以太坊 MEV

以太坊矿工收益包括出块奖励、交易手续费，以及一些额外收益，这些额外收益就叫做 MEV（Miner extractable value），称为矿工可提取价值。

要理解 MEV，首先需要了解 Front-running。

什么是 Front-running

Front-running，直译为抢跑，也称为Priority Gas Auctions (PGAs)。

我们都知道，常规意义上，在以太坊上提交交易是一个看似有序的过程，现在重新审视一下这个过程：

  • 用户需要在钱包构建交易，并签名，钱包后端会将该交易广播到 P2P 网络；
  • 该交易首先会进入各个节点的 mempool，按照一定的顺序排列；
  • 矿工从 mempool 中选取合适的交易进行打包，挖矿出块，该交易就成功上链了。

然而事实并非如此，和看似有序的交易打包过程相比，以太坊更像一个 黑暗森林 。

由于每个以太坊全节点均会维护一个 mempool，上面的未打包交易是清晰可见的。有这么一群人，这群人会不分昼夜地审视 mempool 中未打包的交易，通过某些技术手段判断这些交易执行是否是有利可图的，并利用较高的 gasPrice 抢先执行交易。举个最直接的例子，当这些人发现某鲸鱼地址提交了在 Uniswap 大量买入某数字货币的交易，他们会利用更高 gasPrice 发布一个买入交易。通常情况下，矿工会优先打包 price 更高的交易，将抢跑者的交易插入到鲸鱼交易的前面，这样鲸鱼地址的买入就为抢跑者”抬了轿子“，通过这种方式获得利润。

部署蜜罐合约认识抢跑

我们引用之前其他人做过的实验，通过部署一个蜜罐合约来研究抢跑行为。部署蜜罐合约如下，用户必须调用合约中的 take 方法，并正确提交 secret 才能拿走合约中的 ETH：

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当发起交易的时候，该交易会首先提交到 mempool 中，抢跑者会不断读取 mempool 中的交易。并且对这些交易模拟执行，当发现有利可图时，比如执行完之后发现可以获取到一定数量的 ETH 或者 ERC-20 代币，则将该交易进行抢跑。

可以看到，在发起的第一笔正常交易时，指定了 33 gwei 的 gasPrice：

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该交易调用了蜜罐合约的 take 方法，但是交易执行完之后，却没有收到 ETH奖励。而查看合约的 event 之后，我们发现不止有一个和该蜜罐合约进行了交互，并且紧跟在初始交易的后面发生：

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除了 0xe0c3dc 交易，其他的交易都是抢跑者发起的交易，其中只有一笔交易成功提走了合约的奖励 ETH。

  • 0x15becbfbd33237bb28c8925870bedbf8b80cbe9967e89ea72239d418e931d5c7（失败，122.425344303 Gwei）

  • 0x5169bccd1893130995ebc25fa374366284b723ded44f379d0977af3f144d1a8f（成功，122.425344305 Gwei）

  • 0x2f5e7b565e8280826af0a9f492d53fac1b690848df39b98b22f614143d633a4d（失败，43 Gwei）

可以看到，最终 gasPrice 最高的交易成功提走了蜜罐合约的奖励，哪怕只比别人高了0.000000002 gwei：

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那么问题来了，蜜罐合约并没有发布源码，这些抢跑者是如何在如此短的时间内判定该交易值得被顶替呢？或者说如何判定该交易是有价值的？这里就涉及到交易模拟执行技术。

抢跑关键技术：交易模拟执行

抢跑机器人如何判断某个在 mempool 的交易是否是有利可图的呢？这里需要介绍交易模拟技术。

交易模拟执行本质上是给定交易的输入、给定需要模拟的状态树，通过这两个数据，由 EVM 模拟执行一次并输出 trace 结果。

实现起来其实并不难，如果我们维护一个 archive 节点或者 trace 节点，RPC中会有 trace_call 这个 endpoint，通过 tace_call 我们可以实现交易的模拟执行，可以看到交易中的内部交易、状态变化等。

比如我们需要模拟执行交易：0x5169bccd1893130995ebc25fa374366284b723ded44f379d0977af3f144d1a8f，并且需要在历史状态上执行，我们则需要首先维护一个 parity 的 archive 节点（archive 节点会保存全部的历史状态），并且执行以下命令：

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市面上甚至有一些商业产品专门提供模拟执行功能，如 blocknative 、tenderly 等，其本质就是在 trace_call 的基础上包装一层前端，获得更好的用户体验：

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基于交易模拟执行，抢跑者会按照下面的步骤判断是否抢跑：

  • 会持续监控 mempool 中的各种交易，甚至是其他抢跑者的交易

  • 将这些交易进行 EVM 模拟执行，获取模拟执行结果

  • 一旦发现这些未提交到区块的交易有利可图，则发起新的交易设置更高的 gasPrice 顶掉 mempool 中的交易

实际上，交易模拟执行技术用途非常广泛，远不止仅做抢跑前的准备，对于高频交易、模拟交易评估、判断蜜罐合约、研究黑盒交易等作用。

从 Front-running 到 MEV

抢跑本质上是通过交易顺序的排列来获取额外的利润。实际上，对于矿工来说，完全可以自己当抢跑者，因为矿工完全有能力重新组织交易顺序。这样一来，矿工除了传统意义上的出块奖励、交易手续费，还多了一些额外收益，这些收益就叫做 MEV（Miner extractable value），称为矿工可提取价值。

MEV 主要有两种形式：

  • Frontrunning：致力于将交易插入到某些交易的前面执行，比如针对鲸鱼交易的套利行为，或者抢先执行一些套利者的交易。

  • Backrunning：致力于将交易插入到某些交易的后面执行，比如针对抢 Defi 清算，将清算交易插入到 oracle 更新之后来抢清算。

可以预见的是，随着以太坊使用量的激增，MEV 最终造成以太坊共识机制的不稳定。

正常情况下，以太坊提供了交易 gas 竞价模式，出价高的会被矿工优先打包，如果矿工从某些利益出发去排列交易，实际上会造成一种混乱的局面，引发 P2P 网络拥堵或者区块空间的拥堵。

对于MEV缓解措施，业内涌现了诸如 flashbots 和 EDEN 等技术方案，

下图为 flashbot 的架构图：

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Flashbots生态中由三个角色组成：

  • searcher：交易发起者，可以是普通用户、也可能是套利机器人等对暗池交易有需求的以太坊用户

  • relayer：转发者，监控自己的mempool，将用户发起的交易bundle模拟执行，确认无误后，直接转发给矿工

  • miner：矿工，接受relayer bundle交易，并直接将其打包到区块中

其实本质上就是在以太坊用户和矿工之间构建一条有序的通道，通过自建交易暗池来绕开mempool机制，这样做可以使得MEV更加透明、有序，从而保护以太坊的相关机制。

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etherscan上标注flashbots的暗池交易

此外，flashbots中有很多有趣的技术，比如可以使批量交易原子化，再比如除了传统的gasPrice拍卖入块机制，用户甚至可以配置在交易满足某些条件的情况下直接给矿工打款，从而避免交易revert造成的gas损耗。

Q：gas是什么？gas是指在以太坊上执行操作所需的燃料。以太坊提供了虚拟机(EVM，Ethereum Virtual Machine)，开发者可以在其上开发各种应用。EVM相对BTC的好处是“图灵完备& ...