以太坊研究员和 a16z 研究员合著：区块空间分配机制

作者：0XNATALIE，来源：作者博客

由以太坊研究员 mike 和 a16z 研究员 Pranav Garimidi、Tim Roughgarden 合作撰写的《On block-space distribution mechanisms》系统地探讨了区块空间分配机制如何影响 MEV。首先阐述了引入内协议机制处理区块空间分配的必要性，随后通过「谁、什么、何时、何地、如何」（W^4H）的框架来评估和比边现有的分配方案，并进一步深入分析了执行票模型（execution tickets）如何在提高 MEV 感知度和分配公平性之间取得平衡。以下是该文章的翻译。

TL;DR：区块空间，即交易包含的容量，是区块链导出的主要资源。随着加密生态系统的扩展和专业化，有效利用区块空间（MEV）所产生的价值在无需许可共识机制的经济学中扮演了重要角色。研究社区已经撰写了大量文章来探讨协议应如何对 MEV（见相关工作）。过去几年的讨论类似于「盲人摸象」的故事情节，提出了许多不同的观点、解决方案和理论，但每个角度看起来都是支离破碎，难以相互比较。本文的前半部分旨在通过提炼一系列核心问题，并探索现有提案如何应对这些问题，来呈现「MEV 大象」的宏观图景。后半部分则专注于执行票启用的分配机制，展示一个重要的新见解——协议内 MEV 预言机的质量与机制的公平性之间存在权衡。

文章组织结构： 第 1 节阐述了为何需要协议内机制来处理区块空间分配作为 Proof-of-Stake「终局」的一部分。第 2 节列举了可以用来衡量区块空间分配机制的五个维度，使用熟悉的一组问题：谁、什么、何时、何地、如何（简称 W^4H 问题）。第 3 节探讨了如何选择区块构建者，重点关注执行票模型。第 4 节通过总结和提出后续开放问题来展开讨论。

说明：本文篇幅较长，包含一些技术性元素。我们鼓励读者关注他们最感兴趣的文章部分。第 1、2 和 4 部分提供了对现有提案及我们提出的分析方法的广泛视角。 第 3 部分（内容占全文约 44%，但包含全部数学内容 100%）提供了通过执行票设计启用的分配机制的详细分析。这部分可以按顺序阅读、独立阅读、或者完全跳过——由您决定！

(1) 动机

在深入探讨这个复杂的话题之前，我们先简单说明一下区块空间分配机制的必要性。在 Proof-of-Stake 中，验证者的任务是生成和投票区块。下图来自 Barnabé 文章《More pictures about proposers and builders》中，将这些描述为提议（proposing ）和见证（attesting）权。

什么

区块空间分配机制是协议决定「提议」或「区块构建」权所有者的过程。Proof-of-Stake 协议通常使用以下规则的之一：

• 区块空间（提议）权 – 随机选择一个验证者作为领导者，允许其创建下一个区块。

• 投票（见证）权 – 所有验证者在某个时间窗口内对他们认为是规范头的区块进行投票。

验证者因执行这些任务而获得奖励。我们根据奖励的来源将其分类为共识层（协议发行，例如，新铸造的 ETH）或执行层（交易费用和 MEV）：

1. 共识层

• a. 见证奖励 – （见 attestation deltas）。

• b. 区块奖励 – （见 get_proposer_reward）。

2. 执行层

• a. 交易费用 – （见 gas tracker）。

• b. MEV（交易排序） – （见 mevboost.pics）。

奖励 1a、1b 和 2a 是众所周知且「在协议视野内」的。MEV 奖励则更具挑战性，因为完全捕捉通过交易排序实现的价值很困难。与其他奖励不同，区块中的 MEV 量实际上是不可知的（作为一个无需许可和匿名系统，不可能追踪每个账户的控制者以及任何可能与之配合盈利的链下活动）。MEV 也会随着时间剧烈变化（例如，价格波动），导致执行层奖励比共识层奖励的方差更大。此外，以太坊协议在实施时对其交易产生和提取的 MEV 没有洞察。为了提高协议对 MEV 的可见性，许多机制尝试估算给定区块中的MEV，我们称之为 MEV 预言机。区块空间分配机制通常有能力产生这样的预言机，使协议「感知 MEV」。

