撰文：Alex Obadia AMPL Taarush Vemulapalli
编辑：南风
以太坊很快将从 PoW 过渡到 PoS 共识协议。开发者们已经致力于实现这一转变数年时间，而且分多个步骤举行。第一步是在 2020 年 12 月推出信标链，当前信标链现在已经上线，在撰写本文时，信标链上已经有跨越 16 万名个验证者 (validators)，相当于质押了约 500 万 ETH。
第二步「大合并」可能会在 2022 年头发生。虽然在这一步之外另有许多细节需要解决，但关于 PoS 以太坊 (即 ETH2) 已经有足够多的细节被解决，这就允许我们能够推断出**可提取价值 (MEV，即Maximal Extractable Value，旧称为”矿工可提取价值”) 在 ETH2 中的情形。
在本文中，我们将研究 ETH2 中的生意排序，并分析由 MEV 价值提取而带来的验证者收益增进。我们发现，MEV 将显著提高验证者获得的奖励，但也可能会加剧 ETH2 介入者之间 (收益) 的不同等。我们还将讨论 ETH2 中 MEV 的定性方面，好比生意所和验证者池 (即质押池) 等**利益相关者之间的潜在动态。
本文由 Alex Obadia 和 Taarush Vemulapalli 配合撰写。完整的分析文档参见：
https://github.com/flashbots/ETH2-research
01. ETH2 概述
现在以太坊的共识由运行挖矿硬件的矿工们实现，这些硬件被优化以更好地解决 PoW 挑战。而从 PoW 共识到 PoS 共识的转变意味着以太坊网络将由验证者 (而非矿工) 来珍爱，每个验证者节点需要质押 32 ETH 的保证金，并通过投票以杀青对信标链状态的共识。验证者这样做有着经济上的激励，即验证者的优越行为将获得奖励，而离线或者恶意行为将受到责罚 (罚没)。
现在，信标链与 ETH1 链并行运行，自 2020 年 12 月以来信标链一直在乐成地在运行中。“大合并”将使得信标链与当前的 ETH1 链合并。在本文中，我们将使用「ETH1」来示意包罗区块和生意的以太坊执行引擎；使用「信标链」来示意 ETH2 新的底层 PoS 共识机制；使用「ETH2」来示意合并之后的以太坊权威链，这条链包罗了 ETH1 执行引擎和用于实现共识的信标链。
ETH2 以 6.4 分钟 (称为一个 epoch) 的增量杀青共识。每个 epoch 包罗 32 个 sLoot，每个 sLoot 时长为 12 秒，每个 sLoot 都代表了一个区块被添加进信标链的时机。在正常运行的情形下，每个 sLoot 都市发生一个区块，然则诸如验证者离线等缘故原由将可能导致某些 sLoots 发生 0 个区块。
对于每个 epoch，所有验证者都是被伪随机地分配去提议区块 (propose block) 或者对由其他验证者提议的区块举行证实 (attest to blocks)，提议区块的验证者称为「提议者」，证实区块的验证者称为「证实者」。每个 sLoot 时代仅会有 1 名提议者和多名证实者，这些证实者将认真证实该区块中的所有信息，包罗来自 ETH1 的数据和来自信标链的数据。证实者通过对信标链的“三个方面”的当前值 (current values) 举行准确地投票来获得奖励，这三个方面划分是：区块链的链头 (即顶端区块)、被证实的检查点以及被敲定的检查点。
备注：每个 epoch 的**一个 sLoot 被称为检查点 (checkpoint)。当两个延续的 epochs 被证实晰 (justified)，那么前一个 epoch 就可以视为被敲定了 (finalized)，详情可参考《以太坊2.0：如何实现最终性？》。
02. ETH2 中的 MEV
MEV (**可提取价值) 是区块提议者通过对他们提议的区块内的生意举行重新排序、审查或者加塞生意，从而获得的所有可能的价值。为了明白 ETH2 中的生意排序，我们首先来领会一下被用来对生意举行排序的软件 (即 ETH2 客户端) 的内部事情原理。
由于 ETH2 本质上是合并在一起的两条链 (即 ETH1 链和信标链)，因此 ETH2 客户端由两个「子客户端」(sub-clients) 组成也就无独有偶了：其中一个是执行引擎客户端，另一个是共识客户端。值得注重的是，当前的 PoW 以太坊客户端 (即 ETH1 客户端) 将继续存在于 ETH2 中，并与信标客户端一起运行，相互分工差异。
