原文標題：《8 Reasons Why Blockchain Mechanism Design Is Hard》

原文作者：Tim Roughgarden，a16z

原文編譯：Ladyfinger，BlockBeats

編按：

隨著區塊鏈技術的興起，我們目睹了一個全新領域的誕生和蓬勃發展。身為 a16z 研究負責人的 Tim Roughgarden 深入探討了區塊鏈機制設計的複雜性和挑戰，揭示了 Web3 世界中機制設計的重要性和困難。

當我們在一個學科或領域中學習得足夠深入時，我們就能夠識別和理解現實世界中出現的各種問題。儘管這些問題表面上看似複雜新穎，實際上通常是我們已經解決過的問題的變種或經過了細微調整。例如在教導演算法基礎的時候，學生會學會怎麼找出那些可以用「最短路徑」或「線性規劃」這類已知方法來解決問題。

這種學習模式在機制的設計中同樣強大有效，機制設計是一種「逆向博弈論」，它利用激勵手段來實現理想的結果。機制設計的工具和課程在拍賣理論、市場設計和社會選擇理論中尤其有用。

在加密貨幣和 Web3 的世界裡，有許多設計機制的問題。你可能覺得，這些問題可以透過簡單地應用我們已知的古老方法來解決，但實際情況是由於區塊鏈技術的特殊性，我們常常需要從根本上重新考慮和設計解決方案。這使得在 Web3 中進行機制設計變得既複雜又充滿挑戰，但同時也非常有趣和吸引人。

在本文中，我探討了 Web3 機制設計面臨的一些挑戰。對於熟悉加密貨幣的人士而言這些挑戰並不陌生。然而，深入理解機制設計可能會為所有開發者提供新的視角幫助他們理解這些問題為何難以攻克。對於機制設計者來說，如果你正在尋找新的應用場景，你可能會對一個無需許可的環境所帶來的挑戰感到好奇。

什麼是機制設計？

機制涉及領域的形成可以追溯到 1961 年，當時哥倫比亞大學經濟學家、未來的諾貝爾獎得主 William Vickrey 正式提出了一種密封的第二價格拍賣方式。這種拍賣風格最早在 1797 年就被使用了，當時作家 Johann Wolfgang von Goethe 出售了他的史詩《赫爾曼和多羅特婭》的手稿。它在 19 世紀也被郵票收藏家普遍使用，但直到維克里對其進行了描述，現在通常被稱為“維克里拍賣”。

在維克里拍賣中，獲勝者是出價最高者，但他們支付的是第二高的出價。這種拍賣揭示了出價者的真實偏好也將物品交給了最重視它的人。維克里拍賣是一個優雅而高效的設計，已經在現實世界中得到應用，根據新的情況進行了修改和更新，實踐指導理論，反之亦然。像維克里拍賣一樣，機制設計作為一個正式學科，有著理論與實踐交織的歷史，既深刻又美麗。

與博弈論不同－賽局理論確定了策略互動的維度，探索了最合理的結果－機制設計的領域不是從遊戲開始，而是從一個期望的結果開始。機制設計的目的是反向設計一種遊戲，使得這種期望的結果可能是以效率、公平或某些行為集為特徵成為一個平衡狀態。在維克里拍賣的情況下，目標是揭示參與者願意支付的最大金額，同時不會因為他們這樣做而懲罰他們。

Web3 中應用機制設計的機會非常多。例如，區塊鏈協議可能想要實現運行協議的參與者誠信行為，沒有偏離預期行為。或者，一個協議可能想要揭示關於交易價值的準確資訊以有效地將區塊空間分配給最有價值的交易。這樣的機制設計問題總是具有挑戰性的，而在區塊鏈環境中挑戰更是獨一無二。

