以太坊:EIP-1559 设计原理与潜在影响

以太坊EIP-1559协议的主要目标是改善Gas费拍卖效率问题。此前以太坊采用一价密封拍卖模式，但由于市场上信息不对称问题，引发了资源配置低下和贝叶斯博弈下报价策略复杂化的问题。为此，EIP-1559引入了每笔交易必须支付的固定费用BaseFee，并将其内嵌公式化，由此改善了信息不对称问题，提高了拍卖效率；同时为了防止矿工舞弊和抽象经济问题，EIP-1559将BaseFee部分进行了销毁处理，并引入了由用户自主报价的TIP费用，来激励矿工打包交易。当然，BaseFee销毁机制不可避免地影响了矿工群体的利益，但利好于ETH持币群体。此外，EIP-1559无法从根本上解决交易费用高昂的问题。

北京时间8月5日晚，以太坊将正式迎来伦敦硬分叉。在本次升级的内容中，EIP-1559提案受到行业的广泛关注。然而提到EIP-1559，中文社区对其认知却有明显不足。例如，很多读者误认为EIP-1559提案是为了降低链上交易手续费，或者是为了实现ETH的通缩。在不尽的争议中，EIP-1559的真实动机却逐渐被喧嚣所埋没。为此，在EIP-1559即将升级的前夜，有必要带领读者们重新认识EIP-1559，了解其背后动机、原理与影响。

EIP-1559的背景动机

相信大部分读者都有所了解，EIP-1559主要是修改了以太坊上交易手续费的收取方式。而以太坊的这种交易机制，本质上是一种是拍卖。目前流行的拍卖方式主要有四种模式，分别是英式拍卖，荷兰式拍卖，密封一价拍卖和密封二价拍卖，具体如下表所示。其中，以太坊采用的是密封一价拍卖模式：用户在出价相互保密的前提下提出手续费报价，矿工优先将出价更高的交易打包进区块，以获取交易手续费。

波场TRON通过开启虚拟机PUSH0指令提议 兼容以太坊EIP-3855:据官方消息，8月4日，波场TRON网络正式通过了第89号提案投票请求，该投票请求旨在激活TVM PUSH0指令。目前，该提案已正式生效，波场TRON网络正式兼容以太坊上海升级的EIP-3855。

据了解，第89号提案的生效将从技术和经济层面为社区开发者和用户带来诸多好处，包括减少合约代码大小、降低合约滥用风险等。这一提案的通过还将进一步保证波场TRON与以太坊在虚拟机层面的兼容，同时降低未来波场TRON智能合约的使用成本。[2023/8/4 16:18:34]

拍卖的最大特点在于，价格由竞争的方式来决定，不是由卖方说了算，也不是由买卖双方讨价还价完成。竞争决定价格的优越性源于非对称信息，卖方不完全知道潜在买方愿意给出的真实价格，每一个潜在买方也不知道其他买方的出价。当然，对于拍卖这种特殊的经济机制设计，在任何情况下都有两个核心目标需要完成：

帕累托最优：该拍卖能实现资源的有效配置，这意味着拍卖品应出售给对它评价最高的用户，因为评价最高的人往往是最需要拍卖品的人；

利润最大化：该拍卖可使卖方获得最大期望的利润

在传统经济学的假设条件之下，密封一价拍卖模式是可以实现帕累托最优的。然而，以太坊所处的现实情况已经超出了传统经济学的假设，使得当前的Gas费拍卖机制深受市场诟病，主要体现在以下两点：

0x协议优化与UniswapV3集成的提议ZEIP-88已开启投票:去中心化交易协议0x协议称，其关于「优化与UniswapV3集成以降低相关交易成本」的提议ZEIP-88已开启投票。此次提案中提出了两项更改，一是将UniswapV3Feature合约添加到交易代理（ExchangeProxy），二是在MultiplexFeature上添加了对UniswapV3的支持。[2021/5/26 22:45:38]

以太坊Gas费拍卖中信息不对称，导致资源未有效配置，交易效率低下

在密封一价拍卖规则下，每个买方都会有如下考虑：如果他对物品的真实评价是100美元，那么他绝对不会出价100美元，因为这样做他的盈利为0；他更不会出价高于100美元，这意味着他会亏本。因此，他最好出价低于100元。然而此时他却面临如下权衡：出价越高，赢面越大，但赢后所得利润越少；出价越低，赢面越小，但赢后所得利润越大。因此，他必须在赢面大小和赢后获利大小之间做权衡，找出一个最优出价策略。

密封一价拍卖实现帕累托最优的前提是保留价格等于真实评价。但以太坊的Gas拍卖机制却未能实现这一点，主要原因在于信息的不对称性。一个典型的案例：考虑只存在两个用户，对Gas的真实评价分别为50美元和30美元。如果具有较高评价的用户A错误地认为另一个用户B的真实评价为10美元，那么用户A就会出价20美元来赢取商品；然而用户B却出价30美元，最终造成了对Gas费评价最高的用户B未赢得商品，这显然未实现资源的有效配置，造成交易效率的低下。

