吴深说：以太坊1559升级后的7大变化，谁能实现，谁会失败？

吴说作者 | 吴卓成

本期编辑 | 吴柯林

一、设计原则

区块链的本质是一系列的账本。 在去中心化的世界里，没有人有义务为用户记账。 账本对接工作需要参与挖矿的矿工完成。 挖矿不仅是记账，更是生态链安全的保障。 算力不足的网络极易受到51%算力攻击，安全问题将受到威胁。 因此，用户的支付机制和矿工的收益机制决定了整个区块网络的效率和安全性。 当用户支付过多时，参与链上交易的用户数量会减少，造成区块空间的浪费，降低整个网络的价值； 而当矿工收益过低时，投入挖矿的算力就会减少，网络的安全性就难以保障。

因此，交易手续费的设定是一个供需平衡的过程。 矿工是供给方，用户是需求方，商品是以太坊网络中称为Gas的对象，可以理解为每笔交易所需的工作量。 例如，最基本的工作，即一次简单的转账，需要 21,000 单位的 Gas，而更复杂的工作，如执行智能合约，则需要更多的 Gas。 当然，一个区块所能容纳的Gas大小并不是没有限制的。 这个限制称为 Gas 限制，由矿工投票决定。 最近的一次调整是 Vitalik 在 4 月 23 日提出的，虽然遭到部分矿工的反对，但最终从 1250 万增加到 1500 万，从而缓解链上活跃度增加导致的网络拥堵。

这里需要解释一下为什么矿工反对，这有助于理解1559协议的作用。 在矿工记账之前，区块链网络会发布一个加密的区块，矿工收到区块发布消息后进行算法解密，最先解出谜题的矿工将获得该区块的记账权，即以太坊算法将为此给予固定的区块奖励。 那么矿工如何记账呢？ 抽象地讲，挖出这个区块的矿工，会将内存池中一些等待确认的信息“打包”并填充到区块中，然后放到区块链网络中进行传输。 因此，块越小，每次打包的信息就越少。 稀有的东西越贵，用户必须支付更高的奖励才能尽快打包，矿工才能从中受益，这也是矿工不愿意提高gas limit的原因。

这里介绍第三个概念，即Gas price，代表用户愿意为每单位Gas支付的费用。 采用首价拍卖原则，即价高者胜。 由此，可以计算出总成本等于 Gas×Gas 价格。 在整个过程中，矿工可以获得算法提供的区块奖励和用户给予的交易手续费。 其中，区块奖励是固定的（可以通过投票改变协议），交易手续费浮动空间较大。 随着以太坊网络上用户数量的增加，Gas 费用不断上涨。 去年9月，Gas价格一度上涨至478Gwei，这意味着当区块利用率为100%时，交易手续费接近6 ETH（1250万×478Gwei÷10亿）。 区块奖励仅为2 ETH，因此交易手续费成为矿工的主要收入。

既然矿工倾向于制造稀缺性，为什么提案最终通过了？ 原因是随着以太坊用户的快速增加，区块空间严重供不应求，以至于即使提高了Gas limit，用户仍然需要高价竞购有限的空间。 下面的供求曲线可以很好地解释这一现象：

其中，D1为扩容前的Gas需求曲线，D2为扩容后的需求线； 供应线是一样的。 不难看出，随着Gas上限的增加，在用户数量不增加的前提下，需求曲线会向左移动，Gas费也会相应减少。 但是，由于 Gas 数量的增加，矿工收到的交易手续费不会减少。 不仅如此，事实上，由于用户数量的不断增加，用户对Gas的需求并没有因为Gas limit的提高而减少，所以Gas价格不降反升。

需要注意的是，这里涉及的供应量（下同）是指矿工愿意为打包信息支付的工作量，而不是区块的大小。 区块大小固定在Gas limit（实际会略有波动），不受矿工算力影响； 同样，出块时间只受解密难度的影响，以太坊算法会根据矿工投入的算力自动调整难度，达到平均13秒出块速度。 因此，真正由矿工控制的是记账权，即矿工可以选择不打包任何内容，只传递一个空块出去。 这也是1559协议背后矿工最大的博弈优势。