其中，ETH2 中的 ETH1 客户端是对当前的 PoW 以太坊客户端剥离掉其共识职责，而仅专注于 ETH1 链的生意池、ETH1 执行和 EVM；而信标客户端认真共识和分配验证者的职责 (好比对信标区块的证实和提议)。这两个客户端并行运行，各自维护自己的 p2p 网络客栈 (信标客户端维护 libp2p，ETH1 客户端维护 devp2p)。
ETH2 客户端可能看起来就像下图这个经修改的示意图 (源自 Danny Ryan 撰写的文章)
图1
正如在当前的 PoW 以太坊中一样，ETH2 中的 ETH1 客户端将维护一个内陆的生意池 (mempool)，其中包罗了来自其 p2p 网络中吸收到的生意。正如 Rayoni 规范 [2] 中所形貌的，信标客户端将与 ETH1 客户端交互，从而形成一个 ETH1 区块。虽然该规范中的 (两个客户端之间的) 通讯途径细节可能会在生产中发生转变，但大致的方式很可能会保持一致：
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经由多次往返，信标客户端向 ETH1 客户端查询其通过 ETH1 生意池形成的某个 ETH1 区块，检查该区块是否知足种种有用性条件；
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一旦这个 ETH1 区块被信标客户端吸收，而且知足了种种有用性检查，则该 ETH1 区块将被提议者 (proposers) 打包进当前的信标区块中，并成为证实者 (attesters) 要投票的数据的一部门。
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然后信标客户端将要求 ETH1 客户端把 ETH1 链的链头 (即顶端区块) 更新为这个新被打包的 ETH1 区块；
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一段之间之后，这个包罗了该信标区块的epoch 会被敲定 (finalized)，然后信标客户端将见告 ETH1 客户端这个 ETH2 区块已经在共识层被敲定了。
图2
虽然 ETH2 中杀青共识的方式改变了，但 ETH2 中的每个 ETH1 区块内的生意排序和今天是一样的，都是在排序生意的软件 (好比 PoW 以太坊客户端 GETH) 和 p2p 生意网络中实现的。
由于 ETH2 中的生意排序流程将与当前的 PoW 以太坊相同，我们有理由以为，MEV 时机仍将存在于 ETH2 中，正如我们今天在 PoW 以太坊中看到的那样。差异之处在于谁拥有对排序的最终控制权，即在 ETH2 中，验证者 (而非矿工) 将对生意排序拥有控制权，验证者被选出来提议信标区块，信标区块中将会包罗一个从 ETH1 客户端查询到的新的 ETH1 区块。
图3
这意味着，诸如 Flashbots 的 MEV-gETH (一种经修改的 ETH1 客户端软件，旨在优化 MEV 的提取) 这样一种允许 ETH1 生意发送者通过给区块提议者 (以及生意排序者) 支付小费来实现自己希望的生意排序的手艺将依然存在。明确了这一主张后，我们现在可以思索一下，通过运行 Flashbots 这样的软件，验证者能赚若干钱？
虽然 MEV 是出了名的难以权衡，但我们使用 Flashbots 数据[3]作为 ETH2 区块提议者通过 MEV 可以获得的**分外收益的下限。这是一个收益下限，由于仅有一小部门 MEV 流动是在 Flashbots 上发生。
本文分析的一个忠告是，本文是基于 ETH2 协议划定的 staking 收益之上思量 MEV，但不包罗区块提议者可以获得的生意费奖励。不包罗这些生意费的主要缘故原由是，很难展望在 EIP-1559 之后提议者将能从生意用度中赚到若干 (EIP-1559 将引入基本生意费 basefee 的销毁机制)。
让我们首先思量一种理想的情形，即所有验证者完善介入并获得知名的协议奖励 (即不存在大规模罚没)，而且所有 staking 奖励都被平均分配，由于所有验证者都在无限的时间尺度上提议相同数目的区块。
图4：Y轴示意收益率，X轴示意验证者数目。蓝线示意在不思量 MEV 的情形下，理想情形中的验证者年收益率；黄线示意在思量 MEV 的情形下，理想情形中的验证者年收益率。蓝色竖虚线示意撰文时的验证者数目 (约莫 16 万名验证者)。