这引出了一个问题，协议为何关心 MEV 感知？一个答案是：MEV 感知可能增加协议在验证者具备不同程度的复杂性时保持奖励均等的能力。 例如，如果协议能够准确燃烧所有 MEV，那么验证者的激励将完全在协议视野内（如同上述的 1a、1b 和 2a）。或者，一种无论验证者复杂性如何都能在验证者之间分享所有 MEV 的机制（例如，mev-smoothing）似乎会促进一个更大、更多样化和去中心化的验证者集合，同时保持MEV奖励作为额外的质押激励。没有 MEV 感知，最能提取或平滑 MEV 的验证者（例如，由于与区块构建者的关系、专有算法/软件、对独家订单流的访问和规模经济）可能会获得高得不成比例的奖励，并对协议施加显著的中心化压力。

以太坊协议设计努力以一切代价保持去中心化的验证者集合。不言而喻，但为了完整性：协议的可信中立性、抗审查性和无需许可性直接取决于去中心化的验证者集合。

目前的区块空间分配

在今天的以太坊中，mev-boost 占了大约 90% 的区块。使用 mev-boost，提议者（随机选择的验证者领导者）通过拍卖将他们的区块构建权卖给出价最高的竞标者。下图展示了这一流程（我们排除了中继，因为它们实际上是构建者的延伸）。

提议者被激励将其区块构建外包，因为构建者（专业从事交易排序以提取 MEV 的代理）支付给他们的报酬高于他们自己构建区块所能获得的报酬。回到我们「保持验证者奖励均等在 MEV 存在的情况下」的目标，我们看 到 mev-boost 允许所有验证者进入构建者市场，实际上保持了独立质押者和专业质押服务提供商之间接近等同的 MEV 奖励——很好！但是…

当然，mev-boost 有一些问题，这些问题仍然让以太坊社区的一些成员感到困扰。简而言之，以下是服用 mev-boost 药物的一些负面副作用：

• 中继 – 这些受信任的第三方在提议者和构建者之间撮合区块的销售。对中继的巨大依赖增加了协议整体的脆弱性，如通过重复、事件、涉及、中继所展示的。此外，由于中继没有固有的收入来源，正在实施更多的（和封闭源代码）捕获利润的方法（例如，作为服务的时序游戏和出价调整）。

• 协议外软件脆弱 – 除了中继，参与 mev-boost 市场需要验证者运行额外的软件。独立质押的标准套件现在涉及运行四个二进制文件：（i）共识信标节点，（ii）共识验证者客户端，（iii）执行客户端，以及（iv）mev-boost。对于独立质押者来说，这不仅增加了显著的开销，依赖这些软件在硬分叉期间也提供了另一个潜在的故障点。参见 Shapella 事件和 Dencun 升级，了解由更多协议外软件引起的复杂性。

• 构建者集中化和审查 – 尽管这可能不可避免，但 mev-boost 的大规模采用加速了构建者的集中化。三个构建者占了大约 95% 的 mev-boost 区块（占所有以太坊区块的 85%）。mev-boost 实施的是公开喊价，第一价，胜者全得拍卖，导致高水平的构建者集中化和战略出价。包含列表或其他抗审查工具尚未实施，构建者对交易的包含和排除有极大的影响——（见 censorship.pics）。

• 时序游戏 – 虽然时序游戏被认为是 Proof-of-Stake 协议的一个基本问题，mev-boost 推动质押服务提供商在薄利竞争。此外，中继（代表提议者进行 mev-boost 拍卖）作为复杂的中间商，促进了时序游戏。因此，我们看到营销鼓励通过与特定提供商进行质押来提高收益。

(2) 枚举

必要的「设定舞台」之后，让我们更仔细地看看区块空间分配机制的本质。

区块空间分配的要素

考虑获取区块空间的游戏；MEV 激励代理参与，而协议内和协议外软件的组合定义了规则。设计这个游戏时，应考虑哪些要素？为回答这个问题，我们使用了「谁、什么、何时、何地、如何」这一熟悉的修辞模式（希望第 1 节足够回答了「为什么」），我们称之为 W^4H 问题。