Vitalik发起EIP-3298提案 gas费回归正常:2月28日消息，Vitalik在昨天发起EIP 3298提案，提案内容为在伦敦升级中移除“执行SELFDESTRUCT获得gas费减少奖励”的规则。

据悉，以太坊网络的gas费受以太坊状态（节点存储的合约和地址信息集合）大小的影响，以太坊状态越膨胀，全网gas就会相应上涨。而“SELFDESTRUCT（自毁）”是虚拟机级别的操作码，通过执行该操作码销毁合约，以太坊虚拟机会向用户退回一部分gas费，从而激励以太坊状态收缩。但是一部分开发者在gas费较低时将gas存储到合约中，在gas费较高时执行“SELFDESTRUCT”来进行套利，这种事先填充“便宜的gas”的行为其实导致了网络膨胀。Vitalik发起该提案后，以太坊gas已经回到几十Gwei水平。[2021/2/28 18:00:26]

密封一价拍卖模式导致出价策略的复杂化，提高了用户的出价成本

在中文社区中，很多解读文章都提及EIP-1559的是为了改善用户的体验。但却未说明其中缘由。从博弈论角度看，密封一价拍卖机制是一个典型的静态贝叶斯博弈，即用户赢得拍卖的可能性不仅取决与他自己的出价，也取决与其他买方的出价策略，导致用户没有占优策略可以选择，使得出价策略复杂化。

在这里，以太坊的Gas费拍卖机制可以看成一个简化的鹰鸽博弈模型，即不完全信息条件下的单次静态贝叶斯博弈：假设用户A与另一位用户同时进行Gas费拍卖，但并不知道对方是提供的报价比自己高还是低。假设对方是高保留价格用户的概率是m，对方是低保留价用户(N类用户)的概率为1-m。则双方的博弈策略和收益矩阵如下所示。从图中可以看出，任何一个用户在进行报价时都面临四种情况，必须要先推测其他人是高保留价用户还是低保留价用户，随后还要评估自己应该报低价还是报高价，每种情况下都有不同的应对策略和收益，完全没有占优策略。

以太坊开发者：EIP-1559预计将于今年推出，对以太坊网络非常有利:1月22日消息，以太坊开发者Danny Ryan表示，以太坊改进提案EIP-1559预计将于今年推出。他强调，这一改进方案对以太坊网络非常有利。EIP-1559的收费机制将在eth2的分片数据层上实现。当试图将数据放入以太坊网络时，这将为以太坊的数据消费者提供更好的用户体验，帮助Rollup安全地将其区块数据输入信标链中。此前报道，EIP-1559在代码方面已经基本完成，但是该提案遭到了矿工们的一些抵制。（TrustNodes）[2021/1/22 16:44:00]

当然，我们也可以用简单的数学公式来描述静态贝叶斯博弈：有n个买方，买方i的私人价值是vi，他的策略是出价bi，策略范围在[0,+∞)区间上。他的收益取决于他自己的出价bi，也取决于其他人的出价bj。我们可以把买方i的期望收益函数表示成：

U_i=(v_i-b_i)Pr?(b_i≥b_j,j≠i)

其中Pr(.)为b_i在所有出价中最高的概率。经过一系列复杂推导，我们可以得到贝叶斯博弈的均衡价格：

其中v^((1))和v^((2))分别为所有买方私人价值(v1,v2,...,vn)的最高值和第二高值。

从这可以看出，贝叶斯博弈下用户的最终均衡报价，不仅仅与所有买方的私人价值的最高值与第二高值有关，还与参与拍卖的人数、价值分布函数F()有关。因此，以太坊的Gas拍卖机制增加了出价策略的复杂度，降低了用户的拍卖体验。

哥伦比亚大学教授：以太坊EIP-1559提案并不能自行降低以太坊交易费:12月2日消息，哥伦比亚大学计算机科学系教授Tim Roughgarden对以太坊改进提案EIP-1559进行经济学分析后表示，没有EIP-1559或其他的交易费用机制会大大降低以太坊平均交易费用，持续的高额交易费用是可扩展性问题，而不是机制设计问题。他表示，在需求保持相对稳定的期间，无论采用何种机制，都不能期望实际交易费用会大大低于市场结算价格。如果市场结算价格已非常高，那降低价格的唯一方法就是增加供给或减少需求，而这些行动通常不在机制设计的范围之内。此前8月25日消息，权力下放基金会邀请哥伦比亚大学教授对以太坊EIP-1559提案进行研究。（Cryptoccrency News）[2020/12/2 22:54:15]

总体来说，当前以太坊Gas费拍卖模式，既无法实现「真实价高者得」的资源有效配置，带来了出价策略复杂化的困难。EIP-1559正是为解决当前以太坊Gas交易效率低下问题而提出的解决方案。

