EIP-1559 設計原理與潛在影響_以太坊

以太坊EIP-1559協議的主要目標是改善Gas費拍賣效率問題。此前以太坊采用一價密封拍賣模式，但由于市場上信息不對稱問題，引發了資源配置低下和貝葉斯博弈下報價策略復雜化的問題。為此，EIP-1559引入了每筆交易必須支付的固定費用BaseFee，并將其內嵌公式化，由此改善了信息不對稱問題，提高了拍賣效率；同時為了防止礦工舞弊和抽象經濟問題，EIP-1559將BaseFee部分進行了銷毀處理，并引入了由用戶自主報價的TIP費用，來激勵礦工打包交易。當然，BaseFee銷毀機制不可避免地影響了礦工群體的利益，但利好于ETH持幣群體。此外，EIP-1559無法從根本上解決交易費用高昂的問題。

北京時間8月5日晚，以太坊將正式迎來倫敦硬分叉。在本次升級的內容中，EIP-1559提案受到行業的廣泛關注。然而提到EIP-1559，中文社區對其認知卻有明顯不足。例如，很多讀者誤認為EIP-1559提案是為了降低鏈上交易手續費，或者是為了實現ETH的通縮。在不盡的爭議中，EIP-1559的真實動機卻逐漸被喧囂所埋沒。為此，在EIP-1559即將升級的前夜，有必要帶領讀者們重新認識EIP-1559，了解其背后動機、原理與影響。

EIP-1559的背景動機

相信大部分讀者都有所了解，EIP-1559主要是修改了以太坊上交易手續費的收取方式。而以太坊的這種交易機制，本質上是一種是拍賣。目前流行的拍賣方式主要有四種模式，分別是英式拍賣，荷蘭式拍賣，密封一價拍賣和密封二價拍賣，具體如下表所示。其中，以太坊采用的是密封一價拍賣模式：用戶在出價相互保密的前提下提出手續費報價，礦工優先將出價更高的交易打包進區塊，以獲取交易手續費。

Alchemy：以太坊賬戶抽象提案EIP-4337已在主網上部署:金色財經報道，Web3開發平臺Alchemy在社交媒體上宣布，以太坊賬戶抽象提案EIP-4337已在主網上部署，未來將為我們帶來實現的工具。1.無縫的用戶入職、2.更多的賬戶安全、3.無Gas費交易。

一個全新的web3體驗就在眼前。[2023/3/9 12:50:22]

拍賣的最大特點在于，價格由競爭的方式來決定，不是由賣方說了算，也不是由買賣雙方討價還價完成。競爭決定價格的優越性源于非對稱信息，賣方不完全知道潛在買方愿意給出的真實價格，每一個潛在買方也不知道其他買方的出價。當然，對于拍賣這種特殊的經濟機制設計，在任何情況下都有兩個核心目標需要完成：

帕累托最優：該拍賣能實現資源的有效配置，這意味著拍賣品應出售給對它評價最高的用戶，因為評價最高的人往往是最需要拍賣品的人；

利潤最大化：該拍賣可使賣方獲得最大期望的利潤

在傳統經濟學的假設條件之下，密封一價拍賣模式是可以實現帕累托最優的。然而，以太坊所處的現實情況已經超出了傳統經濟學的假設，使得當前的Gas費拍賣機制深受市場詬病，主要體現在以下兩點：

以太坊Gas費拍賣中信息不對稱，導致資源未有效配置，交易效率低下

在密封一價拍賣規則下，每個買方都會有如下考慮：如果他對物品的真實評價是100美元，那么他絕對不會出價100美元，因為這樣做他的盈利為0；他更不會出價高于100美元，這意味著他會虧本。因此，他最好出價低于100元。然而此時他卻面臨如下權衡：出價越高，贏面越大，但贏后所得利潤越少；出價越低，贏面越小，但贏后所得利潤越大。因此，他必須在贏面大小和贏后獲利大小之間做權衡，找出一個最優出價策略。

Vitalik：有研究證明 EIP 1559 大大減少了平均交易等待時間:1月18日消息，Vitalik今日在推特上轉發了北京大學和杜克大學共同研究關于 EIP 1559的論文《EIP-1559的實證分析：交易費用、等待時間和共識安全》，并表示，此篇論文特別提到 EIP 1559 大大減少了交易的平均等待時間的確認。

據了解，這篇論文研究證明，EIP-1559通過簡化費用估算、緩解區塊內已付gas價格差異以及減少用戶等待時間，大大改善了用戶體驗。然而，EIP-1559對gas費波動和普遍安全性的影響很小。此外，研究還發現，當以太坊的價格波動較大時，等待時間明顯較長，研究還驗證了較大規模的區塊會增加兄弟區塊的存在。[2022/1/18 8:56:09]