缺乏信任

在沒有假定有一個可信賴的第三方來執行機制的情況下，區塊鏈領域的設計工作變得更加困難。

使用無需許可的區塊鏈協議的整個意義在於，你不必信任任何一個實體或個人，只需要信任「平均」的假設，即運行協定的節點中有足夠大的比例是正確運行的。

但許多區塊鏈架構的諷刺之處在於添加到鏈的歷史中的每一批交易為了在協議維護的虛擬機中執行，都是由單一節點單方面決定的產物。

你無法知道是否可以信任這個節點。

這就是為什麼在區塊鏈環境中很少看到維克里拍賣的原因。天真地實現維克里拍賣很快就會遇到不受信任的區塊生產者的操縱問題。問題是，區塊生產者可以製造一個“shill bid”，一個略低於獲勝出價的假出價，從而迫使獲勝者支付接近他們全部出價的價格，而不是第二高的真正出價。

不受信任的區塊生產者透過提交虛假的較低投標即「托兒出價」，實際上將維克里拍賣轉變為等同於第一價格拍賣的機制。這種行為是第一價格拍賣在 Web3 中變得普遍的原因之一。此外，傳統機制設計文獻中關於「可信機制」的最新研究也探討了在拍賣設計中如何處理不可信的拍賣者問題儘管其研究角度與我們在這裡的討論有所不同。

互串

另一個讓區塊鏈中的機制設計變得困難的原因是區塊鏈參與者之間的共謀。例如，第二價格拍賣容易受到帶有側面支付的共謀的影響。道理很簡單：獲勝的出價者支付第二高的出價，所以那個出價者可以簡單地賄賂第二高的出價者出價更低。

機制設計學術文獻對並不是很擔心這個問題。一個原因可能是在現實世界中，共謀很難實現。在某些共謀行動結束後，要進行可信的側面支付很難，因為獲勝者可以簡單地拒絕支付賄賂。然而，在區塊鏈環境中，潛在的共謀者經常可以使用智能合約來可信地承諾使共謀工作所需的側面支付。

第二個原因是很少有機制可以阻止帶有側面支付的共謀－「發布價格」機制，只提供接受或拒絕的提議，再無其他。更糟的是，協議的用戶可能不僅相互共謀，還可能與不受信任的區塊生產者共謀，相當於現實世界拍賣中出價者與拍賣師共謀。

對最後一種類型的共謀的韌性是以太坊 EIP-1559 交易費機制中 burn 部分交易費的一部分的主要動機之一。如果缺少「burn」機制，或不以其他方式扣留這些收入，阻止區塊生產者獲得它們，那麼區塊生產者和最終用戶就可能透過側面支付來規避機制所嘗試設定的任何保留價格。

不能只依賴法治

共謀顯然不是新問題。幾個世紀以來，它一直困擾著現實生活中的各種機制，然而如果你檢查機制設計文獻，你可能會驚訝地發現它對共謀的討論很少。文獻確實直接討論了機制的個別參與者單方面操縱的誘因——但通常對共謀避而不談，將其留給一些未建模的「法治」概念。例如，機制的參與者可能會簽署一份法律合同，規定他們不會共謀。如果發現共謀，就交給了法律管道去解決。

機制設計者可以透過創建一個共謀相對容易檢測的機制來提供幫助。這是許多機制設計文獻中不言而喻的秘密：依賴法治。雖然不能說在無需許可的區塊鏈協議周圍沒有法治——我們經常看到執法機構成功起訴無需許可的區塊鏈上的犯罪行為——但比傳統機制設計應用中要少得多。

如果你不能依賴機制外的法治，那麼設計者就有責任在機制內處理它。這種方法在區塊鏈空間的機制設計決策中無所不在。特別是以太坊協議，例子範圍從在 EIP-1559 中燃燒基礎費用收入到在其共識協議中削減行為不當的驗證者。

設計空間更大

Web3 中的設計空間比機制設計者習慣的要大。因此，他們必須重新思考任何給定的問題。例如，許多機制涉及支付，在傳統的機制設計應用中，這些支付將以某種法定貨幣，如美元進行。許多區塊鏈協議都有自己的本地貨幣，而該協議內的機制則能夠操縱該貨幣。

