CAFE:深入分析 Uniswap V3 流动性供应的数学原理_CAF

作者：

时间：

前言

Uniswap是DeFi领域的头部去中心化交易所，其在今年5月上线了V3版本协议。V3版本与之前V2版本相比存在诸多差异，如集中流动性、多个费用等级、新的预言机等等。

在这些多样的特点背后，究竟藏着怎样的数学奥秘，同时是否真的能为用户带来更大的收益，减少无常损失？

知道创宇区块链安全实验室?将带你从数学原理角度在UniswapV3集中流动性方面进行剖析。

何谓集中流动性

在UniswapV3中，流动性提供者可以将其提供的流动性"限制"在任意的价格区间内来集中其流动性。

为了解释这一概念，首先我们关联到UniswapV2的自动做市商曲线。在该曲线中，用户的流动性被均匀的分布在整个(0,正无穷大)之中。

图1

在V2版本中，由于许多池子的价格变动没有那么的频繁，比如UDST/DAI池子中。由于其价值均锚定美元，发生的交易将会聚集在上图中的A点附近，这就意味着流动性池中的大部分资产是永远不会被触及到的。

因此在V3中，用户可以将其流动性聚集在某一个线段。如下图B到C点：

《广东省深入推进资本要素市场化配置改革行动方案》：粤港澳以区块链技术为基础共建征信链:金色财经报道，广东省人民政府昨日印发关于深入推进资本要素市场化配置改革行动方案的通知，方案提出，支持深圳深化央行数字人民币应用创新试点，适时申请扩大试点城市范围，以区块链技术为基础，粤港澳共建征信链，促进粤港澳大湾区征信合作。发展数字绿色金融，利用金融科技推动环境信息披露与共享，探索以区块链为基础的绿色资产交易。此外，方案还提出加快推进外资金融机构落地落户及推进人民币可自由使用和资本项目可兑换先行先试。[2021/9/15 23:25:48]

图2

这样，由于大量用户的流动性被集中，对于B点到C点的线段的流动性将会变得非常"厚"，这样的池子将使得来交易的人交易滑点得以显著减小，并有效提高资本效率。

如何将流动性集中

在具体实现的过程中，V3依靠了资产的杠杆。将一部分用户资产虚拟出来，导致了坐标轴图像的平移，虚拟资产假设对应x'和y'。

在原始的UniswapV2中，曲线公式为：x*y=k

UniswapV3通过引入x'和y'资产升级了该公式。此处x'我们将其称为x资产的虚拟储备，y'称为y资产的虚拟储备，于是引入了如下式子：

姚前：区块链技术值得数据跨境流动及其监管各方深入研究:《中国金融》2020年第22期，中国证监会科技监管局局长姚前刊文《数据跨境流动的制度建设与技术支撑》表示，支付标记化技术将个人数据的“匿名化”交由可信第三方负责，而区块链技术则创造了用户完全自主可控的数据隐私保护新思路。用户的私钥可以本地生成，通过公钥计算发布有效的账户地址，从而隔断账户地址和账户持有人真实身份的关联。通过控制私钥，用户可以在区块链上自主完成交易，虽然在区块链网络上能够看到每一笔交易的细节，但无法对应到现实世界中的具体某个人。区块链技术从根本上打破中心化模式下数据控制者对数据的天然垄断，赋予用户真正的数据隐私保护权。区块链技术还可与先进密码学技术结合，发展出各类隐私保护方案。比如，利用基于环签名、群签名等密码学方案保护签名方身份；采用高效的同态加密方案实现密文的多方处理，隐藏用户交易金额等敏感信息；采用零知识证明方案，使交易数据能被审查和验证，但又不能被真实探知。区块链技术这一自主可控的隐私保护新思路，值得数据跨境流动及其监管各方深入研究。[2020/11/24 21:56:04]

由于为资产添加了杠杆，使下图中原本在下面的曲线，能够平移到上面储备量更大的曲线中去，这也意味着在有限的的价格范围内，一组较小的储备x、y能够充当更大的储备x+x'、y+y'。

声音 | 交通运输部副部长：积极参与区块链等贸易服务更深入地参与国际竞争:据上证网消息，交通运输部副部长刘小明在2018全球贸易与国际物流高峰论坛上透露，要把创新能力建设摆到更加突出的战略地位，全力推进互联网+高效物流融合发展。坚持全面开放发展，推进物流领域开放向纵深发展。积极参与跨境电商、区块链等贸易服务，更深入地参与国际竞争。[2018/11/20]

同时，上方为虚拟资产被添加后的虚拟AMM曲线。在实际交易曲线中，下方才是流动性提供者资产的真实变化曲线。

于是，在B点或C点时，处于强势的资产将被损耗为0，也就是说将会全部兑换成劣势资产并停止做市。

如下图3：

图3上方为虚拟平移的AMM曲线

根据V2的自动做市曲线方程。让L被定义为k=L^2，于是有该式：x*y=k=L^2

对其开根号，即有

而对于价格来说，当前的价格P(用y对x资产定价)有：

根据式3，对其取平方根，即有：

联立式4与式2，我们可以消去y，对于闭区间任一点，则有：

现场 | 姜海：密码学将随着黎曼猜想等理论研究的深入迎来大发展:金色财经现场报道，今日，2018可信区块链峰会在北京召开。在主题为“区块链安全焦点关注”的区块链安全论坛上，丁牛科技有限公司CEO姜海结合最近黎曼猜想被证明引起了密码学界的高度关注，分析了黎曼猜想与区块链密码安全。他提出，尽管黎曼猜想的证明对于传统密码安全有极大的冲击，但是区块链技术的安全建立在SHA-256、椭圆曲线、算法校验等基础之上，在使用过程中能够极大地抵抗密码攻击。尽管最近有很多的安全事件发生，而其根本原因在于程序的违规操作。未来随着随机发生器、量子计算机以及黎曼几个等基础理论的研究，密码学将会有更大的发展空间。[2018/10/10]