• 谁控制游戏的结果？

• 什么是玩家争夺的商品？

• 何时游戏发生？

• 何地 MEV 预言机来自何处？

• 如何选择区块构建者？

这些问题看似过于简单，但单独考虑时，每个问题都可以看作是衡量机制设计空间的一个轴。为了证明这一点，我们强调了一些过去探索过的区块空间分配机制的不同种类。虽然它们看起来不相关，但通过理解它们如何回答 W^4H 问题，它们之间的关系变得清晰。

执行票和其他方法

我们呈现了许多不同的提出机制的纲要。请注意，这只是这些设计周围相当庞大文献的一个子集——（见infinite buffet）。对于以下每一个，我们只总结了关键思想（详见相关工作）。

• 执行票

• 关键思想：区块构建和提议权直接通过协议发行的「票证」出售。票证持有者被随机抽样为区块构建者，提前通知。票证持有者有权在分配的时间段内生产区块。

• 区块拍卖 PBS（Proposer-Builder Separation）

• 关键思想：协议通过随机领导人选举过程授予区块生产权。选定的验证者可以将其区块直接卖给构建者市场或在本地构建。构建者必须在拍卖中承诺特定区块。mev-boost是区块拍卖 PBS 的协议外实例；如最初提出的，ePBS 是协议内等效。

• MEV 燃烧/ MEV 平滑

• 关键思想：一个委员会负责在提议者在拍卖中选择的出价上设置最低值。通过要求提议者选择「足够大的」出价，创建一个MEV预言机。MEV要么在委员会成员之间平滑，要么燃烧（平滑到所有 ETH 持有者）。

• 插槽（slot）拍卖 PBS

• 关键思想：类似于区块拍卖 PBS，但代替销售插槽给构建者市场无需承诺特定区块——有时称为区块空间期货。通过不要求构建者承诺特定区块，未来的插槽可以提前拍卖，而不是等待插槽本身。

• 部分区块拍卖

• 关键思想：允许出售区块空间的更灵活单元。不是出售整个区块或插槽，而是允许提议者出售他们的_一部分_区块，例如，区块顶部（对套利者最有价值），而保留其余区块构建。在其他 Proof-of-Stake 网络中运行，例如 Jito 的区块引擎和 Skip MEV lane。

• APS 燃烧即执行拍卖

• 关键思想：来自 Barnabé 的新提案，迫使提议者提前拍卖区块构建和提议权。插槽提前（固定时间）出售，无需承诺特定区块；委员会（如同 MEV 燃烧/平滑）确保竞标足够大。

通过比较这些提案在 W^4H 问题上的回答，我们可以看到它们是同一设计空间中的不同部分。

应用 W^4H：比较分析

对于每个 W^4H 问题，我们描述了上述提案中不同的权衡。为了简洁起见，我们不会分析每个问题对应每个提案的情况，而是重点强调每条问题线索带来的关键差异。

• 谁控制游戏的结果？

• 在执行票机制中，协议通过随机选择持票者来决定游戏的赢家。

• 在区块拍卖 PBS 中，提议者（协议选出的领导者）单方面选择游戏的赢家。

• 在 MEV 燃烧机制中，提议者仍然选择赢家，但胜出的出价受到委员会的约束，从而减少了提议者的自主权。

• 竞争的是什么？

• 在区块拍卖 PBS 中，整个区块被出售，但出价必须承诺区块内容。

• 在插槽拍卖 PBS 中，整个区块被出售，但不需要承诺特定的区块内容。

• 在部分区块 PBS 中，区块的一部分被出售。

• 游戏何时进行？

• 在区块拍卖 PBS 中，拍卖在插槽期间进行。

• 在插槽拍卖 PBS 中，拍卖可以在许多插槽（例如 32 个）之前进行，因为没有区块内容的承诺。

• 在执行票机制中，票据被分配到固定提前期的插槽。

• MEV 预言机从哪里来？

• 在 MEV 燃烧/平滑机制中，委员会强制要求选出的出价足够大，这个出价就是预言机。

• 在执行票机制中，票据的总花费作为预言机。

• 如何选择区块构建者？

• 在区块拍卖 PBS 中，任何外包的区块生产都是赢家通吃分配，最高出价者获得区块构建权。

• 在执行票机制中，可以实现许多不同的分配机制。例如，在原始提案中，随机选择票据，机制是「按票据数量比例分配」；在这种情况下，最高出价者（持有最多票据者）只是拥有最高的被选中概率，并不保证获得区块构建权。

