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从经济学角度看待EIP-1559提案摘要

随着以太坊上DeFi生态的崛起,以太坊上的转账费用,即gas价格持续高涨,过高的gas费用会对以太坊上的生态应用带来极大的限制,势必对生态产生挤出效应。gas费用的飙升也极大的增加了矿工的收入,其中交易手续费占到矿工收入的一半以上。
为了改善生态应用体验,以太坊创始人Vitalik Buterin提出了EIP-1559方案,旨在解决用户交易费用高涨、网络拥堵和通货膨胀等问题,却侵犯了矿工们的利益,约占60%的矿池公开表示反对。
本文针对这一矛盾点,通过供给需求曲线和博弈论的角度分析了EIP-1559提案,发现该提案不能保证在所有情况下都能够降低用户的交易费用,且在实际操作中,对区块的竞争依旧激烈,收费将不可避免地会升高,从长远来看,1559只是从以太坊1.0向以太坊2.0过渡的方式,真正降低交易手续费还需要期待以太坊2.0。

1 从以太坊1.0向以太坊2.0过渡的产物,EIP-1559的利与弊
在2017/2018年牛市的顶峰时期,以太坊的平均交易费用达到5.70美元,自2021年1月18日以来,以太坊的平均交易费用激增,每天都超过5.70美元。如图一,红线代表ETH/交易价格平均数,绿线代表ETH/交易价格中位数。超高的交易费用归因于ETH价格的急剧上涨和网络拥堵造成的gas费用大幅上涨。如图二,红线代表区块的gas费用上线(gas limit),绿线代表每个区块内所包含的交易数量,自2020年夏季Defi兴起以来,区块内的交易量一直充满约95%或更多,在2021年3月,区块已充满97%-98%。当区块内空间不足时,会带来很多问题。由于用户竞相争夺稀缺的空间,提升了gas价格竞争的强度。
图一:ETH/交易价格平均数和ETH/交易价格中位数

资料来源:COINMETRICS,欧易OKEx研究院
图二:区块gas费用上线和交易数量

资料来源:COINMETRICS,欧易OKEx研究院
以太坊1.0目前的gas费用方案是简单的竞价机制,也称为第一价格竞价(first-price auction),即用户为区块的空间出价,等待矿工选择交易进行打包。以太坊1.0的竞价公式为bid=gas limitgas price,用户为每一笔交易支付gas价格,此时矿工会将交易的gas价格按高低顺序排序,优先选择最赚钱的交易打包进区块,这种方式极有可能带来用户之间的恶意竞价。另外,当涉及到钱包时,以太坊1.0也面临诸多问题,如Metamask钱包允许用户在慢速、均速和快速的三种确认时间中选择,或者手动设定gas价格,新手用户如果在gas费用飙升前以默认费用提交交易,最终可能需要等待很长时间才能确认交易,从而降低了用户体验。 EIP 1559提案引入了基本费用(base fee)的概念,竞价公式表示为bid=base fee+tip+fee cap。如果区块包含的gas费用超过12.5M的限制,那么区块将根据实际的使用需求进行调整,提高限制,直到达到gas费用的最终上线25M,当达到该上线时,矿工则根据小费(tip)的高低进行顺序打包。EIP-1559的出现实现了交易费用的预测,用户无需揣测其他竞价者的行为,从而影响自身的报价;由于增加了区块大小的灵活性,EIP-1559确保了差异更小的交易费用,有效的避免了恶意竞价,同时减少交易确认的延迟,改善用户体验;协议规定燃烧基本费用(base fee)形成的通缩机制,提升每一个ETH的价值,却定向降低了矿工的区块奖励。该通缩部分收益的增加往往无法抵消矿工手续费的奖励,因此,矿工的最终受益减少,这就是社区内60%的矿工反对EIP-1559提案的根本原因。

表1:以太坊1.0与EIP-1559价格机制对比

特性以太坊1.0EIP-1559
gas费用公式gas fee=gas limit*gas pricegas fee=base fee+tip
竞价公式(bid)bid=gas limit*gas pricebid=base fee+tip+fee cap
交易费用
交易费用区间广
交易费用预估
矿工收入
双重支付问题存在得到改善
ETH通货膨胀
区块大小较固定灵活调整

