照亮黑暗森林：揭开MEV神秘面纱

随着以太坊生态系统的快速发展和链上基础设施的日益完善，MEV(最大可提取价值)一直被视为以太坊"黑暗森林"中最危险的一部分,直接影响用户的链上交易体验和收益。本文旨在从以太坊2.0的区块生成机制和提议者-构建者分离(PBS)技术演进出发,深入分析当前机制带来的中心化和信任问题,以及与以太坊去中心化理念的矛盾。

MEV的存在是一把双刃剑,既有正面作用如降低DEX价格差异、协助清算,也有负面影响如损害用户利益。因此MEV的解决方案更多是在减轻其负面影响,而非彻底消除。在探索减轻MEV负面影响和解决当前基于第三方信任中间件Relayer问题的过程中,主要有三类措施:改进拍卖机制、改进共识层和改进应用层。这些方案都将在不同程度上影响MEV的格局,但部分方案并不能从根本上解决用户遭受三明治攻击等问题。因此,引入更多隐私池技术来保护用户交易的隐私性也很有必要,这些MEV方案值得结合起来尝试。

此外,作为无法避免的机制设计副产品,MEV未来还将变得更加复杂。我们也探讨了在Layer2架构、EIP-4337账户抽象等新交易类型实施下,可能出现的更多MEV技术挑战和机会。

最后,我们希望通过本文探索缓解MEV负面影响的潜在解决方案,对当前MEV方案的利弊有一个全面认识,不仅为用户照亮"黑暗森林",也为研究者指明进一步研究MEV的方向。

以太坊2.0

自The Merge以来,以太坊采用POS机制保障网络安全,放弃了计算密集型的区块竞争,转而采用权益证明。合并后以太坊分为执行层和共识层。区块生成也发生变化,每个Epoch为一个POS周期,每个Epoch分为32个Slot,每个Slot为12秒的出块时间单位。

网络在每个Epoch内随机选出一个委员会,从中再随机选出区块提议者。提议者负责打包排序交易并生成区块,其他委员会成员监督并投票。委员会每个Epoch后重新选择,并设有操作时间限制以保证效率。这里我们规范术语:Payload是执行负载,即交易的状态变更,可视为执行区块的一部分。区块提议者将实施执行负载和区块提议。

PBS架构

实际上,当验证者被选为区块提议者时,往往不愿执行Payload(排序和执行交易),因为这需要大量计算能力。原本设想通过去中心化委员会选举,将执行负载纳入其中,使交易排序去中心化。但验证者倾向于将这部分外包,专注于提议区块。因此产生了PBS构想,将区块提议和构建分离,提议者仅负责验证区块,不参与构建。

这种分离促进了一个开放市场,提议者可从构建者获取区块。构建者相互竞争构造区块,向提议人提供最高费用,我们称之为"区块拍卖"。

简要介绍PBS(Proposer Builder Separate)密封第一拍卖模型:用户通过RPC代理提交交易到公开Mempool,多个Builder找到最适合交易进行排序,生成利润最大化的区块(利润=Base费用+Priority费用+MEV)。Builder通过MEV-Boost Relayer与Proposer交互,Relayer作为中介。Builder向Relayer提交报价,Relayer向Proposer提交多个区块头和报价,Proposer通常选择最高报价。Relayer遵循MEV-Boost规范,规范Builder与Proposer的竞标交互。整个过程信息密闭,Relayer只向Proposer提交区块头,保证Proposer的抗审查性。

PBS下各参与者及博弈

主要参与者包括Builder、Relayer、Proposer、MEVbot(Searcher)。

Builder

Builder负责构建区块内容。采用MEV-Boost后,其在竞标中更有优势,因支持Gas费和MEV收益。Builder可直接审查用户和Searcher交易,这一直备受争议,特别是美国政府公布OFAC后,大量Builder参与OFAC合规。虽然近期审查区块比例有所下降,但Builder在交易审查方面仍有直接影响。

目前Builder市场份额中,无需审查的beaverbuild.org正逐步扩大份额,一切以利润为导向。

Searcher

利润最大化需Searcher与Builder共同努力。Searcher常与特定Builder合作,形成Dark Pool或Private Pool,Searcher交易只对特定Builder可见,部分Builder获得最大化利润的MEV交易,进而竞标区块空间。理论上,如Builder作恶或审查,Searcher可选择其他Builder,导致该Builder市场份额降低。因此,考虑到Searcher的制约,Builder往往会权衡作恶的隐性成本。

Searcher分为CEX-DEX(链下)套利和DEX、夹层、清算(纯链上)两大类。目前Wintermute占据CEX-DEX套利交易市场份额第一。

对于纯链上MEV机会,呈现工作室化趋势。jaredfromsubway.eth市场份额高达37.2%,擅长对以太坊用户进行三明治攻击,曾是链上gas消耗最高用户,日均消耗约1.5%的gas。从2023年2月至2024年6月,该机器人共花费76,916个ETH,约合1.75亿美元。