如果以上内容看起来晦涩难懂，不要担心。接下来的部分将深入探讨这些不同的分配机制。

动机回顾

在继续之前，让我们回顾一下我们最初的动机：

区块空间分配机制旨在在存在 MEV 的情况下保持验证者奖励的同质性。

这是一种很好的基础，但如果这是我们唯一的目标，为什么不继续使用 mev-boost？记住，mev-boost 有一些负面影响，可能需要我们设计的最终协议具有抵抗能力。我们强调区块空间分配机制的其他四个潜在设计目标：

1. 鼓励更广泛的构建者竞争。

2. 允许验证者和构建者之间的信任互动。

3. 在基础层协议中纳入 MEV 意识。

4. 完全从验证者奖励中移除 MEV。

请注意，虽然（1、2、3）相对无争议，（4）则更具争议性（并且需要（3）作为前提条件）。协议可能希望通过消除 MEV 奖励，确保共识层奖励（协议控制的部分）更准确地反映整个系统的激励。这也涉及到质押宏观经济学和协议发行等问题——这是一个更具政治性的讨论。另一方面，MEV 奖励是网络使用的副产品；MEV 可以被视为原生代币的价值捕获机制。我们在这里不试图解决这些问题，而是探索不同答案如何影响机制设计。

我们可以在协议设计层面做些什么来符合这些期望？如上所述，有许多权衡需要考虑，但在接下来的部分中，我们将探讨「如何选择区块构建者？」以在某些方面进行改进。

(3) 质询

编辑注： 正如之前提到的，这部分比其他部分更长、更技术化——如果你时间（或兴趣）有限，可以直接跳到第 4 节。

部分目标： 展示在两种最熟悉的分配区块提议权利的方法（我们称之为「按比例全额支付（Proportional-all-pay）」和「赢家通吃（Winner-take-all）」）之间，MEV 预言机质量和机制公平性之间的定量权衡。

我们打算通过以下子部分来实现这一目标：

基础知识

在深入探讨执行票可能实现的分配机制之前，我们必须先建立模型。考虑一个协议，出售执行票的规则如下：

1. 价格固定为1 WEI，且

2. 可以无限量购买和出售票据。

注意： 这种版本的执行票实际上相当于创建了两种独立的质押机制——一个用于证明，一个用于提案。设计上的小改动，例如不允许票据转售给协议，可能对市场运作产生巨大影响，但这不是本文的重点。我们只是狭隘地探讨在已有票据持有者集合的情况下的区块空间分配问题。

值得注意的是，从协议的角度看，区块生产者和证明者是独立的个体——个人必须选择参与协议的哪个部分，通过决定质押还是购买票据。次级票据市场可能会发展成为一个在拍卖市场及时出售构建权的场所（就像今天的 mev-boost 一样）。

此外，构建者可能选择直接与协议互动，购买执行票，但他们的资本可能更适合作为活跃的流动性，捕捉交易场所之间的套利。因此，他们可能更愿意在次级市场上在拍卖时购买区块空间。

为什么我们要局限于这种发布价格无限供应的机制？两个原因：

1. 不清楚一个复杂的市场是否可以在共识层实现。 客户端优化使得任何具有消费级硬件的验证者都可以参与网络。这个需求可能与快速拍卖、绑定曲线或其他可能的票据销售机制不兼容。关于售出的票据数量、链上票据销售包含的MEV（元MEV？！）以及票据销售的时间（和时间游戏）的问题似乎更接近执行层关注的问题，而不是以太坊共识可以合理实现的问题，同时保持硬件要求有限。

「可以想象 ET 市场相关交易的包含可能会引发 MEV，无论这些交易是包含在信标区块中还是执行有效负载中。」——Barnabé在《More pictures about proposers and builders》中说。