2 EIP-1559竞价公式解读
2.1 EIP-1559基本费用(base fee)调节机制
r_cur=r_pred(1+1/8(s_pred-s_target)/s_target )
其中:
r_cur:当前区块的基本费用
r_pred:目标区块的基本费用
s_pred:上一个区块的大小
s_target:目标区块的大小
基本费用(base fee)在最大规模区块(即目标区块两倍大的区块)之后增加12.5%,在一个空区块之后减少12.5%。在一个最大规模区块后接着一个空区块的基本费用是前一个基本费用的9/8*7/8=98.4%。理想的基本费用能确保区块中充满价值最高的交易,由于需求的不断改变,基本费用也随之调节。基本费用(base fee)按照规定要被燃烧掉,否则,矿工极有可能勾结链下的用户模拟以太坊上现有的价格机制(first-price auction)。
2.2 EIP-1559矿工小费(tip)和费用顶(fee cap)调节机制
为了更好的理解EIP-1559的gas费用是如何收取的,我们接下来用一个例子来解释。假设基本费用(base fee)是100gwei/gas,如果一笔交易提交的矿工小费(tip)是4和费用顶(fee cap)是200,则完成此交易的gas费用为104gwei/gas,即100的基本费用被燃烧掉了,4为矿工小费被矿工收取了。然而,如果另一笔交易提交的矿工小费(tip)是10和费用顶(fee cap)是105,则完成此交易的gas费用为105gwei/gas,即100的基本费用被燃烧掉了,5为矿工小费被矿工收取了,费用顶(fee cap)存在的意义是确保了gas费用的上线,保障了用户的利益,却降低了矿工的收益。

3 供需模型看交易费用
我们先来简单回顾下经济学中的收入和无谓损失,税收会减少交易量,导致图中蓝色虚线向左移动,从而也会减少一些贸易收益。消费者剩余减少是因为买方的价格上涨,生产者剩余的下降是由于卖方的价格下降而导致的,其中的一些损失是以税收的形式来弥补的。图中的蓝色部分表示因税收而未交易的单位交易损失的收益,这些从贸易中损失的收益被称为无谓损失。也就是说,无谓损失是买方的价值减去卖方因税收或其他市场干扰而无法进行经济交易的成本。
图三:收入和无谓损失

资料来源:欧易OKEx研究院
现在让我们看回EIP-1559 gas费用的第二个例子,我们可以看到,用户提交矿工小费是10,但矿工最终只拿到5,这中间的价差可以被理解成一种消费税,即图四中绿色部分。下图的绿色部分为10,当用户对gas的需求为q_1时,其支付价格为(p^+base fee),矿工的收入为p_1,即矿工小费(tip)。凡是消费税,必有无谓损失,即买卖双方的剩余不足以支付税金,因此交易根本不发生,就是下图蓝色的部分,即EIP-1559会使gas的供给和需求数量都下滑。 在以上的情况下,用户要支付的费用并没有降低,而矿工的收入反而降低了,原因在于无谓损失抢夺了部分消费者剩余和生产者剩余,此时的用户体验并不会很好,最佳的情形出现在均衡点上,即gas价格为p^,需求和供给的数量为q^*,此时无谓损失会消失。
图四:gas费的供需模型

资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院
图五:需求量低时的gas供需曲线

图六:需求量高时的gas供需曲线

资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院

如上图,红色线代表矿工的供给曲线,意味着矿工每提供多一单位的gas所需要的边际价格是上升的,然而当供给曲线按照1559协议达到区块的gas上限的时候,无论出价如何,矿工都无法供给更多了。橙色的需求线代表用户为gas费用的出价是边际递减的,因为用户会把紧迫的需求放在前面,并支付高价将其纳入区块中。供给和需求曲线的交点为均衡点,意味着用户的出价意愿与矿工的要价意愿一致,对应gas价格为p^,数量为q^
如图五所示,在需求量较低时,意味着用户愿意支付更少的价格将交易纳入区块中,市场均衡的gas使用量低于区块的gas用量上线(gas limit);如图六所示,当需求量较旺盛的时候,用户需支付更高的价格才能竞争过其他用户从而完成交易,而矿工的gas供给量不变,因此,此时的gas使用量等于gas用量上线(gas limit)。均衡价格为供给和需求曲线的交点,即p^*。
在EIP-1559的价格机制下,gas费用的运作情形可分为以下A-E 5种:

资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院

gas limit<实际gas使用量(usage)=自然市场均衡点(q^*)<最大gas用量(max usage),base fee=0,对应需求突然暴涨的情形。

资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院
在不实施EIP-1559价格机制的情况下,gas供给量受到协议的限制具有gas费用上线(gas limit),供给曲线为上图红线,即Supply under ETH1.0线。此时,用户支付的gas价格是p_1,矿工收入(生产者剩余)为区域B+C+D+区块奖励,消费者剩余为区域A。
在实施EIP-1559价格机制的情况下,区块可伸缩,最大可达到max usage点,供给曲线为蓝色线,即Supply under EIP-1559线。当基本费用(base fee)为零时,价格可达到均衡点p^,gas用量为q^,此时的消费者剩余为区域A+B+E>区域A,这就是EIP-1559的区块可伸缩机制给用户带来的好处。对于矿工来说,生产者剩余为区域C+D+F+区块奖励,当且仅当区域F大于区域B时,矿工会在EIP-1559的价格机制下获得比现有机制更多的利益,目前看来,这是不现实的。从整体市场的角度来看,在实施EIP-1559机制的情况下,供需重新恢复平衡,资源配置效率升高,由于市场无效率造成的社会成本降低,无谓损失(deadweight loss)消失。
gas limit<实际gas使用量(usage)<自然市场均衡点(q^)<最大gas用量(max usage),base fee≠0,对应需求增加之后base fee正在升高。 资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院 接下来,我们来看基本费用(base fee)逐渐升高的情况。当基本费用(base fee)为区域C或区域G的纵轴边长时,用户支付了小费(tip)+基本费用(base fee),而矿工只拿到了小费(tip),中间的差额相当于被抽走的税额。 在没有实施EIP-1559的情况下,矿工收益(生产者剩余)依旧为区域B+C+D+E+区块奖励,而在实施1559价格机制后,生产者剩余变为区域D+E+H+区块奖励。此时,区块奖励>区块奖励,由于燃烧基本费用(base fee)会提升区块奖励。我们假设1559价格机制从矿工和用户处抽取的剩余,即燃烧的base fee,会全部、无损的转移到区块奖励的价值增幅中(当然,这与事实不符),意味着区域C和区域G会增加到矿工的收益中,区块奖励也将重新变回区块奖励,此时,矿工收益(生产者剩余)为区域C+D+E+G+H+区块奖励。在实施1559机制前后,矿工的收益增加或减少取决于区域B和区域H的大小。
在实施EIP-1559机制前后,用户收益(消费者剩余)由区域A增加到区域A+B+F,这是由于用户从更大的区块中获利。
gas limit=实际gas使用量(usage)<自然市场均衡点(q^*)<最大gas用量(max usage),base fee调整完成,使网络使用量趋近于目标使用量。

资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院

当基本费用(base fee)提高,促使gas使用量等于目标gas使用量,矿工收入为区域E+区块奖励,base fee(税制)抽走的剩余为区域B+C+D,用户的消费者剩余为区域A。假设1559价格机制从矿工和用户处抽取的剩余,即燃烧的base fee,会全部、无损的转移到区块奖励的价值增幅中(当然,这与事实不符),生产者剩余为区域B+C+D+E+区块奖励,消费者剩余不变。 实际gas使用量(usage)<自然市场均衡点(q^)<gas limit<最大gas用量(max usage),对应需求量降低以后,base fee正在调整的情形。

