• 非原子套利简介与机制 [page::0][page::3]

- 区别于原子套利，非原子套利跨链或跨中心化/去中心化交易所执行，对应MEV新形态。
- 以太坊PoS及PBS机制促成非原子套利繁荣，因区块建造权外包及区块构建者高度激励提取MEV。

• 非原子套利定量模型及案例分析 [page::4][page::5]

- 模型基于Uniswap V2的CFMM恒定积公式，合并手续费和离链交易费，计算套利利润与价格差的非线性关系。
- 利润随价格差增长显著，限制造成交价范围。
- Block 18,360,789案例显示，竞标价随Binance价格波动快速上升，rsyncbuilder以逾10.32 ETH标价赢得区块，非原子套利交易量达600万美元，高度集中于少数集成搜索者。

• 非原子套利交易识别启发式方法与验证 [page::5][page::6]

- 五条启发式包括交易简洁性、私密性、较高支付给区块提议人的费用、交易为池中首交易及交换通证是否主流。
- 该启发式覆盖已知集成搜索者88%以上交易，仅涵盖整体2.8%。
- 表1示例典型非原子套利交易覆盖交易所、令牌与金额。

• 非原子套利市场格局及集中度分析 [page::7][page::8]

- 非原子套利占五大以太坊DEX总交易量约1320亿美元，约占30%。
- 仅11个搜索者贡献80%以上成交量，Top 2搜索者接近50%市场份额，且其部分搜索者与PBS中顶级构建者高度关联。


- 不同搜索者交易规模存在明显差异，均值近7.4万美元，交易标的集中于ETH、BTC及稳定币。

• 非原子套利驱动因素及时间分布 [page::9]

- 非原子套利量日波动5000笔次，明显与ETH及BTC价格波动高度相关，相关系数达0.725以上，统计显著。

- 交易量峰值明显对应美、亚洲及欧市开盘时段，周三18:00 UTC的美联储会议纪要相关时段显著活跃。

• 搜索者与构建者关系及市场优势 [page::10][page::11]

- 通过成交区块归属溯源，确认beaverbuild、rsyncbuilder、mantabuilder及builder1均拥有集成搜索者，构建者与非原子套利搜索者高度绑定。

- 非集成搜索者难以进入这批构建者区块，体现优先排位市场壁垒。
- 高波动行情时，HFT构建者赢得区块份额显著提升，相关系数0.65至0.78，反映价格波动驱动其市场优势。

- 高波动时非原子套利占区块气体费及价值比例显著上涨，最高达80%以上，造成区块拥堵及费用飙升。

• 非原子套利生态及安全影响 [page::12]

- 该类高额费用已超以太坊PoS共识层区块奖励10倍以上，
- 存在驱动时间土匪攻击（time-bandit attack）风险，质押池高度集中或使安全性受威胁。
- 高波动时期区块拥堵加剧，影响整体以太坊用户体验。
- 非原子套利高度集中推动区块构建市场强烈中心化，约两个HFT占据主导地位。

• 缓解方案与未来方向 [page::12]

- 建议区块顶部交易和区块体拆分拍卖以缓解中心化风险。
- 减少区块出块时间以抑制套利获利及其对生态的负面影响，同时支持Layer 2解决方案。

• 与其他MEV类型比较 [page::16][page::17]

- 非原子套利交易次数与价值均接近或超过三明治攻击，远高于循环套利和清算。

• 集成构建者与搜索者细致关系及补充分析 [page::14][page::15][page::16]

- 不同HFT构建者与其搜索者存在时间序列和业务强关联，部分构建者曾在特定区间补贴搜索者维持市场份额。
- 详见图表体现构建者区块胜率和搜索者套利量高正相关。

非原子套利在去中心化金融中的深度分析报告解构

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1. 元数据与概览

报告标题： Non-Atomic Arbitrage in Decentralized Finance
作者： Lioba Heimbach（ETH Zurich, Switzerland）、Vabuk Pahari（MPI-SWS, Germany）、Eric Schertenleib（unaffiliated, Switzerland）
发布日期： 截止2023年10月底的数据分析
主题聚焦： 关注以太坊生态系统中的非原子套利（non-atomic arbitrage）现象，尤其在最大的五个去中心化交易所（DEXes）上的表现、主体结构及其对区块链安全和生态系统的影响。