EIP-1559的内容与原理

EIP-1559提案实际上包括两大块：一个是Gas拍卖机制的改革，另一个是区块松弛机制。这里我们主要分析Gas拍卖机制。

通过第一节的分析我们可以看出，造成以太坊Gas费拍卖低效率的主要原因在于信息不对称：

由信息不对称导致保留价格不等于真实评价，造成一价密封拍卖无法实现资源有效配置；

由信息不对称形成的贝叶斯博弈，造成出价策略的复杂化。

下面让我们看看EIP-1559如何解决这两个问题。提案为以太坊引入了每笔交易必须支付的固定费用，即BaseFee。具体而言，BaseFee根据前一个区块的情况而上下浮动，目标是平均区块利用率为50%。当前一个区块的使用率超过50%时，固定费用按比例上升，当使用率低于50%时，费用下降。计算BaseFee的公式被具体写在协议中，在每个区块之后，BaseFee会自动更新：

这里，b代表BaseFee，t代表区块高度，T代表区块大小，目标区块负载为T/2，g表示包含在区块中的交易数量，由于g取决于基本费用b，我们将gt|bt表示在基本费用等于bt的情况下包含在Bt中的交易数量。D为调整因子，当前设置为d=0.125。

如果仔细分析，我们可以看出，因为BaseFee内嵌在协议中，并且是根据区块现状而自动进行调整，这本质上是官方为拍卖机制引入的一个价格参考标准：如果用户的保留价格低于BaseFee，那么他将选择不出价，等到未来BaseFee低于自己的保留价格时再出价；如果用户的保留价格高于Base，那么他将选择报价高于BaseFee。因此，EIP-1559通过将BaseFee移到协议内部的方式，为交易者提供一个可预测的交易报价，降低信息的不对称性，在一定程度上缓解了资源配置效率低下和报价策略复杂化问题。

然而，如果EIP-1559只有BaseFee，又会带来另一个严重问题：矿工舞弊。这类问题最常见的方式有两种：一是矿工可通过自己生成交易来抬高BaseFee，由此使自己获利，但这严重损害了用户的利益，并且容易带来网络的堵塞；二是通过与用户串谋，达成「链下交易」的方式，来使自己获益，但这使得ETH在以太坊上的地位被削弱。

基于以上原因，EIP-1559设计了最具争议的BaseFee销毁机制。BaseFee不支付给矿工而是进行销毁，这完美地解决了上述的矿工舞弊问题：首先，矿工很难再通过自己生成交易来牟利，因为他们不能只将自己的交易塞进一个区块中而不消耗费用；其次，「链下交易」以后将不再可行，它巩固了ETH作为支付使用以太坊的唯一方式，防止经济抽象。

然而，如果完全销毁所有的交易费用，那么矿工将没有动力继续打包交易；更重要的是，在以太坊网络出现堵塞时，仅有BaseFee的Gas费机制又将无法实现资源的最优配置。为此，有必要在BaseFee的基础上引入一笔小费作为矿工的激励，这就是Tip。Tip报价采用的也是一价密封拍卖机制，但相较于占Gas费大部分的BaseFee而言，Tip只能算一个小额小费，因此其中带来的交易效率问题不会成Gas拍卖机制的主要问题。

Tip的大小由用户自己决定，在以太坊拥堵时，Tip越高的报价越容易打包上链。但Tip的报价并非没有限制，因为EIP-1599有一个价格上限，代表用户愿意为交易打包进区块所支付的最高费用，确定了FeeCap，也就确定了Tip的上限。

至此，EIP-1559拍卖机制正式成型：Gas费用被拆分用BaseFee和Tip两部分，其中BaseFee部分由协议公式根据区块情况计算得出，并且最后被销毁；Tip部分的大小由用户决定，最后支付给矿工。

当然，需要注意的是，除最重要的拍卖低效率问题外，EIP-1559还解决了其他两个低效问题：Gas费用的高波动和用户延迟较长问题，这两个问题本质上都是区块的Gas上限造成的，所以最后通过区块松弛机制来缓解。这里因为篇幅的原因不再赘述。

EIP-1559的影响

从上面我们可以看出，EIP-1559主要是为了解决当前以太坊Gas交易效率低下而提出的新方案。当然，由于争议性的BaseFee销毁机制，在一定程度上改变了以太坊现有的利益分配格局。从现实上看，EIP-1559能带来以下影响：

直接影响：

提高以太坊Gas拍卖效率，改善用户报价体验；

防止矿工舞弊，保证交易的顺利进行

解决「经济抽象」问题，强化ETH在以太坊的地位

其他影响：

BaseFee销毁导致矿工收入减少，严重损害了矿工利益；

可能导致ETH通缩，但总体上减少了ETH流通量，利好ETH持有者；

不能解决的问题

EIP-1559不能解决Gas费高的问题。从经济学角度看，Gas费的高低取决于市场供需关系，因此降低手续费的根本是扩容。EIP-1559主要目标是解决拍卖机制的定价问题，并不能从根本上解决Gas费高的问题。

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