EIP-1559 上線前夕，再探 EIP-1559 設計原理與潛在影響

撰文：李煉炫、陳雨萱，就職於火幣研究院

以太坊 EIP-1559 協議的主要目標是改善 Gas 費拍賣效率問題。此前以太坊採用一價密封拍賣模式，但由於市場上信息不對稱問題，引發了資源配置低下和貝葉斯博弈下報價策略複雜化的問題。為此，EIP-1559 引入了每筆交易必須支付的固定費用 Base Fee，並將其內嵌公式化，由此改善了信息不對稱問題，提高了拍賣效率；同時為了防止礦工舞弊和抽象經濟問題，EIP-1559 將 Base Fee 部分進行了銷毀處理，並引入了由用戶自主報價的 TIP 費用，來激勵礦工打包交易。當然，Base Fee 銷毀機制不可避免地影響了礦工群體的利益，但利好於 ETH 持幣群體。此外，EIP-1559 無法從根本上解決交易費用高昂的問題。

北京時間 8 月 5 日晚，以太坊將正式迎來倫敦硬分叉。在本次升級的內容中，EIP-1559 提案受到行業的廣泛關注。然而提到 EIP-1559，中文社區對其認知卻有明顯不足。例如，很多讀者誤認為 EIP-1559 提案是為了降低鏈上交易手續費，或者是為了實現 ETH 的通縮。在不盡的爭議中，EIP-1559 的真實動機卻逐漸被喧囂所埋沒。為此，在 EIP-1559 即將升級的前夜，有必要帶領讀者們重新認識 EIP-1559，了解其背後動機、原理與影響。

EIP-1559 的背景動機

相信大部分讀者都有所了解，EIP-1559 主要是修改了以太坊上交易手續費的收取方式。而以太坊的這種交易機制，本質上是一種是拍賣。目前流行的拍賣方式主要有四種模式，分別是英式拍賣（增價拍賣），荷蘭式拍賣（減價拍賣），密封一價拍賣和密封二價拍賣，具體如下表所示。其中，以太坊採用的是密封一價拍賣模式：用戶在出價相互保密的前提下提出手續費報價，礦工優先將出價更高的交易打包進區塊，以獲取交易手續費。

拍賣的最大特點在於，價格由競爭的方式來決定，不是由賣方說了算，也不是由買賣雙方討價還價完成。競爭決定價格的優越性源於非對稱信息（理解這點很重要，後文我們可以看出 EIP-1559 正是為了優化這一問題），賣方不完全知道潛在買方願意給出的真實價格，每一個潛在買方也不知道其他買方的出價。當然，對於拍賣這種特殊的經濟機制設計，在任何情況下都有兩個核心目標需要完成：

帕累托最優：該拍賣能實現資源的有效配置，這意味着拍賣品應出售給對它評價最高的用戶，因為評價最高的人往往是最需要拍賣品的人；

利潤最大化：該拍賣可使賣方獲得最大期望的利潤

在傳統經濟學的假設條件之下，密封一價拍賣模式是可以實現帕累托最優的（即交易的高效率）。然而，以太坊所處的現實情況已經超出了傳統經濟學的假設，使得當前的 Gas 費拍賣機制深受市場詬病，主要體現在以下兩點：

（1）以太坊 Gas 費拍賣中信息不對稱，導致資源未有效配置，交易效率低下

在密封一價拍賣規則下，每個買方都會有如下考慮：如果他對物品的真實評價是 100 美元，那麼他絕對不會出價 100 美元，因為這樣做他的盈利為 0；他更不會出價高於 100 美元，這意味着他會虧本。因此，他最好出價低於 100 元。然而此時他卻面臨如下權衡：出價越高，贏面越大，但贏后所得利潤越少；出價越低，贏面越小，但贏后所得利潤越大。因此，他必須在贏面大小和贏后獲利大小之間做權衡，找出一個最優出價策略。

密封一價拍賣實現帕累托最優的前提是保留價格等於真實評價。但以太坊的 Gas 拍賣機制卻未能實現這一點，主要原因在於信息的不對稱性。一個典型的案例：考慮只存在兩個用戶，對 Gas 的真實評價分別為 50 美元和 30 美元。如果具有較高評價（50 美元）的用戶 A 錯誤地認為另一個用戶 B 的真實評價為 10 美元，那麼用戶 A 就會出價 20 美元來贏取商品；然而用戶 B 卻出價 30 美元，最終造成了對 Gas 費評價最高的用戶 B 未贏得商品，這顯然未實現資源的有效配置，造成交易效率的低下。

（2）密封一價拍賣模式導致出價策略的複雜化，提高了用戶的出價成本

在中文社區中，很多解讀文章都提及 EIP-1559 的是為了改善用戶的體驗。但卻未說明其中緣由。從博弈論角度看，密封一價拍賣機制是一個典型的靜態貝葉斯博弈，即用戶贏得拍賣的可能性不僅取決與他自己的出價，也取決與其他買方的出價策略，導致用戶沒有佔優策略（所謂佔優策略，即無論競爭對手如何反應，自己都有一個最佳策略，類似「以不變應萬變」）可以選擇，使得出價策略複雜化。

在這裡，以太坊的 Gas 費拍賣機制可以看成一個簡化的鷹鴿博弈模型，即不完全信息條件下的單次靜態貝葉斯博弈：假設用戶 A 與另一位用戶同時進行 Gas 費拍賣，但並不知道對方是提供的報價比自己高還是低。假設對方是高保留價格用戶（M 類用戶）的概率是 m，對方是低保留價用戶 (N 類用戶) 的概率為 1-m。則雙方的博弈策略和收益矩陣如下所示。從圖中可以看出，任何一個用戶在進行報價時都面臨四種情況，必須要先推測其他人是高保留價用戶還是低保留價用戶，隨後還要評估自己應該報低價還是報高價，每種情況下都有不同的應對策略和收益，完全沒有佔優策略。