2.什么是EIP-1559协议

EIP-1559最大的变化是将原来的交易手续费拆分为base fee和tip。 其中，基础费用是用户必须支付的费用，金额由前一个区块的使用率决定，并非由用户拍卖。 为此，1559 协议还特意更改了区块空间的上限，从之前的 1500 万变为 3000 万，但仍将目标大小定为 1500 万。 这种设计的目的是保持区块利用率在 50%，以方便基础费用的计算。 当区块使用率超过50%时，系统会自动增加基础手续费； 反之亦然。 具体计算如下：

其中，b0为上一个区块的基础费用，s0为上一个区块的使用率。 通过计算我们可以发现，当连续有39个区块利用率接近100%时，基础手续费将扩大到99倍（1.125^39）。 也就是说，如果初始基础手续费是10Gwei，不到九分钟手续费就会超过1000Gwei。 显然，用户无法承受这么高的交易手续费，所以随着手续费的增加，链上的信息量会减少，出现几个使用率低于50%的区块后，手续费也会下降。 通过这种方式，协议可以将块保持在“半满”状态。

在此过程中，钱包会根据前一个区块的大小自动计算出当前的基础手续费，用户可以选择接受或不接受。 如果不接受，那么用户只能等基础费用回落再被打包。 当交易不是很紧急时，这不是问题。 如果被接受，则该信息可能会成功打包到当前区块中。 请注意，这只是可能的，因为系统根据前一个区块的利用率计算基础费用，但无法预测当前区块的利用率。 假设一种情况：因为前几个区块的利用率不到50%，基础手续费大幅下降。 这时候，用户觉得手续费低了，于是纷纷付费，甚至购买的Gas数量都超过了当前区块的最大容量。 此时，部分信息无法打包到当前区块中，只能等待下一个区块。 但是，由于当前区块的利用率达到100%，下一个区块的基础费用会增加。 如果没有额外的交易费用，这部分信息只能继续等到基础费用再次下降。

因此，如果要保证信息被即时打包以太坊用户量，用户必须在基本费用的基础上额外支付一些小费，即小费。 与基础费用不同的是，小费的大小由用户决定，决定方式依然是首价拍卖，即小费越高，越有可能立即打包。 而且，小费将直接支付给矿工，基础费用将被销毁。 例如，假设当前区块的基础手续费为100Gwei，用户设置的手续费上限为200Gwei+5Gwei，也就是说用户最多愿意支付200Gwei的基础手续费（以防当前区块不能打包并增加下一个区块的基础费用）同时，他们也愿意支付给矿工5Gwei的小费，最终支付为105Gwei。 这里需要说明一下为什么要销毁base fee。 否则，矿工将在网络上频繁进行小额交易，导致区块利用率高，基础费用将成倍增长。

3. 对以太坊网络的影响

EIP-1559 协议由 Vitalik Buterin 和 Eric Conner 提出并领导。 Eric Conner 在 Medium 上详细阐述了该协议的动机和优势，认为交易手续费机制可以为以太坊网络及其用户带来以下好处：

a) 节省高达90%的交易成本

b) 通过自动化交易费用投标系统来改善用户体验

c) 为用户提供可预测的交易手续费系统

d) 减少确认交易的预期等待时间

e) 尽管交易费用是奖励的主要来源，但这种方法抑制了自私挖矿

f) 即使网络拥塞也允许用户“插队”

g) 在协议层面巩固ETH的经济价值

这篇文章总结总结了Eric Conner所说的。 前五项大致可以归纳为以下两点：

a) 大幅降低交易费用

b) 显着降低交易费用的波动性，使交易费用可预测

至于后两条：允许“插队”自古就有。 无非就是不断的增加小费，和现在的首价拍卖没什么区别； 增加 ETH 的价值是一个附带的好处。 如果前五项都能实现，那么整个生态系统的价值自然会增加，可以理解为以上所有优势的最终体现。 下面对两种设想进行分析，探讨其可行性。

3.1 是否大幅降低交易手续费

通过对交易手续费机制的解读，不难发现，当交易拥堵时，1559协议下的小费其实和现有的交易手续费是一样的。 有紧急交易需求的用户必须支付小费才能争夺有限的空间。 这时候，协议就相当于回到了现有的首价拍卖模式。 只是入场费的一部分——基础费用——必须在拍卖前支付，所以这个费用的设计就相当于在现有费用的基础上加了个税。 在中心化的世界里，税收归国家所有，但在区块链的世界里，没有中央权威，这部分费用只能销毁。