密封一價拍賣實現帕累托最優的前提是保留價格等于真實評價。但以太坊的Gas拍賣機制卻未能實現這一點，主要原因在于信息的不對稱性。一個典型的案例：考慮只存在兩個用戶，對Gas的真實評價分別為50美元和30美元。如果具有較高評價的用戶A錯誤地認為另一個用戶B的真實評價為10美元，那么用戶A就會出價20美元來贏取商品；然而用戶B卻出價30美元，最終造成了對Gas費評價最高的用戶B未贏得商品，這顯然未實現資源的有效配置，造成交易效率的低下。

密封一價拍賣模式導致出價策略的復雜化，提高了用戶的出價成本

仍有超過10%以太坊客戶端沒有升級EIP-1559:以太坊倫敦升級已完成主網部署，但截至北京時間8月6日8點，仍有超過10%的以太坊客戶端沒有升級，目前完成升級的以太坊客戶端數量為1387（Geth已完成760個、Openethereum已完成546個、Erigon已完成69個），占比88%；未完成升級的數量為192，占比12%。[2021/8/6 1:37:44]

在中文社區中，很多解讀文章都提及EIP-1559的是為了改善用戶的體驗。但卻未說明其中緣由。從博弈論角度看，密封一價拍賣機制是一個典型的靜態貝葉斯博弈，即用戶贏得拍賣的可能性不僅取決與他自己的出價，也取決與其他買方的出價策略，導致用戶沒有占優策略可以選擇，使得出價策略復雜化。

在這里，以太坊的Gas費拍賣機制可以看成一個簡化的鷹鴿博弈模型，即不完全信息條件下的單次靜態貝葉斯博弈：假設用戶A與另一位用戶同時進行Gas費拍賣，但并不知道對方是提供的報價比自己高還是低。假設對方是高保留價格用戶的概率是m，對方是低保留價用戶(N類用戶)的概率為1-m。則雙方的博弈策略和收益矩陣如下所示。從圖中可以看出，任何一個用戶在進行報價時都面臨四種情況，必須要先推測其他人是高保留價用戶還是低保留價用戶，隨后還要評估自己應該報低價還是報高價，每種情況下都有不同的應對策略和收益，完全沒有占優策略。

當然，我們也可以用簡單的數學公式來描述靜態貝葉斯博弈：有n個買方，買方i的私人價值是vi，他的策略是出價bi，策略范圍在[0,+∞)區間上。他的收益取決于他自己的出價bi，也取決于其他人的出價bj。我們可以把買方i的期望收益函數表示成：

EthHub聯合創始人：EIP-1559、EIP-3074、EIP-3675是以太坊的神圣三位一體:EthHub聯合創始人Anthony Sassano在推特上表示，EIP-1559、EIP-3074、EIP-3675是以太坊的神圣三位一體。[2021/7/23 1:11:11]

U_i=(v_i-b_i)Pr?(b_i≥b_j,j≠i)

其中Pr(.)為b_i在所有出價中最高的概率。經過一系列復雜推導，我們可以得到貝葉斯博弈的均衡價格：

其中v^((1))和v^((2))分別為所有買方私人價值(v1,v2,...,vn)的最高值和第二高值。

從這可以看出，貝葉斯博弈下用戶的最終均衡報價，不僅僅與所有買方的私人價值的最高值與第二高值有關，還與參與拍賣的人數、價值分布函數F()有關。因此，以太坊的Gas拍賣機制增加了出價策略的復雜度，降低了用戶的拍賣體驗。

總體來說，當前以太坊Gas費拍賣模式，既無法實現「真實價高者得」的資源有效配置，帶來了出價策略復雜化的困難。EIP-1559正是為解決當前以太坊Gas交易效率低下問題而提出的解決方案。

EIP-1559的內容與原理

EIP-1559提案實際上包括兩大塊：一個是Gas拍賣機制的改革，另一個是區塊松弛機制。這里我們主要分析Gas拍賣機制。

以太坊利益相關者承諾由EIP：0峰會參與者制定治理計劃:據Coindesk消息，EIP：0峰會的組織者由于只邀請以太坊社區參與峰會遭到批評，組織者于5月9日發布了4項新治理措施聲明。該聲明的簽署者承諾為以太坊創建一個共享價值的聲明，支持創建“收集關鍵信號和指標的開源工具”，另外每個月都將要求進行治理，并且將組織一個更大的EIP：0會議。另外還表示未來峰會將以現有模式為基礎，擴大觀眾的互動機會。目前簽署聲明的完整名單為：L4 Ventures、開發商Lane Rettig、Giveth創始人Griff Green、以太坊基金會成員Hudson Jameson、創業公司Gnosis。另外，Parity Technologies、Aragon 和 the Web3 Foundation等利益相關者已經承諾他們將支持簽署意向聲明。[2018/5/10]

