一文了解礦工可提取價值（MEV） 如何實現交易利益最大化？

根據最初 Flash Boys 2.0 中的定義，礦工可提取價值 (MEV)是指礦工可以通過在他們生產的區塊中包含、重新排序、插入或忽略交易來獲得的額外利潤。雖然贏得區塊的過程相當民主，但獲勝的區塊生產者對可以包含在區塊中的交易有很大的控制權。 這種權利是 MEV 的根本所在，理論上這種權利應該只能向善。 Flashbots 團隊主張將“礦工可提取價值”重新命名為“最大可提取價值”，以涵蓋特權參與者（例如 ETH2 中的驗證者）可提取的所有價值，而不僅僅是 PoW 系統中的礦工可以提取的價值。

了解 MEV

在以太坊交易被包含在一個區塊中之前，它先會進入內存池，這是一個可公开訪問的暫存區。這也是 MEV 機器人搜索可用於捕獲某些 MEV 的交易的地方，例如通過套利市場或清算新的抵押不足的貸款。

例如，假設有一個大的 Uniswap 訂單在內存池中購买 SNX / WETH。 MEV 機器人將立即在 Uniswap 大訂單後面進行交易，以利用 Uniswap 池中的價格滑點與另一個 AMM 池（如 SushiSwap）中的 SNX/WETH 價格進行套利。這被認為是良性或積極的 MEV，因為它有益於生態系統。

然而，礦工作為鏈上內容的最終守門人，甚至相對於 MEV 機器人也有一張王牌。擁有“廣義搶跑”機器人的礦工可以復制 MEV 機器人的套利交易並將其替換為自己的，從而為自己攫取套利的利潤。廣義搶跑交易被視為惡性 MEV 交易，或破壞生態系統穩定的交易。審查攻擊和中心化 MEV 提取是 Ed Felten 已經確定的關於 MEV 拍賣的兩個問題，並對以太坊社區構成重大危險。

Time-bandit 攻擊是开創性的 Flash Boys 2.0 論文中確定的另一種 MEV 攻擊向量，它有可能破壞共識的穩定性。它們對具有狀態的區塊鏈（即以太坊）構成更大的生存風險。在這種攻擊中，礦工可以“回滾”鏈並重新挖掘已經執行的區塊以獲取利益，從而捕獲他們原本不會擁有的 MEV。區塊獎勵越低，礦工重組區塊以獲取歷史 MEV 的動力就越大。

MEV策略

許多捕獲 MEV 的策略需要精確的事務排序。例如，通過在 DEX 上的大訂單之前或之後進行交易。清算策略利用反向運行的機器人在價格預言機更新後立即進行交易。一種相對較新的 MEV 策略被稱為“叔叔強盜（uncle bandit）”，其中叔塊中的交易用於捕獲 MEV。

1. 搶跑（front-running）：確定了內存池中的目標交易，並且機器人試圖通過提交略高的 gas 價格在交易前立即被挖掘。例如，機器人在 Uniswap 上尋找新的交易列表，並會在列表後立即發送大量購买訂單以推高價格。

2. 後跑（back-running）：機器人通過提交比交易略低的 gas 價格，尋求在目標交易之後立即被挖掘。例如，在價格預言機更新後立即提交清算訂單。

3. 夾帶（sandwiching）：搶跑和後跑的結合。例如，在內存池中識別出一個大的买單，並在买單之前放置一個搶先訂單，以較低的價格購买代幣。大买單然後推高價格，然後後退機器人出售先行訂單代幣以獲取利潤。

4. 叔叔強盜（uncle bandit）：正如 Flashbots 的 Alchemy 和 Robert Miller 所詳述的那樣，機器人能夠反跑它在叔塊中看到的三明治捆綁（bundle），有效地將叔塊用作內存池。

MEV 提取的繁榮促使礦工們運行自己的 MEV 機器人。 Uncle Bandit 攻擊是 MEV 提取的一個例子，礦工在這方面具有顯着優勢，因為他們可以首先看到叔塊。隨着 MEV 領域的競爭越來越激烈，一些 MEV 參與者已經演變成掠奪者。 Nathan Worsley 的沙門氏菌（Salmonella）合約展示了如何利用模擬邏輯中的缺陷來利用三明治套利機器人。