基于当前的验证者数目 (16 万名验证者)，我们发现，MEV 可以将验证者的奖励增添 75.3%，或者说提供一个 12.83% 的 APR (年化利率)，高于比思量 MEV 情形下通过质押 ETH 带来的 7.35% APR收益。从中可以得出的一个结论是，更高的验证者奖励意味着更多的 ETH 持有者将被吸引成为验证者，这反过来意味着以太坊拥有更大的验证者聚集而变得更平安。
随着在不久的未来更多的验证者上线，基于 MEV 带来的验证者收益提高将会不那么显著，好比 25 万名验证者 (即质押了 800 万 ETH) 时的奖励将仅增添 60%。如上所述，这一分析没有思量验证者将获得若干生意费，由于这将降低 MEV 对于收益的相对影响。然而，与当前 PoW 矿工通过 Flashbots 赚取的分外 MEV 奖励 (现在约莫是 5.6%) 相对照，这些数据依然是有用的。这种显著的差异源于 PoS 刊行率的显著下降。这解释，在 ETH2 中，MEV 的提取将比在 ETH1 中更值得，而且质押者 (stakers) 可能会鼎力推动通过 MEV 实现的质押收益。
在任何有限的时间尺度上，验证者的奖励都是可变的，由于提议区块有着特定的协议奖励，且由于一些验证者将很幸运地有时机提议比平均数目更多的区块，而一些不那么幸运的验证者将提议更少的区块。
例如，若是网络中有 10 万名验证者，那么每个验证者每年提议的区块的平均数目是 26 个区块，而最不幸的 1% 验证者最多有时机提议 15 个块，最幸运的 1% 的验证者则至少提议 39 个区块。见下图：
图5
基于这一逻辑，我们可以凭证 3 个差异水平的区块提议“运气”(即最幸运的 1% 验证者，最不幸的 1% 验证者，以及平均的验证者) 来绘制出验证者 staking 奖励的可变性 (不思量 MEV 的影响)：
图6：Y轴示意收益率，X轴示意验证者数目。绿线示意在不思量 MEV 的情形下最幸运的 1% 验证者可以获得的 staking 年收益率；红线示意不思量 MEV 的情形下最不幸的 1% 验证者可以获得的 staking 年收益率；黄线示意不思量 MEV 的情形下验证者平均能够获得的 staking 年收益率。蓝色竖虚线示意撰文时的验证者数目 (约莫 16 万名验证者)。
现在，我们加入 Flashbots 上纪录的每个区块的平均已获得的提取价值 (REV，即 Realized Extractable Value) [4]，我们可以对照一下这 3 个差异水平的区块提议“运气”在思量 MEV 价值和不思量 MEV 价值的情形下的验证者收益率情形：
图7：绿线示意包罗 MEV 价值提取的情形下，最幸运的 1% 验证者可以获得的年收益率；红线示意包罗 MEV 价值提取的情形下最不幸的 1% 验证者可以获得的年收益率；黄线示意包罗 MEV 价值提取的情形下验证者平均可以获得的年收益率。**下这条粗线是在不思量 MEV 的情形下的 3 种区块提议“运气”中验证者可以获得的 staking 年收益率，但由于三条线在上图中的差异太小，因此三条线重叠在一起了。
上图 (图7) 中的三条用于示意不思量 MEV 价值的 3 个“运气”水平带来的验证者年 staking 收益率的曲线险些重叠在一起而难以区分。这解释，MEV 价值的提取扩大了由区块提议“运气”带来的验证者之间收益的不同等。
此外，REV 的漫衍是不平均的，可以被视为“运气”的第二个维度，即其中一些区块拥有比其他区块更大的 MEV 奖励。例如，下面是在最近的以太坊 10 万个延续区块 (从 11600000 区块高度**) 中使用了 Flashbots 的 MEV-GETH 挖矿的矿工所获得的 REV 奖励的 (长尾) 漫衍：
图8
上图 (图8) 中我们将 X 轴 (每个区块中矿工现实已获得的 REV 价值) 截短至 3 ETH，但现实上在我们的抽样中矿工很高可以获得 101 ETH 的 REV 价值。使用这一 Flashbots 矿工奖励的漫衍来代表 REV 的漫衍，我们可以凭证最不幸的 1% 验证者、平均的验证者和最幸运的 1% 验证者从 MEV 奖励中获得的收益来界定和绘制出 3 个运气级其余年收益率曲线：
图9：绿线代表在包罗 MEV 价值提取的情形下最幸运的 1% 验证者可以获得的年收益率；红线代表在包罗 MEV 价值提取的情形下最不幸的 1% 验证者可以获得的年收益率；黄线代表在包罗 MEV 价值提取的情形下验证者平均可以获得的年收益率。蓝色竖虚线示意撰文时的验证者数目 (约莫16万名验证者)。