通過第一節的分析我們可以看出，造成以太坊Gas費拍賣低效率的主要原因在于信息不對稱：

由信息不對稱導致保留價格不等于真實評價，造成一價密封拍賣無法實現資源有效配置；

由信息不對稱形成的貝葉斯博弈，造成出價策略的復雜化。

下面讓我們看看EIP-1559如何解決這兩個問題。提案為以太坊引入了每筆交易必須支付的固定費用，即BaseFee。具體而言，BaseFee根據前一個區塊的情況而上下浮動，目標是平均區塊利用率為50%。當前一個區塊的使用率超過50%時，固定費用按比例上升，當使用率低于50%時，費用下降。計算BaseFee的公式被具體寫在協議中，在每個區塊之后，BaseFee會自動更新：

這里，b代表BaseFee，t代表區塊高度，T代表區塊大小，目標區塊負載為T/2，g表示包含在區塊中的交易數量，由于g取決于基本費用b，我們將gt|bt表示在基本費用等于bt的情況下包含在Bt中的交易數量。D為調整因子，當前設置為d=0.125。

如果仔細分析，我們可以看出，因為BaseFee內嵌在協議中，并且是根據區塊現狀而自動進行調整，這本質上是官方為拍賣機制引入的一個價格參考標準：如果用戶的保留價格低于BaseFee，那么他將選擇不出價，等到未來BaseFee低于自己的保留價格時再出價；如果用戶的保留價格高于Base，那么他將選擇報價高于BaseFee。因此，EIP-1559通過將BaseFee移到協議內部的方式，為交易者提供一個可預測的交易報價，降低信息的不對稱性，在一定程度上緩解了資源配置效率低下和報價策略復雜化問題。

然而，如果EIP-1559只有BaseFee，又會帶來另一個嚴重問題：礦工舞弊。這類問題最常見的方式有兩種：一是礦工可通過自己生成交易來抬高BaseFee，由此使自己獲利，但這嚴重損害了用戶的利益，并且容易帶來網絡的堵塞；二是通過與用戶串謀，達成「鏈下交易」的方式，來使自己獲益，但這使得ETH在以太坊上的地位被削弱。

基于以上原因，EIP-1559設計了最具爭議的BaseFee銷毀機制。BaseFee不支付給礦工而是進行銷毀，這完美地解決了上述的礦工舞弊問題：首先，礦工很難再通過自己生成交易來牟利，因為他們不能只將自己的交易塞進一個區塊中而不消耗費用；其次，「鏈下交易」以后將不再可行，它鞏固了ETH作為支付使用以太坊的唯一方式，防止經濟抽象。

然而，如果完全銷毀所有的交易費用，那么礦工將沒有動力繼續打包交易；更重要的是，在以太坊網絡出現堵塞時，僅有BaseFee的Gas費機制又將無法實現資源的最優配置。為此，有必要在BaseFee的基礎上引入一筆小費作為礦工的激勵，這就是Tip。Tip報價采用的也是一價密封拍賣機制，但相較于占Gas費大部分的BaseFee而言，Tip只能算一個小額小費，因此其中帶來的交易效率問題不會成Gas拍賣機制的主要問題。

Tip的大小由用戶自己決定，在以太坊擁堵時，Tip越高的報價越容易打包上鏈。但Tip的報價并非沒有限制，因為EIP-1599有一個價格上限，代表用戶愿意為交易打包進區塊所支付的最高費用，確定了FeeCap，也就確定了Tip的上限。

至此，EIP-1559拍賣機制正式成型：Gas費用被拆分用BaseFee和Tip兩部分，其中BaseFee部分由協議公式根據區塊情況計算得出，并且最后被銷毀；Tip部分的大小由用戶決定，最后支付給礦工。

當然，需要注意的是，除最重要的拍賣低效率問題外，EIP-1559還解決了其他兩個低效問題：Gas費用的高波動和用戶延遲較長問題，這兩個問題本質上都是區塊的Gas上限造成的，所以最后通過區塊松弛機制來緩解。這里因為篇幅的原因不再贅述。

EIP-1559的影響

從上面我們可以看出，EIP-1559主要是為了解決當前以太坊Gas交易效率低下而提出的新方案。當然，由于爭議性的BaseFee銷毀機制，在一定程度上改變了以太坊現有的利益分配格局。從現實上看，EIP-1559能帶來以下影響：

直接影響：

提高以太坊Gas拍賣效率，改善用戶報價體驗；

防止礦工舞弊，保證交易的順利進行

解決「經濟抽象」問題，強化ETH在以太坊的地位

其他影響：

BaseFee銷毀導致礦工收入減少，嚴重損害了礦工利益；

可能導致ETH通縮，但總體上減少了ETH流通量，利好ETH持有者；

不能解決的問題

EIP-1559不能解決Gas費高的問題。從經濟學角度看，Gas費的高低取決于市場供需關系，因此降低手續費的根本是擴容。EIP-1559主要目標是解決拍賣機制的定價問題，并不能從根本上解決Gas費高的問題。

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