核心论点及意图：
报告揭示非原子套利（NA Arbitrage）作为最大可提取价值（MEV）的一个重要组成部分，占据以太坊主要DEX交易量的30%以上，集中于极少数的套利者手中。作者旨在说明以太坊从PoW向PoS过渡后，特别是引入了Proposer-Builder Separation（PBS）机制，使得非原子套利成为一种影响区块链安全性和市场结构的重要力量；并且，该套利方式导致区块构建市场高度集中。最终，报告探讨了该现象带来的安全风险并提出潜在缓解措施。

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2. 逐节深度解读

2.1 摘要与引言（Introduction）

• 主要观点：

- 非原子套利指利用链上DEX与链外（中心化交易所或其他链DEX）价格差的套利行为，区别于传统链内原子套利(atomic arbitrage)，即在同一区块链内原子执行的套利交易。
- 以太坊PoS后，通过PBS机制，90%以上区块由专业区块构建者（builders）构建，交易者（searchers）可将套利交易私下传递给builders，避免公开内存池（mempool）中的前置竞争。
- PBS和PoS的结合允许大型利益方更高效地进行非原子套利，形成了去中心化金融中的“暗森林”环境。

• 支撑逻辑：

- 非原子套利本质上牵涉链上链外行为，因此分析复杂。
- 以太坊PoS块构造方式改变（时间分片，单一验证者，builders的竞价构块）使套利更具战略价值。
- 签名者（validators）将区块构筑工作外包给builders，builders争夺block building机会，产生高额收益，而这些收益中非原子套利交易占比非同小可。

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2.2 背景（Background）

• 以太坊PoS（2.1节）：

- 时间被划分为12秒的slot，每个slot由一个指定的验证者提议区块。
- 验证者固定奖励约0.04ETH，加上可变执行层交易费（平均0.12ETH左右，波动较大）。

• Proposer Builder Separation（PBS，2.2节）

- 区块构建（builders）与区块提议（proposers）分离。
- Searchers向builders提交交易bundle，builders合并后向proposers竞价，proposers选择出价最高的区块进行提议。
- Relay作为中介，核查区块合法性并进行中转。
- 详见图1（PBS示意图），描述了searchers → builders → relay → proposer 的流程。

• 去中心化交易所DEX（2.3节）：

- 以常数乘积做市商CFMM为主（如Uniswap V2、V3等）。
- 价格由池中资产量决定，交易导致价格变动，不同DEX间价格差异存在套利空间。
- 流动性池越大，套利需要交易量越大以消除价格差异。

• 最大可提取价值MEV（2.4节）：

- MEV通常指通过交易排序、包含或排除获利。
- 常见类型：三明治攻击（sandwich attack）、环状套利（cyclic arbitrage，链内原子套利）、清算（liquidations）。
- 非原子套利属于MEV中的新类型，涵盖链内外动作，尚未深入研究。

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2.3 数据收集（Data Collection）

• 数据来源多样： 包括以太坊链上交易（DEX交易77百万+）、PBS中继点的竞价和区块数据、以太坊网络中区块和交易传播时序数据（Mempool Guru）、以及币安和CoinMarketCap的价格数据。

- 时间范围： 包括2022年9月以太坊合并（PoS启动）后至2023年10月末的区块数据。

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2.4 非原子套利模型（Section 4）

• 流程说明（Figure 2）：

- 观察到价格差，searcher向builder提交套利交易，builder构建区块并竞价，relay转发，proposer选中最高价区块，套利交易执行。
- 交易可能被集成在同一实体（集成searcher）。

• 套利利润模型（4.1节）：

- 基于Uniswap V2的恒定乘积公式 $x \cdot y = L^2$ ，
- on-chain价格 $P{on}$ ，off-chain价格 $\tilde{P}{off}$ 存在差额 $\Delta P$,
- 交易者执行买入 $\Delta x$，考虑DEX手续费$f$及链外手续费$g$，推导利润公式（见文中公式）。
- 结果表明，套利利润随价格差和流动性呈非线性增长，且利润受手续费限制存在最低价格差阈值。
- 图3展示关键利润曲线。
- 说明套利价值决定竞价大小和交易策略。