由于Searcher与Builder关系密切,许多Searcher将订单流发送给前三名Builder。虽然理论上可广播给所有Builder,但小Builder可能拆分订单流,导致MEV策略失效,造成亏损风险。绑定Builder也有助于维持生态影响力。

Relayer

Relayer负责集合竞价,作为中转站向Proposer提交区块头和竞拍价格。此时Proposer不知区块交易细节。一旦Proposer选择并签名区块头,Relayer会释放完整交易内容给Proposer。Relayer作为无经济激励的第三方,获得极大信任。Builder依赖Proposer报价,Proposer依赖Relayer报价和区块内容。历史上曾发生Ultrasound Relayer漏洞,导致Proposer提取超2000万美元MEV。虽可修补漏洞,但Relayer本身仍可选择恶意行为窃取MEV。

目前运行纯MAX Profit的Builder市场占有率自Merge后逐步扩大,表明自由市场中难以通过Builder人为控制MEV。

Relayer面临无经济激励问题。Blocknative已退出Relayer方向研发。目前Relayer依赖Flashbots提出的MEV-Boost规范构建。以太坊依赖第三方提供PBS并非长久之计,社区正探索将PBS纳入协议级别。

Proposer

对Proposer而言,在所有验证者中随机选择委员会,再在每个slot选择区块提议者。提议者本具备执行负载能力,但倾向外包,易造成与Builder垂直合作。MEV-boost的Relayer希望作为中间点,减少直接沟通带来的勾结。目前由矿池作为验证者池,但矿池和LSD验证者池具强规模效应。特别是LSD出现,释放质押代币潜力,增强资本效率。背后DEFI积木影响下,验证者池呈集中化趋势。

Lido目前占28.7%市场份额,Coinbase、Ether.fi分列二三。过去未主动实施MEV-BOOST PBS方案时,Proposer需负责Builder任务(执行负载),但多数Proposer放弃交易排序执行能力,因繁重计算会严重影响验证性能,不如将执行负载外包,让第三方拍卖区块。

User

用户在整体架构中最为弱势,交易被放入Mempool,各种MEVbot从中赚取利润,但这些利润不会流向用户。然而并非全是坏处,如在DEX中,链上行情波动大或用户交易量超DEX流动性时,MEVbot通过套利减轻滑点和平台间价差。因此MEV存在正负外部性,需分开讨论,这也是其复杂之处。

为避免用户被MEVbot监测造成损害,许多RPC节点供应商可帮助用户将交易放入非公开Mempool,如通过Builder的RPC直接与Builder交互。一种新颖方式是通过OFA(Order Flow Auction)订单流拍卖为用户补偿MEV利润。OFA RPC运营商与Searcher合作,将用户订单拍卖给Searcher,Searcher获得最大化MEV,将订单流纳入区块,再返还部分利润给用户。

目前使用私人订单流的用户比例仍低,约10%。主要原因是用户教育成本高,多数用户难以正确理解MEV知识和应对措施,操作复杂。优化用户体验需用户更多被动参与,而非主动接受。

总结

当前PBS架构下,MEV-BOOST规范引入后,利润最大化的密封竞标拍卖机制导致Builder与Searcher逐步合作信任,集中化趋势明显。POS下Validator也呈集中化,MEV产业链各环节都变得集中化,引入多方信任问题。Searcher信任Builder,Builder和Proposer信任Relayer。MEV集中化与信任化发展,与以太坊去中心化去信任愿景明显违背。以太坊社区正讨论三个提案以减轻集中化:

1. 针对Builder与Searcher捆绑集中化:Flashbot提出SUAVE技术,增加交易透明度,降低Searcher对Builder信任门槛,鼓励Searcher向所有Builder发送订单流。

2. 针对Relayer信任化:使用Enshrined PBS替代当前PBS方案,消除对Relayer依赖。

3. 针对Validator集中化:采用去中心化AVS,如SSV等,Lido已与其合作。

MEV现状

目前链上主要MEV包括套利、三明治攻击、清算等。套利利润最大,近30天MEV bots可统计获利260万美元。实际上单笔交易平均利润约0.8美元,依靠大量交易,近30天以太坊链上三明治攻击利润约88万美元。

MEV有正负外部效应。正面包括套利减小DEX间价差,协助DEFI协议清算抵押品等。负面主要是对用户的夹层交易,使用户损失部分利润。当前链上费用机制下,虽以太坊实施Gas费平滑,但链上套利机会增多时,MEV bots与用户共同交易仍会导致短期Gas费飙升,影响用户经济和体验。

不仅PBS和POS架构带来MEV和中心化问题,以太坊向Layer2迁移过程中也衍生Layer2间跨链MEV问题。

Layer2架构设计的