以太坊交易費的經濟學模型

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CryptoCow

9 min readOct 11, 2018

這篇文章會介紹近期以太坊社群對「交易費模型」的討論，主要參照自 Vitalik 的一場演講影片，和論壇上的文章 ‘‘First and second-price auctions and improved transaction-fee markets’’，探討區塊鏈交易的外部性，以及目前的手續費競標模式存在的問題，和可能的改善方案。

連結如下：

First and second-price auctions and improved transaction-fee markets

Special thanks to David Easley, Scott Kominers and others I talked to about these topics at…

ethresear.ch

背景知識

以太坊使用 “gas” 做為計算手續費的單位，使用者在送出交易時，除了從帳戶中扣除轉帳金額（msg.value），還要支付 gasUsed * gasPrice 的使用費。

根據每筆交易內容不同，手續費也會不同，計算主要有兩個考量：計算量、存儲量。因為區塊鏈上的交易需要由每個節點重新執行過作為驗證，並佔用每個節點的硬碟空間，所以越複雜，使用越多容量的交易需要付越多錢。

詳細的價格可以參考這份表格。

區塊鏈的交易成本和利益

利益：

對於每一筆區塊鏈上被打包（確認）的交易，它提供了發送者私人利益（private benefit），也就是發送者「希望」交易被確認的理由，因為他想轉錢給別人、因為他想買東西、因為他要玩區塊鏈養貓⋯ 等等理由。總之，交易被確認對發送者是有好處的。

成本：

交易的成本分成兩部分，一個是內部成本（private cost），一個是外部成本（social cost）。內部成本比較直觀，就是發送者付出的手續費，目前手續費是由打包交易的礦工賺走，但也有其他模型正在被考慮，下面會提。至於外部成本的部分，是本文主要想探討的重點：什麼是一筆區塊鏈的外部成本？由誰承擔？首先想到的是挖礦消耗的電費，但其實那和交易的關係並不大，而是與挖礦收益和礦工間的零和競爭有關。

實際上，一筆交易的外部成本承受者非常多元。對於每個運行全節點的電腦，這筆交易如果需要紀錄狀態，比方說產生一隻新的貓，就會佔用一些硬碟空間；對於區塊鏈網路本身，越多的交易代表節點需要更多時間驗證，網路廣播效率越慢；甚至連區塊鏈服務提供者，比方說區塊鏈瀏覽器 Etherscan，也承受了交易的外部成本。

收稅：

基於區塊鏈交易存在外部成本，且我們無法準確的把錢分配給承擔者，收稅是很順理成章的作法。庇古稅（Pigouvian Tax）就是藉由對污染（外部成本製造）者課稅，以改變市場均衡的方法。在區塊鏈的領域，我們沒有政府做為收稅的執行者，所以藉由限制區塊大小以及手續費競標的方法，達到類似收污染稅的效果。

區塊大小的意義

除了有形的計算資源，打包交易的另一個成本即是增大的區塊。而更大的區塊通常代表著更高的頻寬需求、單位時間內需要驗證更多筆交易，門檻增高，有能力運行節點的設備數量變少，去中心化程度和安全性相對減少。也就是說，允許更多交易的成本會使整個區塊鏈系統更脆弱。然而，我們也不會為了提高安全性而把區塊限制在非常小，因為那會使得手續費競標變得太過激烈，讓整個系統的實用性降低。

為了決定區塊大小，我們考慮每增加一單位（比方說一筆交易）的邊際成本，如圖。當區塊非常小的時候，大部分的設備，包括智慧型手機，都有能力運行一個全節點。此時，增加區塊大小所犧牲的邊際安全性（或邊際去中心化性）很高，但同時提升的邊際系統可用性也高。

當區塊大小膨漲到一個程度，已經沒有手機跑得動節點之後，邊際成本變低，因為大部分的個人電腦都可以承擔比手機大很多的計算量要求，而邊際可用性以中等速度提升。

當區塊大小增加到普通電腦（筆電&桌機）無法負荷的時候，邊際成本再度變高，因為整個網路的節點數會快速下降，只剩下專業設備能運行節點，中心化程度大增，系統付出的安全成本將大於增加的可用性。