• 实践案例（4.2节）：

- 选取区块18,360,789分析，展示高波动时刻BTC、ETH价格变化与builders竞价的同步关系（图4）。
- 两大buildesrs（rsyncbuilder和beaverbuild）竞价显著高于其他 builders。
- 表1细列非原子套利交易，多达26笔交易共6百万美元交易额，集中在少数搜索者（rsyncsearcher3主导）。
- 交易内容集中在稳定币与ETH、BTC之间的兑换，符合套利逻辑，价格调整趋势吻合模型预测。

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2.5 非原子套利交易识别（Section 5）

• 识别难点： 非原子套利交易链外部分不可见，只有单边交易信息，且链外数据缺乏透明度，无法进行完整配对验证。

- 识别假设： 该类交易价值高，套利者倾向私下发送交易并支付高额矿工费以保证交易优先执行。

• 五条识别启发式规则（Heuristics）：

1. 交易为单一简单Swap，且非三明治、非链内套利、非清算，且Gas消耗≤400,000。
2. 交易为私有交易（未进入mempool）。
3. 包含对矿工的直接转账或优先费≥1 GWei。
4. 该Swap为该交易池内该方向上的首笔交易或先前同方向均为同一接收者。
5. 交易币种均为中心化交易所主流币。

• 验证： 针对已知集成searchers（如beaverbuild, mantabuilder, rsyncbuilder关联searchers）应用启发式后，捕获率高达58%~88%，整体仅覆盖2.8%的交易，验证启发式具有高效识别非原子套利的能力（表2）。

- 细分解读： 不同searchers关于私有交易、币种及费用支付习惯存在差异，如beaversearchers较少私有，部分时段甚至由builder补贴矿工费。

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2.6 非原子套利交易分析（Section 6）

6.1 交易量及主体结构

• 规模巨大且集中： 日均非原子套利交易约5216笔，接近三明治攻击数量，超过环状套利及清算数量（数值详见附录C）。

- 累计交易量达1320亿美元，约占同期五大DEX总交易量的29%（总计4600亿美元）（图5）。

• 高集中度主体： 11个最大searchers贡献80%以上交易量，进一步聚合为8个实体，且多数与大型builders（beaverbuild, rsyncbuilder, mantabuilder）强绑定。前两大searcher( beaversearcher1 和 jumpsearcher) 独占近50%交易量。

- 时间波动： 两个历史金融事件（FTX崩盘及USDC脱钩）间，非原子套利量显著增长（图5、图6）。

• 搜索者间交易规模差异明显（图7）：

- 中位数从约1万美元至超过10万美元不等，部分searcher（如jumpsearcher）定位于大型交易。
- rsync系列searcher呈现多峰、递减的交易规模趋势，暗示策略可能逐渐转向小额套利。

• 资产类别：（表3） 大多数searchers大部分交易在主要币种（ETH, BTC, USDC, USDT, DAI）池内，体现在交易份额和交易量上，符合高流动性链上-链下套利的特征。

6.2 非原子套利的驱动因子

• 价格波动驱动套利（图8）： 与BTC和ETH价格当日波动高度相关（相关系数均超过0.72，统计显著），波动降低套利利润，波动放大套利量。

- 时间分布（图9）： 开盘时间段套利交易显著活跃，尤其是UTC 14:00-21:00对应美股交易时间，此外亚洲和欧洲开盘时段也有明显套利峰值。

• 政策公布时刻（周三18:00 UTC）与套利量峰值相关，反映宏观事件对加密市场波动的影响。

6.3 集成搜索者与构建者绑定关系（图10）

• 深度绑定模式：

- beaversearcher1、beaversearcher2与beaverbuild匹配度超过79%交易量集中于同一builder构建块中。
- mantasearcher和mantabuilder交易量重合83%。
- rsyncsearcher2和rsyncsearcher3分别与rsyncbuilder区块高度重合（88%~98%）。
- 新识别的builder1及其searcher同样表现出高度绑定（83%）。

• 竞争与偏好： 非整合searchers倾向于向非HFT builders如flashbots提交交易，HFT builders更倾向收录自家整合搜索者交易，造成资源分配偏向，形成块构造市场垄断势头。