之前一张图 (即图7) 表向我们展示了 MEV 扩大了由区块提议“运气”带来的验证者之间收益的不同等；而这种图 (图9) 表展示了 REV 的不平均漫衍是验证者之间收益不同等的更大泉源 — 尤其是思量到这张图 (图9) 中的 Y 轴增进到了 600%，而图7的 Y 轴仅为 80%。
然而，在现实中，验证者将会通过在验证者池(validator pools，也即所谓的质押池) 中汇聚资源来消除来自区块提议运气和 REV 漫衍不均而带来的验证者收益的差异。但这意味着，MEV 对于验证者收益的影响可能会抑制人们自力运行验证者节点，使得加入某个验证者池在财政激励上加倍有吸引力，从而可能导致网络验证的中央化。
最终，我们忧郁 MEV 可能会加重 ETH2 中的寡头垄断动态，由于与那些拥有更少 ETH 质押量的实体 (验证者池) 相比，拥有最多 ETH 质押量的实体的增进速率更快。这将使 MEV 提取的民主化在 ETH2 中稀奇主要，从而来保持共识投票权的***化。
虽然上述定量分析对于**思索 ETH2 中的 MEV 很主要，但若是没有对 ETH2 共识介入者的定性分析，本文就是不完整的。如前所述，在 ETH2 中，矿工和矿池将被控制着大量 ETH 的实体 (好比生意所、协议的资金库、投资基金和验证者池) 所取代。这一点已经可以通过信标链浏览器 beaconcha.in 上显示的当前 ETH2 验证者的 ETH1 存款地址的漫衍情形看出来：
上图：ETH2 所有验证者的 ETH1 存款地址的漫衍情形。可以看出，大量的 ETH2 验证者是通过几家生意所和质押池等实体的地址来举行质押的，这意味着这些实体控制了很大比例的 ETH2 投票权。
值得注重的是，这个饼状图并没有区分控制共识投票权的最终实体和它所运行的基础设施。虽然 ETH2 共识投票权的中央化令人担忧，但基础设施的中央化可能不是云云，PoS 经济激励激励基础设施的***化，以最小化相关的 slashing 风险。
详细来说，这意味着像 Kraken 这样控制了大量 (用户的) ETH 的生意所可能会通过将 (用户的) 质押金涣散到许多基础设施提供商，在差异区域、差异硬件上运行 ETH2 节点，而不是在内部肩负这项重大的基础设施运行义务，从而降低大幅罚没的风险。
在 ETH2 中最引人注目的转变是生意所成为了知名的 ETH 持有者，因此也成为了知名的验证者。Coinbase、币安和 Kraken 等中央化企业可能将控制**数目的验证者 sLoots。这些介入者受到与矿池差其余规则约束，对其声誉有许多方面的影响。与矿工名目相比，这种差异可能会对验证者名目发生新的影响，并可能影响验证者介入的流动，好比他们获取收益的 MEV 类。
有趣的是，这些实体除了介入入 ETH2 质押，还介入多项流动，这可能会为这些生意所提供的现有服务与 MEV 价值提取之间的协同增效带来新的时机。这些流动包罗加速生意、在提款被打包上链之条件供私下的提款，以及通过对订单流的加密原生支付削减链上生意费等等。
这类服务最初可能是最前沿的，它们的利益可能意味着用户会迁徙到提供这些服务的生意所，从而可能会损害那些由于羁系缘故原由没有或不能提供这些服务的生意所。此外，生意所在 MEV 博弈中的潜在垂直整合 (好比生意所运行它们自己的机械人向它们自己的验证者节点提交生意) 是一个值得关注的问题，我们以为应该进一步研究。
ETH2 的另一个主要的转变是验证者池 (validator pools，也即所谓的”质押池”) 的崛起，这些池提供了诸如降低介入 ETH2 质押的** ETH 数目要求
(用户自己运行单个验证者节点需要质押 32 ETH，而加入验证者池可以提供少于 32 ETH 的数目，由于验证者池将把所有用户的 ETH 汇聚起来举行质押)
、替客户搭建验证者节点、消除由于区块提议的“运气” (会影响 MEV+生意费收益) 带来的变量，以及提供诸如 staking 衍生品之类的分外服务来 (得益于他们治理的资金基数) 等利益。
一个有趣的征象是 meta-pools 池的泛起，好比 Rocketpool 和 Lido。这些实体与许多验证者池相毗邻，很可能成为这些验证者池的质押量的一大泉源，因此能够对验证者池的行为施加影响，好比影响验证者池介入的 MEV 提取类以及它们向质押者提供的利润分成。