资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院
用户需求量达到最高点后下降,对应gas使用量低于gas上限(gas limit),同时低于市场均衡点(q^)时,在现有的价格机制内,矿工收益为区域C+D+F+区块奖励,用户收益为区域A+B+E。在实施EIP-1559以后,在base fee尚未下降到0的时候,由于base fee燃烧而消耗的“税收”部分为区域B+C,矿工的收益为区域D+区块奖励,或者可以说是区域B+C+D+区块奖励。在实施EIP-1559前后,矿工收益增加与否取决于区域B和F的大小。用户收益为区域A,相较于现有的价格机制来说下降明显。

自然市场均衡点(q^*)=实际gas使用量(usage )<gas limit<最大gas用量(max usage),对应需求量降低以后,base fee=0。

资料来源:以太坊爱好者社区,欧易OKEx研究院
最后一种情况,在用户需求持续降低,直至base fee=0时,此时用户收益为区域A,矿工收入为区域B。此时的情况无论在ETH1.0还是EIP-1559机制下均无差别。

  1. 博弈角度看EIP-1559价格机制
    在以太坊1.0价格机制下,用户交易费主要采用首次竞价的方式,即谁的出价高,谁的交易更有可能被执行交易。这样的交易费机制存在两个明显的弊端:其一,对于有迫切需求的用户将被迫与那些有相对宽松需求的用户共同竞价,导致交易费价格只增不减;其二,矿工出于利益目的,制造大量的粉尘交易从而达到哄抬交易费的目的。
    从博弈的角度讲,在以太坊1.0的竞拍模式下,在拥堵时因为没有足够的参考信息,只能在主观上模糊的进行费用估算,用户通常会为了确保自己的交易能够快速被优先打包确认,将自己的gas费用不断调高以超过其他等待打包的用户。同理,其他用户也会竞相调高价格,这样彼此之间反复喊价的结果就导致了恶行的竞争,从而导致gas费用偏离正常范围,造成高手续费的困境。
    EIP-1559的出现提供了gas费用的预测,降低了gas费用的偏离值,在理论上会解决高手续费的问题。然而,从另外一方面来看,EIP-1559的规则可以说是把矿工投入了一个博弈论中“囚徒困境”,每个矿工最大化自己挖矿收益的行为将抬高基本收益(base fee),而损害其他矿工的收益。在具体实施的过程中,矿工们可能不遵守既定的分配规则,将虚假交易纳入区块中。由于用户有明显的最优出价:为交易的价格设置一个费用顶(fee cap),并支付小费(tip)作为矿工gas费用的边际成本,因此,矿工和用户可能会通过链下联盟来提高他们的共同效用。换句话说,现实世界中这种重复博弈的囚徒困境会促使矿工们走向以垄断联盟的形式控制基本收益(base fee),甚至故意不引用联盟以外的矿工挖出的增加基本收益(base fee)的区块。这将对以太坊的长期发展极为不利。

总结一下,当需求暴涨的时候,由于EIP-1559允许矿工生产2倍大的区块,用户会因此得到更多的好处。当市场需求回落以后,base fee尚未达到0时,用户必须比此前手续费支付更高的费用。而矿工的收入自始至终相较于现有的价格机制来说都是降低的,因此,Ethermine矿池母公司Bitfly宣布将补偿矿工因EIP-1559带来的挖矿奖励减少的部分。同时,如果对区块空间的竞争依旧激烈,收费将不可避免地会升高;另外,1559提案的实施也可能会促使矿工们走向以垄断联盟的形式控制base fee,因此EIP-1559的实施并不能有效的降低以太坊上的gas费用。目前看来,1559价格机制只能够帮助改善gas费用差异,并对gas费用进行合理区间的预测。从长远来看,1559只是从以太坊1.0向以太坊2.0过渡的方式,真正降低交易手续费还需要期待以太坊2.0。

文献参考:
《观点|EIP-1559只是徒劳,毫无益处》,以太坊爱好者社区
《Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain:An Economic Analysis of EIP-1559》,Tim Roughgarden, 2020年1月

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