- 集成关系具明显正相关，且具高度统计显著性。

6.4 非原子套利的影响

• HFT builders把控大半非原子套利市场（图11），尤其在高波动时段。

- 块构建市场集中（图12）： HFT builders赢块比例与ETH/BTC价格波动正相关，反映了价格波动引发的套利收益提高竞争力和市场权重。

• 区块空间占用与费用影响（图13）：

- 高价格波动时段，非原子套利占区块总gas超过10%的概率急剧上升，导致区块拥堵和交易费用提升。
- 50%极端波动区块中，非原子套利贡献超过80%块价值，强化套利交易对区块经济的主导地位。

• 潜在安全隐患： 交易费远远高于PoS本身共识奖励，超高价值交易可能诱发时间盗贼攻击（time-bandit）和区块链重组，影响共识稳定性。

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3. 图表深度解读

图1 PBS机制流程示意图 [page::1]

• 展示了searcher提供套利交易bundle给builder，builder构建区块并投标，relay中转竞价信息给proposer，proposer签名并传播区块的全流程。

- 清晰阐释了PoS下区块构建和提议的分工细节，是理解后续交易含义的基础。

图2 非原子套利执行示意图 [page::3]

• 说明了套利如何利用链上DEX与链外价格差发起买卖，过程非原子而需跨链/链信息同步，强调其本质差异于原子套利。

- 结合PBS流程体现套利在区块构建层面的关键环节。

图3 利润函数图 [page::4]

• 利润随价格差线性非线性增长，当价格差低于手续费门槛套利无利可图。

- 数值示例提供模型参数（如手续费0.3%），直观展示套利的动力学。

图4 竞价与币价变化对比 [page::4]

• 竞价额随币价波动迅速上升，部分builder竞价远高于其他，体现市场对区块构建权的争夺激烈。

- 时间节点和竞价高峰紧密对应币价行情，支持非原子套利的实时动力理论。

图5 11大searchers累计套利交易量分布 [page::7]

• 仅11名searchers掌控约80%非原子套利量，集中度极高。

- 总成交量占五大DEX总成交量约30%惊人规模。

• 存在明显资金实力与算力优越的头部主体。

图6 11大searchers每日市场份额演变 [page::7]

• 市场份额波动大，部分searchers出入市场记号清晰，显示动态竞争和更替。

- 顶级searchers长期保持主导地位，显现市场壁垒。

图7 非原子套利单笔交易额分布（violin plot）[page::8]

• 显示不同searcher在交易大小上的显著差异，比如jumpsearcher中位数交易规模远超beaversearcher。

- rsync系列存在多峰，反映多样化套利规模策略。

图8 非原子套利交易量与ETH、BTC价格波动的关系 [page::9]

• 正相关性强烈，且统计显著，验证价格波动是套利驱动力。

图9 交易时间分布热力图 [page::9]

• 高频段明显对应全球主要市场小时，特别是美股开盘时段。

- 交易量峰值也与重磅宏观事件（FOMC会议）时间对应，暗示宏观新闻对行情影响。

图10 Builder-Searcher关联热力图 [page::10]

• 说明searchers主要提交交易至关联builder构建的区块，显示高度整合趋势。

- 非集成searchers交易被边缘化，映射市场结构中的权力空间划分。

图11 HFT builders承载套利量占比（时序）[page::11]

• 显示HFT builders承载的非原子套利交易在整体中的比重日益升高，达到超过50%，有逐渐垄断的趋势。

图12 HFT builders赢块份额与价格波动关系[page::11]

• 再次强化价格波动对市场结构影响，赢块市场份额随着波动增加而提升。

图13 非原子套利占用资源分布（CDF曲线）[page::11]

• 高波动时期，非原子套利占gas和块价值的比例分布显著右移。

- 反映高波动时段资源占用紧张，用户竞争加剧。

图14 HFT builder与集成searchers的时序运营关系[page::15]

• 展示builder和其集成searcher市场份额随时间同步变化，部分builder在searcher之前运作，表明业务扩展轨迹。

- 相关统计验证了强绑定和业务一体化。

图15 beaverbuild 亏损补贴图[page::16]