在公共內存池中提交的機器人，對於優先考慮的策略，以越來越高的gas價格相互競標，以在所謂的優先gas拍賣 (PGA) 中捕獲 MEV。這會創建一個反饋循環，因為費用估算器使用升高的 Gas 價格作為參考，導致非 MEV 用戶為要執行的交易支付過高的費用。此外，由於只有一個機器人可以捕獲 MEV，因此所有未獲勝的機器人都會取消或恢復其交易，這會佔用不必要的 gas。換句話說，通過 PGA 提取 MEV 會導致影響所有以太坊用戶的外部性。

傳統MEV

搶跑交易並不新鮮，在傳統金融市場中已經存在了幾十年。但直到邁克爾·劉易斯 2014 年出版的書 《Flash Boys: A Wall Street Revolt 》才讓全世界廣泛意識到這些掠奪性策略。多年來，高頻交易場所使用多種策略來獲得延遲優勢——主機托管、電纜线路、微波塔等。在某些情況下，交易所員工也參與了市場操縱。

傳統市場的後跑交易通常發生在交易場所利用交換機制使他們能夠在事件發生後立即輸入訂單。這意味着要么破解一種方法以更快地獲取事件數據，要么更快地將訂單發送到匹配引擎。 Accidental HFT Firm 是一個很棒的博客，它記錄了其中一些高頻漏洞。

暗池是另一種交易系統，允許买賣雙方下訂單而不公开透露他們的訂單。高頻交易公司通過向市場發送 1 手訂單以檢測流動性來尋找大訂單。當發現大額流動性時，一旦該塊被填充，就會採用三明治式的策略來利用價格變動。

MEV的增長

MEV 最近被重新定義為“最大可提取價值”，因為隨着 DeFi 的採用，實現的 MEV 數量呈指數增長，並且認識到區塊鏈中不依賴工作量證明的區塊生產者也可以提取價值，例如 ETH2 中的驗證器。

圖 1. Flashbots MEV瀏覽器：從 2020 年 1 月 1 日开始累積提取的 MEV。

隨着已實現 MEV 數量的增長，MEV 機器人運營商开始通過專用網絡（例如 Flashbot）發送交易。 這些私有網絡允許機器人運營者將他們的交易直接發送給礦工，並與礦工分享 MEV 收益以換取交易執行。

圖 2. Flashbots MEV Explorer：提取的 MEV 細分。

礦工如何獲得補償？

礦工目前從三個來源獲得補償：

1. 基本費用 - 每個塊2 ETH獎勵 + 叔塊獎勵

2. 交易費用 - 用戶支付的gas出價以將交易包含在區塊中

3. MEV - 礦工通過在區塊中的特定點插入交易來提取的額外費用

交易費用是以太坊網絡擁堵的根源，因為訂單通過其交易的 Gas 價格競標來競爭包含在區塊中。 當前的交易費用機制稱為第一價格拍賣，其中交易的創建者提交一個 gas 出價以包含在下一個區塊中。 然後礦工用支付最高的交易填充區塊，每個包含的交易都必須支付他們的 gas 出價。 即將於 2021 年 7 月通過倫敦硬分叉實施的 EIP-1559 將取消交易費用和第一價格拍賣，並將用固定價格銷售取而代之。

EIP-1559 是什么？

EIP-1559 的目標是降低導致以太坊網絡擁堵的高gas費。 Tim Roughgarden 關於 EIP-1559 的論文分解了創建 EIP-1559 的原因以及對礦工和交易創建者的影響。

EIP-1559的關鍵概念：

1. 每筆交易都需要支付基礎費用才能包含在區塊中。基本費用基於前面區塊的大小。所有基本費用收入都被燒毀，將它們從 ETH 的循環供應中移除（通貨緊縮效應）。

2. 最大區塊大小從 1250萬 gas 增加到 2500萬 gas。 1250萬 gas 現在是目標區塊大小。這允許根據先前的區塊大小與目標區塊大小的距離來調整基本費用。

3. 交易包括小費和費用上限，而不是gas價格。小費是交易創建者支付給礦工的超出基本費用的金額。費用上限必須等於要包含在區塊中的基本費用。

交易創建者支付 = gasLimit * min {基本費用 + 小費，費用上限}
礦工收到 = gasLimit * min {tip, fee cap - base fee}

參與 Flashbots MEV-Geth 礦池的礦工已經收到來自 MEV 機器人的小費。到 2021 年 4 月，礦工為包含 Flashbots交易的每個區塊獲得額外的 0.18 ETH，並且由於新產品的發布增加了每個區塊可以捕獲的 MEV 數量，因此預計這一數字將大幅增長。