文章第一节在解释交易手续费机制的设计原理时提到，矿工和用户之间的利弊取舍其实是生产者和消费者之间的博弈。 工作负载，我们称之为 Gas。 至此，讨论基础费用对Gas价格的影响可以转化为分析税收对价格的影响，运用经济学的研究方法。

如上图所示，我们不考虑用户数量变化导致需求曲线的移动。 假设用户数量不变，需求曲线D将保持不变。 这里有必要说明一下，在1559协议下，供需曲线不可能长时间与供应线的垂直部分相交，因为那意味着区块利用率始终处于100%，这会导致基础费用呈指数级上升，所以从长远来看，供求曲线的平衡点将保持在倾斜的部分。

随着税收的出现，生产者的预期收入下降，供给曲线将从S1向S2左移，天然气供给上限不变。 此时均衡价格从原来的P1上升到P2，因此用户实际支付的费用不仅不降反升，导致消费者剩余减少（图中黄色部分）。 同时，矿工的生产者剩余（图中绿色部分）也减少了，因为矿工实际收到的手续费只有P*。 蓝色部分为销毁基础手续费，与税收相同，这部分收益的最终受益者是所有持有ETH的人。 因为基础费用被销毁后，ETH通胀率会下降，甚至在网络拥堵的情况下（基础费用大于区块奖励时）会出现通缩，因此价格会上涨。 红色部分在经济学上称为无谓损失，指的是市场未处于最佳运行状态所造成的社会成本，直接影响是市场总产量下降——Q1 Gas本来可以生产销售，但最后只卖出了Q2，也就是说部分人无法完成交易，因为他们愿意支付的交易手续费低于基础手续费，因此无法享受交易带来的好处。 由此可以判断，1559协议无法降低交易手续费，也无法解决网络拥塞问题。 它只是通过实现非高峰交易来减少网络拥堵。

事实上，包括1559协议在内以太坊用户量，任何交易手续费机制都不可能大幅降低交易手续费。 原因是交易费用是由市场供需决定的。 以太坊网络拥堵导致的高额交易手续费本质上是可扩展性问题，而不是交易手续费机制问题。 如果不能从根本上扩大网络吞吐量，那么错峰交易只能在高峰期起到暂时的分流作用，而为此付出的代价是交易量下降。 当然，交易量下降的前提是我们不考虑用户数量的变化。 事实上，随着网络参与人数的日益增加，从长远来看，用户数量将持续上升。 这将导致需求曲线向右移动，交易价格将进一步上涨。 不仅如此，由于ETH的通缩和法币价格的上涨，用户实际支付的交易手续费可能会高于理论值。

3.2 是否大幅降低交易费用的波动性，使交易费用可预测

最后，本文讨论了一个问题，1559 协议是否可以大大降低交易手续费的波动，使交易费用可预测？ 直观上是可行的，因为base fee可以通过前一个区块的利用率来预测； 虽然小费无法预测，但随着错峰交易的实现，同一个区块竞争的用户数量会减少，总手续费应该是可控的。 此外，完成包装的预期等待时间也将缩短。 这里需要注意的是，这里是预期的等待时间，而不是等待时间。 由于基础费用的存在，用户在支付之前就已经知道了最低价格。 如果不能接受，就等基本费用降下来。 同样是等待，不同的是1559协议下的等待时间是可以预见的，而当前协议下的等待是无限的。 就像被围困的军队一样。 若是知道援军最多能到五天，​​士气肯定会大振； 但如果他们无法与援军沟通，他们可能会在第三天崩溃。 因此，交易费用的波动性和包裹完成的预期等待时间将大大减少。

