率稍高，因为现在独特的验证者可以跨时代产生相邻的时隙，这对我们所关注的较大k数字是个小效应）。如果我们取大约120，让N=120,000，总共的验证者，并让最大池（Kraken）运行k=20,000个池，我们得到p≈0.17和p²≈0.026，或2.6%。 ↩︎

7. 此外，针对连续时隙风险的[理论]讨论由Vitalik Buterin在这里提出： https://ethresear.ch/t/rng-exploitability-analysis-assuming-pure-randao-based-main-chain/1825。 ↩︎

8. 更多关于激励分片交错的信息，请参阅Vitalik Buterin的这里。 ↩︎

• 原文链接： hackmd.io/@flashbots/mev...
• 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～