當然，我們也可以用簡單的數學公式來描述靜態貝葉斯博弈：有 n 個買方，買方 i 的私人價值是 vi，他的策略是出價 bi，策略範圍在 [0, + ∞) 區間上。他的收益取決於他自己的出價 bi，也取決於其他人的出價 bj。我們可以把買方 i 的期望收益函數表示成：

U_i=(v_i-b_i)Pr⁡(b_i≥b_j,j≠i)

其中 Pr(.) 為 b_i 在所有出價中最高的概率。經過一系列複雜推導，我們可以得到貝葉斯博弈的均衡價格：

其中 v^((1)) 和 v^((2)) 分別為所有買方私人價值 (v1, v2, …, vn) 的最高值和第二高值。

從這可以看出，貝葉斯博弈下用戶的最終均衡報價，不僅僅與所有買方的私人價值的最高值與第二高值有關，還與參與拍賣的人數、價值分佈函數 F() 有關。因此，以太坊的 Gas 拍賣機制增加了出價策略的複雜度，降低了用戶的拍賣體驗。

總體來說，當前以太坊 Gas 費拍賣模式，既無法實現「真實價高者得」的資源有效配置，帶來了出價策略複雜化的困難。EIP-1559 正是為解決當前以太坊 Gas 交易效率低下問題而提出的解決方案。

EIP-1559 的內容與原理

EIP-1559 提案實際上包括兩大塊：一個是 Gas 拍賣機制的改革，另一個是區塊鬆弛機制。這裡我們主要分析 Gas 拍賣機制。

通過第一節的分析我們可以看出，造成以太坊 Gas 費拍賣低效率的主要原因在於信息不對稱：

由信息不對稱導致保留價格不等於真實評價，造成一價密封拍賣無法實現資源有效配置；

由信息不對稱形成的貝葉斯博弈，造成出價策略的複雜化。

下面讓我們看看 EIP-1559 如何解決這兩個問題。提案為以太坊引入了每筆交易必須支付的固定費用，即 Base Fee。具體而言，Base Fee 根據前一個區塊的情況而上下浮動，目標是平均區塊利用率為 50%。當前一個區塊的使用率超過 50% 時，固定費用按比例上升（每個區塊上限為 +12.5%），當使用率低於 50% 時，費用下降。計算 Base Fee 的公式被具體寫在協議中，在每個區塊之後，Base Fee 會自動更新：

這裡，b 代表 Base Fee， t 代表區塊高度，T 代表區塊大小，目標區塊負載為 T/2，g 表示包含在區塊中的交易數量，由於 g 取決於基本費用 b，我們將 gt | bt 表示在基本費用等於 bt 的情況下包含在 Bt 中的交易數量。D 為調整因子，當前設置為 d=0.125。

如果仔細分析，我們可以看出，因為 Base Fee 內嵌在協議中，並且是根據區塊現狀而自動進行調整，這本質上是官方為拍賣機制引入的一個價格參考標準：如果用戶的保留價格低於 Base Fee，那麼他將選擇不出價，等到未來 Base Fee 低於自己的保留價格時再出價；如果用戶的保留價格高於 Base，那麼他將選擇報價高於 Base Fee。因此，EIP-1559 通過將 Base Fee 移到協議內部的方式，為交易者提供一個可預測的交易報價，降低信息的不對稱性，在一定程度上緩解了資源配置效率低下和報價策略複雜化問題。

然而，如果 EIP-1559 只有 Base Fee，又會帶來另一個嚴重問題：礦工舞弊。這類問題最常見的方式有兩種：一是礦工可通過自己生成交易來抬高 Base Fee （畢竟 Base Fee 是由固定公式調控），由此使自己獲利，但這嚴重損害了用戶的利益，並且容易帶來網絡的堵塞；二是通過與用戶串謀，達成「鏈下交易」的方式，來使自己獲益，但這使得 ETH 在以太坊上的地位被削弱。

基於以上原因，EIP-1559 設計了最具爭議的 Base Fee 銷毀機制。Base Fee 不支付給礦工而是進行銷毀，這完美地解決了上述的礦工舞弊問題：首先，礦工很難再通過自己生成交易來牟利，因為他們不能只將自己的交易塞進一個區塊中而不消耗費用；其次，「鏈下交易」以後將不再可行，它鞏固了 ETH 作為支付使用以太坊的唯一方式，防止經濟抽象。

然而，如果完全銷毀所有的交易費用，那麼礦工將沒有動力繼續打包交易；更重要的是，在以太坊網絡出現堵塞時，僅有 Base Fee 的 Gas 費機制又將無法實現資源的最優配置。為此，有必要在 Base Fee 的基礎上引入一筆小費作為礦工的激勵，這就是 Tip。Tip 報價採用的也是一價密封拍賣機制，但相較於占 Gas 費大部分的 Base Fee 而言，Tip 只能算一個小額小費，因此其中帶來的交易效率問題不會成 Gas 拍賣機制的主要問題。

Tip 的大小由用戶自己決定，在以太坊擁堵時，Tip 越高的報價越容易打包上鏈。但 Tip 的報價並非沒有限制，因為 EIP-1599 有一個價格上限（Fee Cap），代表用戶願意為交易打包進區塊所支付的最高費用，確定了 Fee Cap，也就確定了 Tip 的上限。

至此，EIP-1559 拍賣機制正式成型：Gas 費用被拆分用 Base Fee 和 Tip 兩部分，其中 Base Fee 部分由協議公式根據區塊情況計算得出，並且最後被銷毀；Tip 部分的大小由用戶決定，最後支付給礦工。