套利交易是金融界最传统的利用不同市场的价格差获得经济利益的手段。而在数字资产的新领域，套利交易同样存在，并且随着技术的发展不断地革新。在当前，主要的套利合约分为四种，即：空间套利、三角套利、组合套利和三明治套利。
与资产的社会持有相仿，套利合约同样遵从“二八定律”，即：大部分的套利利润由少数几个合约掌控；而大多数的合约则收入极低。因此，在本期研报中，我们除了介绍各种套利合约之外，也会重点关注在套利合约领域中，收益排名前十的合约，借以介绍其套利方式，并以此作为抓手，对当前的套利合约市场进行研究。 由于在当前，ETH和BSC是套利交易者所最常涉及的两条赛道，因此，我们的研究就集中于这两条赛道中的套利交易者。
一.当前ETH/BSC赛道上的十大套利合约简介
在数字资产业界，使用低吸高抛的手段进行套利（业界内俗称“搬砖”）是一种自从数字资产出现以来就有的获取利润的手段。经过几年间技术的发展，其形式由最初的单一方式——利用不同交易所的同一种通证的价差进行套利，延伸到了诸如三角套利、组合套利等多种方式。
在目前的ETH和BSC赛道中，其头部合约凭借套利获得的利润极度可观。例如，在ETH赛道中，获利最高的套利用户在30天中的利润高达8,742,097.36美元；而投资回报率最高的用户仅仅花费了86.25美元的成本，便获得了647,148.91美元的利润，其回报率高达750,352.14%。但与此相对，其他的合约收入就十分瘠薄。在ETH赛道中，盈利在25%位置的合约只能获得0.19美元的收入，与套利收入最高的合约的差距可以说是云泥之别。
Figure 1. ETH不同位置套利合约利润情况，数据来源：https://eigenphi.io
无论在ETH还是BSC赛道中，其“二八定律”都明显得惊人——甚至用“二八”来形容都已经远远不够。与ETH赛道相仿，在BSC链中，获利最高的套利用户的30日利润可以高到334,859.69美元；而排在25%位置的合约则只有0.09美元的月收益，甚至于排位高达95%的合约，其月利润也不过只能有24.08美元。由此可见，ETH和BSC两条赛道上的套利合约已经变成了纯粹的寡头市场，仅有最顶端的十多个合约能够获得惊人的利益，而其他的套利合约所赚取的利润，可以说仅仅只是顶端用户遗留的“残羹冷炙”而已。
Figure 2. BSC不同位置套利合约的利润情况，数据来源：https://eigenphi.io
ETH赛道上的十大套利合约
Chart 1. ETH赛道上的十大套利合约盈亏一览，数据来源：eigenphi.io
BSC赛道上的十大套利合约
Chart 2. BSC赛道上的十大套利合约盈亏一览，数据来源：eigenphi.io
二.当前区块链套利合约的主要类型
空间套利 (Spatial Arbitrage)
空间套利（Spatial Arbitrage）是最基础，也最简单的套利方式。是采用两种不同的数字通证组成的交易对进行倒手交易来进行低吸高抛从而获利的方式。
空间套利本质上是一个时间竞争——从低价市场购入通证后导致的价格上涨将会快速和高价市场因通证抛售导致的价格下跌相互冲抵。因此，交易的效率在空间套利中尤为重要。
在当前，空间套利是ETH和BSC赛道上的领先者最常用的套利方式——在BSC赛道上，获利前十位的用户中，有六个用户采用了空间套利进行交易；而在ETH赛道中，前十位用户全部采用了空间套利。
Figure 3. ETH和BSC赛道中排名前十的收益与套利合约类型一览，数据来源：eigenphi.io
三角套利 (Triangular Arbitrage)
三角套利（Triangular Arbitrage）是通过三种不同的数字资产进行套利的方式。在BSC赛道中，最头部的用户中有30%的用户采用该种方式进行套利交易。
三角套利的原理是：假设该用户在BSC中同时拥有三种数字资产：BNB、X和Y。那么，该市场中就会同时存在两个不同的X和Y的汇率，其一是X与Y的真实汇率；另一个则是通过这两种数字资产与BNB的汇率所计算出的理论值（称为理论交叉汇率）。当数字资产X与Y的理论交叉汇率与实际汇率差异较大的时候，便可以使用三角套利的方法从中获得利润。
在绝大多数的情况下，由于实际汇率和理论交叉汇率相差不大，同时又受到空间套利这种更低成本的套利方式的挤压。因此，为了确保这种方式能够有利可图，则套利者需要投入大量的资产进行交易，这无疑提高了套利成本。而这也是为什么高利润的三角套利合约只会出现在交易速度更快、手续费更低的BSC赛道上的原因。
在这里，我们提供一个三角套利的例证：
假设我们有以下数字资产汇率：X/BNB = 0.8631，X/Y = 1.46, BNB/Y = 1.6939。那么，假设，我们持有100个BNB，则执行三角套利的话：
以数字资产X卖出BNB：100*0.86 = 86.31X
X兑换Y：86.31/1.46 = 59.11644Y
Y兑换BNB：59.11644*1.6939 = 100.1373BNB
组合套利 (Combination Arbitrage)