1. 即使（一个大假设）协议能够实施一个更严格的票证销售市场，该机制的设计空间也是巨大的。 已讨论了许多潜在的定价机制，例如，绑定曲线、1559风格的动态定价、拍卖等；对这些进行一般性陈述超出了本文的范围。

因此，我们专注于「无限量、1 WEI固定价格」的执行票版本，在这种情况下，协议内化的复杂性最小。在这种框架下，我们可以问一个可能正在燃烧你的问题，「给定一组执行票持有者，如何选择赢家？」……听起来很简单，对吗？事实证明，即使是这样一个看似简单的问题，我们也有很多可以说的；让我们探索几种不同的选择。

x:b→[0,1]n ∑ixi(b)=1 p:b→Rn≥0

模型

考虑通过购买执行票获得 MEV 奖励的重复游戏：

• 每个周期，每个玩家提交一个出价，表示他们购买的票证数量。用向量 b 表示出价，其中 bi 是第 i 个玩家的出价。

• 每个玩家对赢得区块生产权有一个估值。用向量 v 表示估值，其中 vi 是第 i 个玩家的估值。

• 每个时间步，一个分配机制根据出价向量决定每个玩家的分配。假设竞标者是风险中立的，我们可以等效地说他们每个人被分配到「区块的一部分」，这也可以解释为「赢得某个区块的概率」。在n个玩家的游戏中，用x: b →[0,1]^n表示实现分配机制的映射，其中 xi(b) 是第 i 个玩家的分配，在 ∑ixi(b)=1 的约束下（即机制完全分配）。

• 每个玩家的付款在每轮收取。用 p: b →Rn≥0 表示根据出价集确定的支付规则，其中 pi(b) 是第 i 个玩家的付款。

• 每个玩家的游戏效用函数定义为 Ui(b) = vi xi(b) - pi(b)，即玩家效用等于其赢得区块的价值乘以获得部分再减去支付的金额

熟悉的分配机制

考虑两种（完全不同的）可能机制。

比例全付（对原始执行票提案的轻微修改）

• 每轮期间，所有玩家提交出价。用向量 b 表示出价。

• 出价赢得游戏的概率是出价值除以所有出价值的总和

• 

  每个玩家无论游戏结果如何都要支付其出价（因此称为「全付」），pi(b) = bi。
  

胜者全得（当前 PBS 的实现）

• 每轮期间，所有玩家提交出价。用向量 b 表示出价。

• 最高出价者赢得游戏，因此x_i(b) = 1，如果 max(b) = bi 且xi(b) = 0（例如，平局时优先考虑出价较低的玩家）。

• 只有赢得的玩家支付其出价，因此pi(b) = bi，如果 max(b) = bi且pi(b) = 0（同样的平局处理方式）。

比较结果

为了展示这两种机制的不同结果，考虑一个有两个玩家的游戏，其中玩家 1 的估值为 v1 = 4，玩家 2 的估值为 v2 = 2（我们考虑一个完全信息的设置，其中个人估值是常识。）。

• 比例全付结果：

• 均衡出价：b1 = 8/9，b2 = 4/9

• 均衡分配：x1 = 2/3，x2 = 1/3

• 均衡支付：p1 = 8/9，p2 = 4/9

这感觉是直观正确的；当v1 = 2·v2（玩家 1 对区块的价值是玩家 2 的 2 倍），玩家 1 出价、接收和支付的金额是玩家 2 的两倍。

• 胜者全得结果：

• 均衡出价：b1 = 2+ϵ，b2 = 2

• 均衡分配：x1 = 1，x2 = 0

• 均衡支付：p1 = 2+ϵ，p2 = 0

这相当不同。玩家 1 的出价刚刚超过玩家2的价值（我们用 ϵ 表示一个小量），接收全部分配。玩家 2 什么都没得到也没支付。

现在考虑每种情况下机制收集的「收入」（或出价总和）：

• 比例全付收入： b1 + b2 = 4/3

• 胜者全得收入： b1 = 2+ϵ

胜者全得的收入更高，相当于更准确的MEV预言机（因此协议烧毁或平滑的MEV更多），而不是比例全付。直观上，通过将区块生产权分配给价值较低的玩家（如比例全付所做），我们放弃了如果将整个权利分配给价值最高的玩家本可以获得的收入。对于更完整的处理，请参见附录 1。

