孔雨晴课题组 CCS 2022 入选论文解读：以太坊改进提案1559实证分析
本文是 CCS 2022 入选论文《Empirical Analysis of EIP-1559: Transaction Fees, Waiting Time, and Consensus Security》的解读。文章对2021年8月以太坊的 EIP-1559 导致的伦敦硬分叉进行了实证分析，回答了广受争论的 EIP-1559 对交易费，交易等待时间以及共识安全性有无影响，有多大影响的争论。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2201.05574
英文版论文导读：https://hackmd.io/n8hzOGmuTWusrhP34vXVCw
英文版论文导读作者：William Zhao
论文导读翻译和补充：Yuxuan Lu
01 概 述
2021年8月5日，以太坊在其主网上实施了以太坊改进提案1559（EIP-1559），作为伦敦硬分叉的一部分，该提案将以太坊上的交易费用机制从一价价格拍卖修改为根据区块大小而变化的拍卖。具体来说，EIP-1559 将交易费用拆分为和历史相关的基本费用和小费，基本费用会在交易上链时被焚毁，而只有小费将被支付给矿工。这种全新的机制在实践中的表现如何？
在这项工作中，我们使用来自以太坊区块链、内存池和交易所的丰富数据分析了这一机制。在较高的层面上，我们发现 EIP-1559 通过简化费用估算来改善用户体验，能够减轻燃气价格的块内差异，并显著减少用户的等待时间。此外，EIP-1559 的实施对燃气费用水平和区块链安全性的影响较小。
02 交易费用机制
以太坊等公共区块链网络接受来自网络上的交易并将其添加到链中。然而，处理这些事务和执行操作需要带宽、计算和内存资源。此外，由于网络上节点的限制，在一段时间内可以处理的交易数量是有限制的。例如，以太坊每秒处理平均30笔交易。因此，为了有效分配资源和共识空间，区块链通过交易费用机制（TFM）收取交易费用。
大多数区块链采用比特币的交易费用机制。简而言之，这种机制是简单的一价拍卖，其中：
- 用户为她们的交易出价交易费用；
- 矿工选择要包含在区块中的交易；
- 矿工获得区块中所有交易的出价。
但是，一个显然的问题是一价拍卖效率低下，在区块链中使用这种简单的一价拍卖可能需要用户多付交易费用或等待很长时间。特别是在网络负载较高的时期，交易费用可能有巨大的波动，因此用户很难做出正确的出价。如果出价过高，最终会导致多付钱；如果出价过低，我们可能会经历很长的等待时间。在以太坊网络负载较高的事情，甚至在一个区块中都存在交易费率相差十倍的交易，可见简单的一价拍卖并不能很好地在区块链中工作。
03 EIP-1559
EIP-1559 对以太坊的交易费用机制进行了四项重大更改。
首先，以太坊网络之前每个区块的大小是基本固定的，而 EIP-1559 要求从块的大小本身成为可变的。具体的，区块燃气上限从1500万翻倍至3000万，而区块燃气目标仍设定为1500万，区块燃气目标指平均区块大小。下图显示了 EIP-1559 之前和之后块的燃气使用分布。
图1. 每个点代表一个块。在 EIP-1559 之前，几乎所有区块都使用了1500万燃气；在 EIP-1559 之后，使用的块气体在0-3000万之间变化。
其次，EIP-1559 引入了由网络条件决定的基本费率参数。基本费率是每笔交易必须支付的最低燃气费率。如果一个区块的燃气使用大于燃气目标，则下一个区块的基本费率会增加，否则下一个区块的基本费率会减少。这样形成了一个负反馈使得平均上区块大小在燃气目标附近。
图2. 每个点代表一个区块。EIP-1559 之前没有基本费用。之后，基本费用在网络负载较大的时期会出现高峰。
第三，以向后兼容的方式修改用户出价的方式。除了所需的基本费用外，用户还可以选择在他们的交易中出价两个参数，即最高优先费率（tip）和最高费率（cap）。优先费用使得用户能够激励矿工优先将该交易上链。而最高费用是用户愿意支付的费用上限，包括基本费用和优先费用。最高费用对基本费用和优先费用之和之间的差额将退还给用户。
最后， EIP-1559 要求所有基本费用被烧掉，而优先费用会支付给矿工。在 EIP-1559 之前，矿工在挖掘一个区块后会赚取了区块中所有交易的交易费用。实施 EIP-1559 后，它们仅仅能赚取小费。这意味着小费实际上是强制性的，因为矿工无法赚取基本费用，否则他们可能会挖掘空区块。
04 本文目标
Tim Roughgarden [1] 使用博弈论分析研究了这种交易费用机制。事实上，他指出了它对短视矿工的激励兼容性。本文的目标是实证地评估 EIP-1559。具体来说，本文通过现实数据来回答以下三个问题：