圖 3. Flashbots 透明度報告 - 2021 年 4 月

MEV解決方案

最小化交易 MEV 的最簡單方法是使用私有內存池來訪問礦工，盡管這仍然相信礦工不會搶跑您的交易。 Flashbots 旨在成為MEV領導者，已經創建了一個網絡，該網絡將 MEV 提取機器人直接連接到礦工。 KeeperDAO、Secret Swap、BloXroute 的 backrunme、ArcherSwap 和 Alchemist 的 misX.io 提供私有網絡，並用來自 MEV 機器人的利潤來補償具有 MEV 的交易。 以太坊礦工 Sparkpool 還允許用戶通過其私有網絡 Taichi Network 私下路由他們的交易。

1. Flashbots

Flashbots 是一個研發團隊，致力於構建用於理解和執行非常規 MEV 提取的工具。 Flashbots 於 2021 年 1 月推出，發布了兩款產品：1) Flashbot Alpha：一種經過修改的 go-ethereum 客戶端，允許交易者與礦工交流他們的交易訂單偏好，以及 2) MEV-Explore：一個公共儀表板，實時顯示 MEV 交易。 Flashbot Alpha 包含兩個主要工具——MEV-Geth 和 MEV-Relay，它們允許 MEV“搜索者”私下向礦工提交他們的交易。提取交易由 MEV 機器人操作員與原始 Mempool 交易一起排序和捆綁（bundle）。然後將捆綁被提交給礦工，MEV 機器人運行者將交易利潤的一部分作為“小費”給礦工，以將其交易包含在區塊中。

截至 2021 年 4 月，以太坊網絡 84% 的礦池算力採用了Flashbots。 2021 年 5 月 16 日至 22 日這一周的前 7 大礦工已加入 Flashbots。

圖 4. Etherscan：2021 年 5 月 16 日至 22 日的頂級礦工。

Flashbots 最近發布了他們的 MEV-Geth 和 MEV-Relay v0.2，其中包含以下變化：

改進後的拍賣定價創建了一個函數來估算礦工的機會成本並解決捆綁（bundle）銷售問題。

丟棄具有恢復交易的捆綁：通過防止意外交易登陸鏈上來減少鏈膨脹。

捆綁合並：允許在一個塊中包含多個捆綁。 增加礦工收入並為搜索者創造更高的交易包含機會。

用 Websockets 替換 HTTP 端點：減少延遲並提高節點安全性。

通過 Flashbots 網絡的 MEV 的統計數據可以通過他們的儀表板查看。

圖 5. Flashbots 儀表板：截至 2021 年 6 月 1 日，包含 Flashbots 包的塊的百分比。

2. KeeperDAO 的隱藏式訂單薄

KeeperDAO 是另一種使用稱為隱藏式訂單薄的私有虛擬內存池的協議。用戶通過隱藏訂單薄的網絡路由他們的交易或借貸交易，其中 Keeper 機器人通過套利或清算提取 MEV。 MEV 的利潤存入 ROOK 金庫，用戶以 $ROOK 代幣的形式獲得利潤的一部分，減去管理員費用。用戶交易是免費執行的，並且不受滑點和三明治攻擊的影響。

KeeperDAO 也有協調博弈，在這個博弈中，管理者被激勵合作、輪流和分享利潤，而不是通過 PGA 相互競爭。這也可以防止保管員因交易訂單失敗而損失 gas 成本。

3. Secret Networks 的 Secret Swap

Secret Swap 是 Secret Network 上的 AMM 協議。 Secret Swap 使用祕密合約 (SNIP-20s) 來保護用戶免受搶先和其他 MEV 機器人的侵害，同時提供對跨鏈流動性。 SNIP-20s 合約在內存池中時會被加密，以防止 MEV 提取。用戶需要有一個 Keplr 錢包和 $SCRT 代幣來支付“gas費用”。 Secret Swap 上的交易必須支付 0.3% 的掉期費以及 $SCRT gas 費。 LP 和交易者收到 Secret Swap 治理代幣 $SEFI。

$SCRT 代幣是 Secret Network 協議層的原生治理代幣。 Secret Network 提供了一個加密的內存池，可以防止節點和驗證者看到交易細節。 Secret Network 區塊鏈基於 Cosmos SDK/Tendermint，具有懲罰和委托功能。 Secret Apps 是使用用 Rust 編寫的 CosmWasm 智能合約構建的，並部署在 Secret 網絡上。