组合套利 (Combination Arbitrage) 可以被看作是三角套利的扩展形式，即使用四种以上的不同数字通证的买卖实现套利行为。但相比三角套利而言，组合套利的成本更高，对套利空间的要求也更加严苛。因此，当前无论在ETH还是BSC赛道中，都没有使用组合套利的用户能够进入该赛道的前十名。
总的来说，组合套利由于需要经过最多的买入和卖出行为，所以是一种相对成本较高，获得收益较低的套利方式。但由于使用该方式进行套利的合约比较少，因此某些套利合约会将组合套利一同置入自己的套利组合中。但总的来说，即使在这些套利组合中，组合套利也很难获得相较于三角套利或是空间套利更多的利润。
下图是一些BSC赛道上的头部用户的套利组合，可以清晰地看出组合套利与三角或空间套利之间有比较大的利润差距。
Figure 4. BSC赛道中头部用户的套利组合中的组合套利的利润情况，数据来源：eigenphi.io
三明治套利 (Sandwich Arbitrage)
三明治套利（Sandwich Arbitrage）是一种颇受争议的套利方式，亦被称为三明治攻击（Sandwich Attack），是一种利用抢先交易的方式攻击受害者的交易进行套利的攻击方式。
三明治套利由套利机器人发起，当套利机器人侦测到一笔交易可能引发数字资产的价格滑点的时候，攻击者会采用支付更高的gas费的方式争夺一个区块的打包权。当成功之后，套利机器人立刻抢先购买一定量的数字资产，迫使该资产价格上涨，然后在被攻击交易结束之后抛售出刚买入的数字资产借以实现无成本套利。
在最早期，三明治套利攻击一般由矿工发起，在他们认为有利可图的时候，会主动放弃打包高gas费用的交易，把自己的攻击交易放在受害交易的前后位置进行夹攻。
三明治套利不是一种和平的套利方式——这种套利手段一定包括对某一个受害者用户的攻击并导致该受害者在资产上的损失。
Figure.5 一个典型的三明治套利的交易顺序
图源：https://medium.com/coinmonks/defi-sandwich-attack-explain-776f6f43b2fd
额外的思考：三明治套利一定盈利吗？
在ETH的交易中，每次交易必须支付gas费用。而由于攻击者需要进行抢先交易，因此他必须支付更高的gas费用来获得区块的优先打包权利。同时，考虑到进行交易需要支付手续费（例如Uniswap要求交易者支付0.3%的手续费），因此攻击者必须大量提高交易的数字通证数量来保证这一次套利行为能够获得收益。
之前我们提到，在以太坊的交易中，为抢夺优先打包的权利，攻击者需要付出更高的gas费用，这是因为ETH采用了最优gas费竞拍（Priority Gas Auction, PGA）的方式，即付出最高gas费用的用户能够获得优先打包的权利。为了获得抢先打包区块的行为，攻击者将会在gas费用上产生恶性的竞争，但是由于以太坊的gas费用是每一笔交易（无论成功与否）都需支付的。因此，在攻击者进行恶性竞争的时候，普通用户的利益一定是遭到损害的。
Flashbot被认为是解决过高的gas费用的有效方法之一。Flashbot提供了一个秘密通道，允许交易者在链外支付小费给矿工，以此让矿工按照自己提供的交易顺序来做打包交易。Flashbot实质上将仅仅由矿工和PGA机器人才可以参加的套利方式普罗到了大众之中，以此抹平三明治攻击的套利空间。而且，这笔私下的小费不发生在链上，因此降低了三明治攻击的前后两笔交易的gas费用。
Figure 6. Flashbot上线后造成的gas费用下跌
图源：https://www.wikibit.us/202104261904345046.html
除此之外，一些其他的方法，例如Salmonella攻击和Listeria攻击可以通过部署ERC20通证及“有毒”的交易代码实现对于三明治套利机器人的反套利。总而言之，这些对抗的手段严重地打击了ETH上的三明治套利活动，这也是为何gas费用出现明显下降，且在ETH赛道上的头部用户都摒弃了三明治套利，而重新使用空间套利来赚取利润的原因。
三.重要名词解释
MEV（矿工可提取价值）：ETH套利的逻辑基础
MEV（矿工可提取价值）指矿工可以通过那些在他们生产的区块中包含、重新排序、插入和忽略交易来获得的额外利润。在以太坊中，当一笔交易被包含在一个区块中之前，它会先进入内存池，这是一个可以公开访问的暂存区，在这里，矿工可以使用MEV机器人来捕获某些获取MEV的机会，例如通过新的交易市场套利或者清算抵押不足的的贷款。
MEV中的恶意交易对整个以太坊网络所产生的的风险早在2014年便被业界的先行者发现，其所催生的三明治攻击会导致正常交易的用户的利益受到损害。而随着攻击手段的不断进化，MEV的利润逐年增高，近来已经给整个ETH的生态带来了危险。
Figure 7. 从2020年1月1日开始提取的累计MEV
图源：巴比特
PGA与PGA机器人：三明治套利的执行者与高Gas费的源头