- EIP-1559 是否会在整体费用水平、用户竞价策略和块内费用分配方面影响交易费用？
- EIP-1559 是否影响交易等待时间的分布？
- EIP-1559 在分叉率、网络负载和矿工可提取价值（MEV）方面是否会影响共识安全？
05 本文发现
EIP-1559 是否会影响交易费用？
我们观察到 EIP-1559 在实施的一个月内并没有降低交易费用水平本身，但它使用户更容易估算费用。高燃气费是一个可扩展性问题，而不是机制设计问题。
在 EIP-1559 之前，用户支付了全部出价，因此如果在出价后网络状况变得不那么拥挤，他们就很有可能多支付很多交易费用。然而，使用新的定价机制可以避免此类风险，因为用户可以在出价中设置两个参数：最高优先费率（tip）和最高费率（cap）。这种分离实现了一个简单的竞价策略，用户只需将最大费率设置为其愿意支付的最高费率，并将优先费率设置为矿工的边际成本，这种定价策略是接近最优的。我们观察到用户在 EIP-1559 之后提交的出价与接近最优的策略是一致的。
图3. 最高费率出价通常远高于实际支付的费率。每个点代表一个区块。
图4. 在大多数情况下（<10 Gwei），优先费出价保持在低水平，特别是在区块号1306万之后。每个点代表一个区块。
此外，我们还观察到，采用 EIP-1559 格式出价的用户支付的费用低于坚持以传统方式出价的用户，这意味着使用新的出价方式更容易估算费用。
图5. 遗留交易和 EIP-1559 交易的区块中值燃气费率分布。EIP-1559 交易的分布总体上在遗留交易的左侧，这意味着采用 EIP-1559 的用户支付的燃气费率更低。
EIP-1559 是否影响交易等待时间的分布？
本文将交易的等待时间定义为第一次在内存池中观察到某个特定交易的时间与交易被挖掘的时间之间的差。等待时间决定了交易的延迟。我们发现伦敦硬分叉之后的等待时间从约17秒减少到约10秒，这可能是由于更方便的天然气价格竞标和可变大小的区块。这对采用新出价方式的交易和仍然采用传统出价方式的交易都有利。因此，EIP-1559 改进了交易的等待时间，即使并非所有用户都采用了它。
图6. 交易等待时间中位数的分布。它在 EIP-1559 之后向左移动，这意味着用户的交易等待时间平均意义上缩短了。
EIP-1559 会影响共识安全吗？
EIP-1559 在底层改变了以太坊的共识参数，它不仅改变了区块大小还改变了对矿工和用户的激励。为了了解它对共识安全的影响，本文讨论了 EIP-1559 可能影响共识的三种途径：
- 分叉率。更大的区块可能需要更多的时间通过网络传播，并且如 Kartik Nayak [2] 所述，这可能导致更多的分叉，导致对敌手的防御减弱，甚至可能在没有对手的情况下影响共识本身的安全。我们的结果表明，EIP-1559 确实平均增加了区块大小，因此也导致了约3%的分叉率上升。因此，它确实对共识安全产生了负面影响，但目前来看影响程度不大。
- 网络负载。另一种影响共识安全的途径是 EIP-1559 产生的块大小变化是否会显著影响网络负载。为了回答这个问题，我们分析了不同时间间隔内使用的网络负载的平均值。在这里我们使用时间区间内区块的燃气消耗总和来作为网络负载的估计。我们的结果证实了 EIP-1559 不会使区块链系统在较长时间内处于显著更高的负载下。另外，我们确实观察到负载峰值的产生（负载峰值指的是那些网络负载特别大的时间区间）但其频率在伦敦硬分叉前后没有显著差异。
图7. 不同时间间隔内每秒使用的燃气平均值。
- 矿工可提取价值（MEV）。MEV 是指矿工可以通过在他们产生的区块中任意包含、排除或重新排序交易的能力而获得的额外利润。我们发现，在 EIP-1559 之后，来自 Flashbots 的 MEV 收入在一个剧烈的下降之后恢复并至少回到了伦敦硬分叉之前的水平。因此其在矿工收入中所占的份额在 EIP-1559 之后显著增长，因为绝大部分的交易费用都被作为基础费用焚毁了。这一点可能会激励矿工更多地投资于 MEV 开采。
图8. Flashbots 收入与非静态收入的比率。
参考文献
[1] Roughgarden, T. (2021). Transaction fee mechanism design. ACM SIGecom Exchanges, 19(1), 52-55.
[2] Kartik Nayak. (2021, Oct 15). Nakamoto's Longest-Chain Wins Protocol. Decentralized thoughts. https://decentralizedthoughts.github.io/2021-10-15-Nakamoto-Consensus/