圖 6. Secret Swap分析：2021 年 3 月至 5 月。

4. bloXroute BackRunMe

BloXroute 最近發布了 BackRunMe，這是一個 Solidity 合約，允許用戶提交私人交易，以防止搶先攻擊和三明治攻擊。 交易仍然可以，從而提供 MEV 套利機會。 用戶將獲得 25% 的回扣，而 MEV 機器人將獲得 20%、礦工獲得 50% 和 bloXroute 5%。

圖 7. bloXroute BackRunMe：它是如何工作的。

圖 8. bloXroute BackRunMe：利潤分享細分。

5. Archer DAO 的 ArcherSwap

Archer DAO 於 2020 年 8 月推出，使礦工能夠利用 MEV。 由第三方供應商提供的 MEV 機器人向礦工提供有利可圖的 MEV 捆綁。 供應商和礦工以 $ARCH 治理代幣的形式分享 MEV 利潤。 流動性提供者為 MEV 策略的供應商機器人提供抵押品，這些策略需要比閃電貸更長的資本貸款。 ArcherSwap 使用 Archer Relay 繞過公共內存池並將用戶交易直接發送給他們自己的礦工和 Flashbots MEV-GETH。 ArcherSwap 可防止搶先交易和滑點，並且對於訂單取消和交易失敗是免費的。

圖 9. ArcherDAO 網絡。

Archer DAO 最近收到了向 ArcherSwap 用戶分發 ARCH 代幣的治理提案。 ARCH 代幣是使用 MEV 從用戶交易中產生的收入從市場上購买的。

6.TaiChi Network

TaiChi Network是 SparkPool 運營的私人交易服務。 用戶交易僅對 Sparkpool 可見，不會廣播到其他以太坊節點，從而阻止 MEV 機器人對訂單採取行動。 由於 Spark Pool 可以查看交易，因此它仍然容易受到 Spark Pool 運行的 MEV 機器人的攻擊。

圖 10. TaiChi Network

7. Alchemist mistX.io

misX.io 是一個運行在 Flashbots 網絡上的 DEX，它使用戶能夠以 Flashbots 捆綁的形式發送交易。 所有misX 代幣-ETH 交易的gas 價格為0，用戶無需在錢包中持有ETH。 misX 用戶還可以取消交易而無需支付費用。 misX.io 平臺保留一定比例的礦工小費，用於豐富 Crucible 和 Aludel 獎勵計劃。

結論

對於執行兌換和借貸交易的 DeFi 用戶，以太坊上的 MEV 只能減少而不是完全消除。當前最好的解決方案是私有網絡，它可以防止公共內存池中的搶先攻擊和三明治攻擊，同時還可以從 MEV 的利潤或其他好處（例如無gas交易）中提供回扣。然而，從 Flashbot 的活動中可以觀察到，新的 MEV 提取策略不斷被發現和創建，當前的保護可能會過時。

對可能降低 MEV 的當前選項的進一步改進將使當前的設計無需許可且完全私有。無許可設計意味着沒有受信任的中介，即礦工，將能夠審查交易。完全私有的設計意味着沒有參與者——即聚合器、礦工、網關管理員，能夠觀察到交易的細節。 Flashbots 最近提交了他們的 MEV-SGX 提案，這是 Flashbot Alpha 的一種無需許可且完全私有的改進，它利用了英特爾的 SGX 安全飛地。

圖 11. MEV-SGX 架構。

Layer 2 Rollup提供了另一種減少 MEV 的潛在方法。 Vitalik Buterin 建議，Rollup可以處理所有以以太坊為基礎數據層的交易執行。 Optimism 提出了 MEV 拍賣（MEVA），該拍賣將通過創建兩個功能來減少礦工 MEV：1）交易包含和 2）交易排序。

圖 12. Optimism MEV 拍賣 (MEVA)

理論上，權益證明 (PoS) 可以通過削減試圖重組先前區塊的驗證器來抑制時間強盜（time-bandit）攻擊。 如果 MEV 利潤顯着大於削減懲罰，則仍然存在可能發生時間強盜（time-bandit）攻擊的可能性。

感謝 Flashbots 的 Robert Miller 提供技術幫助和評論。

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