然而，这只是在常规情况下。 想象一个极端情况：当基础费用极低时，交易需求突然急剧增加。 由于每次增加的基础费用是有限的，因此不能在短时间内（例如20个区块内）大幅增加。 用户希望尽快完成交易。 你会支付高额小费，此时交易费用和等待时间又变得不可预测。 很多研究都给出了这方面的证据。 Leonardos, S. 等人。 (2021) 得出结论，基础费用的涨跌决定了交易费用的混乱程度。 涨跌幅度越接近 12.5%，基础手续费的动态性就越大。 调节功能越弱，在极端情况下会失去调节能力。 摩尔，集成电路等。 (2021) 通过随机过程模拟发现，我们不能拒绝交易费用的中长期（超过 4 天）趋势是一个不稳定过程的假设。

总而言之，在没有极端事件发生的情况下，1559协议确实可以降低交易手续费的波动； 而在短期内，交易手续费会按照一定的趋势波动，所以可以大致预测，但是中长期的可行性预测还没有。

4.总结

我们回过头来一一分析Eric Conner对EIP-1559协议的设想：

a) 节省高达90%的交易成本

事实上，不仅没有减少，用户可能还要支付更高的交易手续费，因为基础手续费虽然是向矿工征收的税款，但矿工会通过市场这只看不见的手，将一部分税费转嫁给用户。 为什么可以，因为用户可以选择在闲暇时进行交易，避免高昂的交易手续费，文末会详细说明。

b) 通过自动化交易费用投标系统来改善用户体验

它可以实现，因为可以自动计算基本费用。 当1559协议上线后，钱包会更新相应的功能。

c) 为用户提供可预测的交易手续费系统

短期可预测，中长期（4天以上）不可预测。

d) 减少确认交易的预期等待时间

用户的预期等待时间可以减少，但实际等待时间没有变，因为交易量没有变，吞吐量没有变。

e) 尽管交易费用是奖励的主要来源，但这种方法抑制了自私挖矿

可以实现。 矿工不会人为制造拥堵，因为他们要支付大量的基础费用，而这些费用会被销毁； 但是矿工不会因为收益被破坏而发起空块攻击，因为毕竟还有小费可以收。 事实上，自 5.19 大跌以来，链上交易手续费大幅下降，gas price 大致保持在 50Gwei 以下。 这意味着即使区块利用率为100%，一个区块的交易手续费奖励也只有0.75 ETH，占整体收益的不到30%。 因此，矿工在币本位上的收益并没有明显下降，而是随着ETH的升值，在金本位上可以获得更多的收益。

f) 即使网络拥塞也允许用户“插队”

与现行机制无异。

g) 在协议层面巩固ETH的经济价值

综上所述，由于通货紧缩，ETH代币的价值确实得到了提升，但ETH网络的生态价值并没有得到明显提升。 1559协议并不能从根本上解决网络拥塞问题，也不能降低用户交易手续费，甚至可能会增加。 当然，用户无需为此担心。 由于短期交易费用是可预测的，资金较少的用户可以选择在业余时间进行交易。 此时税收效果不明显，用户交易手续费支出不会比现行机制下多。 这是除了这个协议最大的价值在于货币通缩之外； 对于资金量大的用户，完全不需要考虑交易手续费的高低。 即使在高峰期，交易手续费与他们交易的资金相比也只是九牛一毛。 此外，除了货币通缩和交易费用的短期可预测性，1559 协议还有一个潜在的巨大功能。 它是ETH向2.0版本过渡的中转站。 它通过不断降低矿工的币本位收益来增加持币者的金本位收益。 逐步让 ETH 向 2.0 经济模型靠拢。

最后说一下我的主观判断。 1559协议确实是一个重大的变化，但是它对币价的贡献可能没有大家想象的那么大。 毕竟，价值决定价格。 以太坊的价值要想实现质的提升，还是需要寄希望于网络吞吐量的提升，而供需对价格的影响只是短期效应。 尤其是在目前的情况下，个人认为靠ETH的通缩来重启牛市的可能性不大。 在2.0真正实现之前，加密货币市场的牛熊还是要看BTC的脸色。

引用

[1] @eric.conner/fixing-the-ethereum-fee-market-eip-1559-9109f1c1814b

[2]Leonardos, S., Monnot, B., Reijsbergen, D. 等。 (2021)，“EIP-1559 以太坊费用市场的动态分析”，arXiv：2102.10567v3。

[3]Moore, IC 和 Sidhu, J. (2021)，“EIP-1559 基本费用的随机特性”，arXiv:2105.03521v2。

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