考慮實際的案例，如果比特幣的區塊大小變成 50KB，或以太坊 gas limit 變成 100000，幾乎所有的手機，甚至 IoT 設備都能運行全節點，但是手續費會高到嚇人，只有鉅額交易願意承受。一般人根本不願意付錢使用，即使手機能跑節點也沒什麼意義。

反過來說，區塊大小 10GB 的比特幣，或 gas limit 10T 的以太坊，若要維持本來的區塊時間，勢必會導致嚴重的中心化，變成類似 POA 那種稱不上區塊鏈的偽物，或 EOS 那種由超級節點構成的容易被壟斷操縱的系統。

手續費模型

第一價格拍賣

目前的比特幣和以太坊採用第一價格拍賣（first price auction），發送者可以自行決定願意付的手續費，如果交易成功被打包，手續費將從發送者帳戶扣除。由於協議限制礦工只能打包固定量的交易，因此礦工會優先處理手續費高的交易。然而，這樣的模型對使用者並不直覺，他們心裡或許有一個價格，但是為了降低成本，他們會想要出一個剛好能被打包，但不要太高的手續費，也就造成一種不必要的煩惱：猜測最低手續費。

第二價格拍賣

一種改善的方法是採取第二價格拍賣（second price auction），對於所有被打包的交易，不收取他們最開始出的手續費，而是以被打包的交易中手續費最低者的出價為準，對所有人收一樣的錢。這樣的好處是使用者可以盡情出價，他只要出一個「手續費比這個價格高我就寧願不要交易」的價格就好。然而，這樣的模型卻存在明顯的漏洞。如圖左所示，礦工的手續費是底下那個灰色長方形的面積，也就是交易筆數×最低成交價的金額。礦工可以透過假造一些高價交易的方式，來提高長方形的面積，使得圖右中的面積扣掉深色長方形（手續費會回到礦工身上）之後還比圖左的大。礦工可以操縱價格，還會讓系統效率降低。

手續費價格自動化

為了解決第二價格拍賣中礦工過大的權利，一個由協議自動決定價格的方式被提出。協議決定價格的概念類似於挖礦難度，是根據先前的狀態（previous state）自動決定下一個狀態的機制，因為它是寫死在系統協議裡的，任何人都能檢驗數值是否合法，礦工不容易操縱，或者應該說，礦工比較沒有經濟上的理由操縱，因為不合法的高收益會被其他節點否認，刻意製造低收益則對自己不利。

目前提出的公式是，將一個區塊的 gas 使用量錨定在 gas limit 的 50%，當前一區塊打包的交易高於 50% 就漲價，低於 50% 就降價。透過以價制量，而不是硬上限的方式，讓區塊的長期趨勢維持在半滿的狀態。

區塊鏈的儲存空間定價

目前，以太坊的儲存空間也是透過支付 gas 購買的，由於這些購買的空間，在使用者不主動釋放的情況下，會永久性地佔用節點電腦的硬碟，甚至珍貴的記憶體空間，需要用超級高的價格來避免系統被垃圾資料壓垮。現在，做一次加法需要支付 2 gas，宣告一個變數卻要支付 20000 gas，價差高達一萬倍！不過，即使已經用超高價避免垃圾攻擊，如果考慮到系統的長遠發展，似乎再高的收費也無法緩解空間無限膨脹的恐懼。

一個潛在的替代方案是：不再提供永久性的儲存空間，改以「租賃」的方式讓使用者存放資料，這樣，收費想必可以便宜很多。這乍看是個很合理的做法，就像使用任何的雲端主機一樣，你如果要一直用就要持續付錢，使用者便會自覺清掉用不掉的垃圾檔案。但是在以太坊智慧合約的情境，非永久的儲存空間會為 DApp 開發者帶來沈重的負擔。

當合約簽訂後，合作關係進展到一半時，當初記載款項的變數居然被釋放了，這麼可怕的事情是絕對不允許的，但為了避免這個情況，又需要多更多的工程和條件控制來確保儲存空間活到它不再被需要。而如果，你的系統是供不特定人使用，比方說 ERC20 Token，還要擔心湧入的人潮會自動佔用更多空間，加速租金被耗盡。開發 DApp 已經不容易，還要規劃能一邊運作一邊維持租金的收費模式，簡直是工程師的天大噩夢。