这些 meta-pools 通常提供质押衍生品。这方面的一个例子是为用户提供他们已被锁定的 ETH 质押存款的一种流动性代币化版本，用户可以使用这种衍生品在 (以太坊) 网络中使用。通过允许用户将被锁定的 ETH 通过衍生品的形式再次用于 DeFi 中，这将进一步增添验证者在 MEV 价值之外的收益。
我们对 ETH2 中 MEV 的探索发现了许多悬而未决的问题，我们设计在接下来的几个月里举行研究。以下是其中的四个：
由于 ETH2 现实上有两个客户端要运行 (ETH1客户端+信标客户端)，很可能自力的验证者会选择将他们的 ETH1 节点默以为一个服务提供商，好比 Infura，由于运行 ETH1 节点的自己开销异常大。这可能示意了 ETH1 和 ETH2 节点运行者**星散。假设这样一个动态的泛起，我们可以想象泛起一个 ETH1 节点运行者市场，其中运行着高性能的硬件和 MEV 模拟软件，知足 ETH2 区块提议者的需求。
诸如价钱套利和整理等 MEV 时机在 ETH2 中仍然存在，但提取这些 MEV 价值的系统有着新的参数，这些参数可能会修改或引入对 MEV 提取的约束。
好比，ETH2 的出块时间牢靠为 12 秒，而不是像当前 ETH1 的出块时间多变，且区块提议者的 sLoots 是在每个 epoch **时被分配的，这意味着提议者将最多能够有 6.4 分钟的时间来盘算他们的义务 (固然，被分配在 epoch 一**的 sLoots 的提议者没有那么长的时间)。这不仅为验证者在 ETH1 客户端生意池上运行盘算以获得** MEV 提取提供了潜在的更多时间，而且由于出块时间的可展望性，使得模拟和执行更容易。
这意味着有更长的、更可展望的时间距离来盘算和执行 MEV 提取战略，从而实现更庞大的、需要大量盘算的 MEV 提取。
验证者将提前知道他们是否需要提出一个区块 (除非是某个新的 epoch 的第一个 sLoot)。他们甚至可以 (只管概率很低) 在一个 epoch 内提议多个区块。区块提议者身份简直定会如何改变 MEV 价值提取的动态？以及若是确定将在一个区块内提议多个区块，这将如何影响 MEV 提取的动态？稀奇是，大验证者池/生意所最有可能在统一 epoch 内拥有 (被分配到) 多个延续的 sLoots。
本文的大部门内容都假设 ETH1 的区块内容将保持今天的状态。然而，在现实中，许多生意流将被转移至 L2s 中举行，以太坊 L1 将用作数据可用性层，zk-rollups 和 optimistic rollups 将认真把批量打包的生意数据提交至 L1 上。
这将直观地削减验证者从 MEV 中获得的收益。然而，这是很难展望的，由于多个 L2s 的天下带来了分外的庞大性，可能会打开新形式的 MEV (也即跨 L2 生意，跨L1-L2生意)。类似地，随着 ETH2 的不停生长和分片的投入生产，信标区块内的分片排序可能会有主要意义，MEV 可能会成为实现 Vitalik 提议的「将分片区块错开以实现更快的出块时间」
[5]
的激励机制。
谢谢 Terence Tsao、Raul Jordan、Alejo Salles、Luke Youngblood、Tomasz Stanczak、Lakshman Sankar、Barnabe Monnot、Caspar S和 Viktor Bunin 对本文的名贵孝顺和编辑。也要谢谢 Flashbots 团队的其他成员举行的讨论。原文链接：
https://hackmd.io/@flashbots/mev-in-ETH2?s=09
[1]:https://ETHresear.ch/t/ETH1-ETH2-client-relationship/7248
[2]:https://github.com/ETHereum/rayoni/blob/master/specs/merge.md#assemble-block
[3]:https://dashboard.flashbots.net/
[4]:https://hackmd.io/@flashbots/quantifying-REV
[5]:https://ETHresear.ch/t/simple-approach-to-incentivizing-shard-staggering/914
*本文**于Unitimes App*
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