PGA（Priority Gas Auction）是矿工之间彼此竞争区块打包权利的方法，目前的PGA竞争一般由PGA机器人实现。由于纯粹的套利行为提供的是无条件的净利润，因此，PGA机器人往往会通过不断提高gas费的方式进行恶性竞争。这种恶性竞争毫无疑问地推高了正常用户进行交易时的成本。除此之外，当交易机器人发现价格滑点并使用三明治攻击进行套利的时候，PGA通过gas费用的竞争来获得进行抢跑交易的权利，因而PGA机器人可以被看作是高gas费用的始作俑者和三明治攻击的帮凶。
Flashbot:MEV危机的解决者之一
Flashbot是通过抹平gas费用的恶意竞争和ETH的MEV套利空间而产生的解决方案之一。Flashbots的原理是该解决方案包含了两个角色：套利者和矿工。在Flashbot的框架下，套利者需要在全网搜寻利润最大化的交易排序，并生成密封的交易包相互竞价，以期让矿工将自己的交易包打包进下一个区块。矿工则会挑选利润最高的交易包封装入“区块模板”。随后他们会验证这笔交易——一旦区块模板的手续费大于自己打包的区块，则抛弃自己的区块，选择区块模板作为新生成的区块。Flashbot的长处有以下几点：
1.由于Flashbot下，套利者的交易在被确认前不会泄露，因而，PGA机器人无法发现套利的交易，因此避免了机器人之间的gas费竞价。导致了gas费用的降低——根据Etherscan的数据，在2022年3月6日，ETH的即时平均gas费是20Gwei左右，这在之前是不可想象的。
2.为了保证在矿工能够选择自己的“区块模板”，Flashbot提供了一条链下的通道，供套利者向矿工支付小费。这笔费用因为发生在链下，所以无法追溯。
3.在Flashbot出现之前，进行三明治攻击套利的仅仅只有矿工。但Flashbot提供了一条普惠的通道，将套利之门向公众开放。因而达到了以大量新用户的增加来抹平三明治套利门槛的预期。
Salmonella和Listeria攻击：反套利机器人的复仇之剑
Salmonella和Listeria属于相似种类的攻击，只是它们的攻击目标是三明治攻击中的攻击者，由于两种攻击类型相似，因此我们以Salmonella作为例证来讲解。Salmonella合约是一个常规的ERC20通证，但该通证内置了一套特殊的逻辑。这套逻辑是白名单制的，当它检测到有除了该交易的所有者之外的交易者进行交易的时候，他只会返回10%的通证，但同时会发出与全额交易相匹配的事件日志。
Figure 8. Salmonella攻击中的“毒代码”，在交易人并非“OwnerA”或 “OwnerB”的时候只返回10%的通证
图源：https://github.com/Defi-Cartel/salmonella
结语
纵观套利交易在整个数字资产的崛起历程中的不断发展，时至今日，我们可以认为套利交易已经是一种非常成熟的交易方式了，其成熟点主要体现在两个方面：
1.多样性。套利交易发展至今，已经由当初单纯地由低价市场买入，高价市场抛出的单纯低吸高抛行为发展到了包括现今的各种多币种套利和三明治攻击套利的多种组合体，以应对不同的市场环境。
2.极化性。数字资产发展至今，在很大程度上依然遵循“强者恒强，弱者恒弱”的马太效应。而在套利合约中，这种两极分化局面的形成，说明了其发展已经渐臻成熟，不再是下场用户都能有收获的混沌初开的局面了。
与此同时，我们也需要注意到，在以三明治套利为代表的攻击和以Flashbot为代表的抗攻击解决方案之中，始终存在着一种对抗式升级的趋势。而纵观人类科学史，在这种对抗式的发展中，哪一方取得输赢并非是重要的，重要的是在于这种对抗本身始终在推动着新的技术与更多的革新。
参考资料
不为人知的以太坊黑暗森林，https://www.sohu.com/a/486586138_120309574
币圈无知，以太坊的黑暗森林，https://zhuanlan.zhihu.com/p/321846980
Flashbots，与MEV危机赛跑， https://baijiahao.baidu.com/s?id=1686666690607764527&wfr=spider&for=pcV
律动BlockBeats, 欢迎来到Flashbot的年代，为什么它打开了潘多拉的盒子？，https://zhuanlan.zhihu.com/p/367675716
巴比特，一文了解矿工可提取价值（MEV），如何实现交易利益最大化？https://zhuanlan.zhihu.com/p/380722461
看懂鲜为人知的MEV危机！Flashbots如何降低以太坊的使用成本。https://www.wwsww.cn/ytf/8122.html
以太坊黑暗森林的一次猎杀：套利机器人惨遭套利130ETH，http://www.528btc.com/blocknews/161642195174543.html
Wrecking Sandwich Traders for Fun and Profit, https://github.com/Defi-Cartel/salmonella
特别鸣谢：本报告内所有对线上套利的交易、监控和处理数据由eigenphi.io提供