想像一下，如果你寫了一篇傳統的機制設計論文，而你的機制描述的一部分是：「印一大堆新錢，然後把這些錢給一些參與者。但當你談論區塊鏈協議背景下的機制設計時，你可以完全這樣做。

協議控制貨幣，因此作為該協議一部分的機制可以鑄造或燃燒它。這意味著一些在沒有訪問本地貨幣的情況下不可能的設計變得可能。例如，你如何激勵比特幣礦工能如預期執行協議？透過通貨膨脹獎勵：列印新的比特幣來激勵這些區塊生產者。如果沒有訪問本地貨幣，這樣的設計將是不可能的。

原生代幣可能會帶來其他的問題

上一點原因強調了原生貨幣的力量。你可以用原生貨幣做兩件事：「鑄幣」（比特幣協議鑄造新比特幣以激勵礦工的方式）和「燃燒代幣」（以太坊 EIP-1559 交易費機制燃燒 ETH 抵禦串通的方式）。原生貨幣潛伏著在傳統機制設計中不存在的危險：微觀經濟設計決策可能會產生宏觀經濟後果。

在傳統機制設計中，沒有理由擔心宏觀經濟力量。沒有傳統的拍賣對美國的貨幣供應或通貨膨脹率產生了有意義的影響。這個挑戰在 Web3 設計空間中是全新的。可能會出什麼問題？讓我告訴你兩個例子，一個關於比特幣的鑄造，一個關於以太坊的燃燒。

由於使用區塊獎勵，透過列印新貨幣來激勵礦工，比特幣被迫擁有通貨膨脹。因此，它還必須有一個貨幣政策來決定通貨膨脹率以及該比率隨時間的演變。中本聰還創建了一個 2,100 萬比特幣的硬供應上限。由於比特幣的數量有一個硬上限，通貨膨脹率必須歸零。如果它真的歸零了，什麼會激勵礦工繼續運行協議並為比特幣提供安全保障？人們一直希望交易費用能彌補缺失的區塊獎勵，儘管證據表明這種情況會發生的證據相當薄弱。如果交易費用保持接近零，那麼比特幣協議將面臨重大安全問題，這一直是已知問題。

普林斯頓大學電腦科學家Miles Carlston、Harry Kalodner、Matthew Weinberg 和Arvind Narayanan 撰寫的一篇論文指出了交易費用和區塊獎勵之間的另一個區別。雖然區塊獎勵對於每個區塊都是相同的（至少在區塊獎勵的「減半」之間，這每四年發生一次），但交易費用可以變化幾個數量級——這反過來又為協議引入了新的博弈論不穩定性。

從這個意義上說，固定供應上限的宏觀經濟決策對協議及其參與者的微觀經濟後果產生了負面影響。就像比特幣的區塊獎勵鑄造充當通貨膨脹力量一樣，EIP-1559 中交易費用的燃燒充當了以太坊的通貨緊縮力量。在以太坊協議中它使用通貨膨脹的驗證者獎勵，這兩種力量之間存在拉鋸戰，通常通貨緊縮力量會獲勝。 ETH 現在是一種淨通貨緊縮的貨幣，這是協議的微觀經濟學激勵設計決策的宏觀經濟後果。

ETH 持有者喜歡通貨緊縮，因為所有其他條件都相等，它使他們的代幣隨時間變得更有價值。 （事實上，這種副作用可能是最終使公眾輿論傾向於轉向EIP-1559 交易費機制的因素。）然而，通貨緊縮貨幣的概念讓傳統訓練有素的宏觀經濟學家退縮，回想起1990 年代日本的經濟滯脹。

誰才是對的？就我個人而言，我不相信主權法定貨幣是像 ETH 這樣的加密貨幣的正確類比。但正確的類比是什麼？這仍然是一個懸而未決的問題，需要區塊鏈研究人員進一步探索：為什麼通貨緊縮貨幣可以作為支持區塊鏈協議的加密貨幣，而不能成為支持主權國家的法定貨幣？