另一个需要考虑的因素是分配机制的「公平性」或「分配」。例如，假设我们同意以下指标：√x1⋅x2（我们使用几何平均，因为如果 x1 + x2 的总和固定，几何平均在 x1 = x2 时最大，如果任意 x1 或 x2 为零，则为零）。现在，让我们看看两种候选机制的公平性结果：

• 比例全付公平性：√1/3⋅2/3≈0.471

• 胜者全得公平性：√1⋅0=0

这里，两个机制的「性能」翻转了——赢家通吃不如按比例全额支付公平，因为「玩家2」没有获得任何分配。这展示了在分配区块提案权利时，MEV 预言机质量和机制公平性之间的定量权衡。

这个小例子揭示了一个关键结论：MEV 预言机的质量和公平性之间存在根本性权衡。按比例全额支付机制（也就是原始的执行票提案）更为公平，因为两位玩家都有一定概率赢得游戏，这鼓励每个玩家（尤其是高价值玩家）相应地调整他们的出价，从而降低了机制的收入和 MEV 预言机的准确性。第一价格机制引发了更高的出价，因为投标者只有在赢得整个区块生产权时才需支付，从而增加了收入，但这种赢家通吃的动态使得分配变得不公平。

开放性问题：按比例全额支付机制是否是「最佳」的防 Sybil 攻击机制？在无需许可的环境中，我们只考虑防 Sybil 攻击的机制，即玩家通过分拆其出价为多个身份不会受益。我们认为按比例全额支付机制处于防 Sybil 攻击机制的理想区间，在收入/MEV 预言机准确性和公平性方面都表现良好。我们留下一个有趣的开放问题，即确定按比例全额支付机制的「最优性」程度（例如，我们未能找到另一个在收入和公平性上都优于它的防 Sybil 攻击机制）。

（与具体计算相关的旁注#1和#2可查看原文）

(4) 推论

让我们总结一下学到的东西。第 3 节展示了执行票机制实例中 MEV 预言机准确性和公平性之间的基本权衡。一个协议可能愿意为更多的分配和熵付费（以减少收入的形式），以改善和维持协议的可信中立性。此外，使用模型推导出平衡出价有助于我们了解代理在面对各种分配和支付规则时可能的反应。

进一步的问题（回到我们的三个 W^4 问题）：

玩家竞争的是什么？ 我们能否扩展模型维度，允许不同玩家对区块的不同部分有不同的价值（例如，套利者可能特别重视区块顶部，但对其余部分没有价值）？

游戏何时进行？ 如果游戏提前很久进行而不是在插槽期间进行，MEV 预言机的准确性会如何变化（例如，定价未来预期的 MEV 与当前可实现的 MEV）？

如何选择区块构建者？ 是否存在在收入和公平性上都优于按比例全额支付的防 Sybil 攻击机制？ 我们能否更正式地描述收入和公平性之间的基本权衡？ 考虑到防 Sybil 攻击的约束，应该探索哪些替代的分配和支付规则（例如，图洛克竞赛，其中分配规则由参数 α>1 决定，公式为 i=bi^α/∑jbj^α），我们能否确定最优选择？

回到更广泛的视角，其他版本的 W^4H 问题可能需要不同的模型来推理。

谁控制游戏的结果？ 在委员会强制执行的机制版本中，可能会出现怎样的合谋行为？ 如果即时区块拍卖继续在协议外进行，我们是否应该明确描述次级市场？

游戏何时进行？ 在考虑提前销售区块空间与同插槽销售时，网络延迟有多关键？值得建模部分同步环境吗？ 如果多插槽 MEV 是可行的，区块构建者的估值会如何变化？

MEV 预言机来自哪里？ 如果来自委员会，委员会成员是否有不诚实行为的激励？ 这些激励是否取决于协议捕获的 MEV 是被燃烧还是被平滑？

如常，开放性问题层出不穷，但我们希望（a）W^4H 问题有助于扩展对区块空间分配机制的理解，（b）对分配机制的深入探讨有助于了解执行票的潜在设计空间。