• 反映beaverbuild在一期时间内交易支出远超收入，可能补贴searcher保证市场份额，表明市场博弈和资源投入。

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4. 估值分析

本报告未直接进行财务估值，但通过对区块交易费用及竞价差额的分析，展示了非原子套利对区块链经济的价值贡献。

• 区块构建竞价价值即是对套利交易利润的一种货币化体现。

- 竞价金额和块价值的统计分析表明高波动时期，非原子套利至少贡献了区块价值的近一半，体现了非原子套利经济体量巨大。

• 该体量是影响区块链资源分配、矿工收益以及生态安全的关键经济驱动力。

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5. 风险因素评估

• 共识安全风险：

- 超高MEV交易能导致时间盗贼攻击（time-bandit attacks），即蓄意分叉链以重新排序获利，PoS虽有一定缓解，仍不可忽视。
- 集中化的block building市场提高攻击成本和协调风险。

• 市场集中化风险：

- 少数builders及searchers垄断套利交易，占据拍卖优势，导致block building市场的中心化。
- 其他交易者难以竞争，可能减少市场竞争性和用户公平。

• 用户体验风险：

- 高波动时段交易拥堵，Gas费飙升，普通用户交易确认延迟，影响系统公平性和用户体验。

• 数据检视风险：

- PBS relay数据为自报性质，需信任中继节点，存在信息不完整或可能操纵竞价数据的风险。

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6. 批判性视角与细微差别

• 启发式识别的局限性：

- 交易在链外执行一部分操作，启发式基于链上信息，可能存在误判、漏判。
- 报告表现出较为保守的判断标准，避免过度推断，但某些低价值或非典型非原子套利可能未被捕获。

• 市场动态复杂，部分builder（beaverbuild、rsyncbuilder）参与多类型MEV，套利并非唯一价值来源，权重关系存在波动。
• 数据依赖与透明度不足：

- PBS relay和搜索者关联多依赖外部地址公示与推断，可能存在未公开或匿名主体影响未被识别。
- 中继和链外市场数据同步不完全，导致套利判断的准确性受限。

• 集成策略的商业逻辑与补贴行为（如beaverbuild补贴矿工费）体现竞争激烈和市场博弈，短期亏损背后可能是长线布局。

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7. 结论性综合

本报告系统揭示了以太坊PoS生态中非原子套利的盛行、机制及市场结构影响。通过详实的数据收集与分析：

• 非原子套利已成为去中心化金融中规模惊人的MEV分支，约占五大DEX近30%交易量，且仅由极少数searchers主导。

- PBS机制下，整合的searchers与builders形成闭环业务，主导块构建市场，造成交易权力高度集中。

• 市场波动性强烈影响非原子套利交易活跃程度及块构建权的分配，高波动时期HFT builders占据区块空间较大份额，系统拥堵加剧，用户交易成本显著提升。

- 经济价值的高度集中带来共识安全隐患和市场公平性挑战。

• 针对风险，报告提出了缓解措施，如分离块顶部许可（separating top-of-block extraction）和区块时间缩短，强调需要平衡效益与安全、生态健康。

图表揭示数据细节及动态脉络，如Figure 5与Figure 6展现巨大交易量及极其集中的主体结构，Figure 8及Figure 9显示的时间-空间动态关系，以及Figure 10映射的searcher-builder高度绑定关系都为报告结论提供了坚实的实证基础。

报告提醒从业者和研究者，在设计区块链共识与经济激励机制时，应充分考虑非原子套利带来的集中化压力与潜在系统风险，从制度设计上兼顾去中心化、安全性及公平性。

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全文引用溯源

引用文本均按照报告页码标明如下：

• 报告介绍、PBS机制、背景知识详见第0-2页 [page::0, page::1, page::2]。

- 非原子套利模型与案例分析详见第3-5页 [page::3, page::4, page::5]。

• 交易识别启发式、统计验证见第5-7页 [page::5, page::6, page::7]。

- 主体结构、交易规模、时间分布分析见第7-9页 [page::7, page::8, page::9]。

• 构建者与搜索者绑定分析及生态效应见第10-12页 [page::10, page::11, page::12]。

- 附录中builder-searcher时序关系与补贴数据见第14-16页 [page::14, page::15, page::16]。

• MEV其他类型对比及启发式验证见第16-17页 [page::16, page::17]。

该报告以详实的数据和分析为基础，兼顾技术细节与生态影响，提供了区块链MEV研究领域的重要视角和启示。

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