不能忽視的底層堆疊

在電腦科學中，我們追求的一件事是模組化和清晰的抽象，這允許你信任系統的某些部分。在設計和分析系統的一個部分時，你當然需要知道系統其他部分導出的功能。但理想情況下，你不需要知道這些功能實際上是如何在底層實現的。

在區塊鏈協議中，我們尚未實現這一理想。雖然建造者和機制設計者可能喜歡專注於，例如應用層，但他們不能忽視基礎設施層的工作現實和細節。例如，如果你正在設計一個自動化市場製造者，你必須考慮到不受信任的區塊生產者負責交易排序的事實。或者，當你考慮為 Layer 2 rollup 設計交易費機制時，你不僅要為 Layer 2 的資源消耗付費，還必須為底層協議產生的任何成本付費，例如，從儲存呼叫資料。

在這兩個例子中，我們可以看到，有效的機制設計不僅需要對特定層面的深入理解還需要對其他層面有詳細的專業知識。儘管區塊鏈技術的成熟將使我們能夠更清晰地區分和專注於它的不同層次但我們必須承認目前我們還沒有達到這樣的成熟水平。

要求在計算受限的環境下工作

區塊鏈協議實現的“ computer in sky」是一個計算受限的環境。傳統的機制設計只關注經濟激勵，忽略了計算問題。例如，著名的 Vickrey-Clarke-Groves 機制對於足夠複雜的分配問題來說是不可行的。當 Nisan 和 Ronen 在 1999 年引入演算法機制設計時，他們指出我們確實需要一些計算可行性，以便該機制在現實世界中具有任何實際意義。因此，他們提議將注意力限制在計算和通訊量隨問題參數多項式而不是指數函數的機制上。

由於區塊鏈協定的虛擬機中的運算非常稀缺，鏈上機制必須高度輕量級，多項式時間和通訊是必要的，但還不夠。例如，這種稀缺性是為什麼自動化市場製造者完全支配以太坊 DeFi 的主要原因，而不是更傳統的解決方案，例如限價單簿。

尚處於早期階段

通常，當人們說Web3 仍然處於早期階段時，他們指的是投資機會或採用數字。但從科學的角度來看，我們甚至比那更早。這個事實只會使事情變得更加困難，儘管它代表了一個巨大的機會。

在成熟的研究領域工作提供了每個人都認為是理所當然的好處。有公認的模型和定義。圍繞最重要的問題有共識。在如何衡量進展方面存在著非微不足道的協調。存在共同的詞彙和大量的共同知識基礎。存在上車的途徑，以加快速度，包括經過充分審查的教科書、線上課程和其他資源。

同時，在區塊鏈空間的許多部分，我們仍然不知道「正確」的模型和定義，無法清晰地思考和取得重要問題的進展。例如，在區塊鏈協議的背景下，激勵相容性的最重要概念是什麼？ Web3 堆疊的層次是什麼？什麼應該計入最大可提取價值（MEV）？這些只是其中的一些未解決問題。

對於那些對在區塊鏈科學領域工作感興趣的人，該領域的不成熟性帶來了挑戰。但現在儘早加入這個領域，也代表了獨特的機會。機制設計一直是網路應用層的有用工具，以即時廣告拍賣為例，或設計大多數線上消費應用程式中普遍存在的雙邊市場，從電子商務到共享出行。

但在 Web3 中，機制設計也影響基礎架構本身的設計決策。回想一下 20 世紀 70 年代和 80 年代，當時仍在討論和設計互聯網路由協定。據我所知，沒有激勵和機制設計專業知識的人坐在那張桌子旁。事後看來，我們現在意識到這樣的人本來可以有用地通知設計。同時，在 Web3 中，隨著最初的比特幣白皮書的發布，激勵機制從一開始就是討論的一部分。

圍繞 Web3 的「正確」模型、定義和成功指標的混亂，實際上是在告訴我們，我們正處於一個黃金時代。後來的學生和科學家會羨慕我們在這個時候加入這個領域，有機會塑造這項技術的發展軌跡。所以雖然該領域可能沒有很多教科書，但總有一天會有，而將在其中描述的工作就是我們目前正在做的工作。

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