同理可消去y，对于任一点，则有：

于是，我们只要知道P(x的价格)，在流动性没有改变时(L不改变)，则可以得到对应的x资产量和y资产量。

计算虚拟资产(x'/y')

图4虚拟资产x'与y'

考虑极端情况，在上图中，经过平移后上方的AMM图形由于在B点时，用户提供的x资产由于在实际中已全部损耗。

也就是说x=0，剩余的x均为虚拟出来的，即x'。

安永与Coinbase达成长期深入合作，前者为后者IPO提供全方位辅导:据悉，全球四大会计师事务所之一的安永于近期与全球知名的数字货币交易所和钱包服务提供商Coinbase达成长期深入合作，安永将组建包括审计部门、咨询部门、并购部门和税务部门的跨条线的Fintech专家团队为Coinbase提供第三方鉴证审计，同时为Coinbase的IPO提供全方位的辅导。[2018/3/27]

根据式5去计算。此时计算x资产量对于B点有：

同理，我们计算C点，此时用户提供的y资产由于在实际中已全部损耗，即有y=0，剩余的y均为虚拟出来的，即y'。则有

由上可知，xb?与?yc?则是Uniswap为用户虚拟出来的Token量，即x'与y'，这也是Uniswap中为用户开的杠杆的Token数量。

于是，我们得到完整UniswapV3的AMM曲线，见式9：

同时，对于选定的区间中的任意一点，由用户提供的真实的资产见下图：

注：下图摘自UniswapV3白皮书，区间为，任意一点被选择为c

图5用户提供的真实资产与虚拟储备AMM曲线

隐患-无常损失

由于V3在用户的选择下将流动性使用添加杠杆的方式进行了集中，而对于流动性提供者来说本质上是在与用户做对手盘，即越跌越买，越高越卖，这将导致无常损失的加剧。

根据上述分析，只要价格达到设定的区间临界点，流动性提供者的代币将会完全转换为另一种处于劣势的代币，并且在价格重新进入该临界点之前不会赚取交易费用。

世上没有什么免费的午餐。风险越高，收益越高。你提供的流动性越集中，你获得的手续费收入就越高，同时也将承担更多的无常损失。——Uniswap创始人，HaydenAdams

UniswapV3--添加流动性

具体而言，假设现有一UniswapV3交易池，交易对ETH/DAI，池中X与Y储备比例10:800，L2为8000，P为80即交易价格80DAI/ETH。

当前价格对应点A(10,800)，若一流动性提供商，尝试在P=进行做市。对应的点B(5,1600)，P=320。点C(20,400)，P=20

该流动性提供商想投入3个ETH，这3个ETH会被全部用于xreal，由于当前价格在选定区间内。

根据白皮书，有以下式子：

由式10，投入△x=3，投入的ETH将改变池子的L。经过计算△L为：

再通过△L计算△y:

于是投入3个ETH,时，计算投入的DAI应为240个。新的L'约为143.11(仅限于在闭区间P=)。

UniswapV3--Swap

对于该UniswapV3池子,若ETH突然上涨，价格到达1ETH=100DAI，此时就会有套利者在该DEX中用DAI兑换ETH来套利，为了将其达到与外部平衡，将有P=80==>P'=100，根据白皮书，Swap计算价格变化如下：

将根号后的起始价格P和结束价格P'带入，可以计算得到△y≈151.09，而△x≈1.689。

若Swap的资产假设该流动性提供者按照L比例划分了37.5%，于是该流动性提供者分摊x≈0.6334，y≈56.66

于是我们得出如下表格：

我们将其百分比化：IL_V3=(540-533.31)/540≈1.239%

集中流动性放大了资产L的占比，提高资产效率的同时承担了更多的无常损失。当然，这只是选择做市区间比较小，同时分摊比例较大的情况，现实会有许多人根据投入的L占比大小来分摊这笔swap。并且该笔swap由于本身比较大，几乎占了总资产的21.113%，进而显得无常损失的百分比很大，这也印证了盲目做市所带来的亏损。另外，价格波动对其也存在影响，只上涨到P=85时IL_V3约为0.58%。

UniswapV2--添加流动性

而对于UniswapV2，假设原池中的资产量为10个ETH和800个DAI，即P为80DAI/ETH。

流动性提供者投入了3ETH和240DAI，此时则存在13个ETH与1040个DAI，价格仍为80DAI/ETH，比重占23.077%，新的K为13520。

UniswapV2--Swap

当ETH突然上涨，价格到达1ETH=100DAI，此时就会有套利者用DAI兑换ETH来套利。

设共用△y个DAI兑换△x个ETH后，AMM池中ETH:DAI价格达到与外部平衡的1:100

不考虑手续费等因素，则有：

解得dx≈1.3724,dy≈122.76，即套利者给了122.76个DAI，换走了1.3724个ETH。池子-1.3724个ETH，+122.76个DAI

这将在所有比重中分担，于是提供者分担23.077%，即失去0.3167个ETH，换取28.33个DAI，我们得出如下表格：

IL_V2=(540-536.66)/540≈0.6185%

具体将会取决于在V3做市区间，越小则杠杆越多，x'和y'越大，同时无常损失和手续费收益也会越多。

当然，用户也可以如V2一样将流动性分摊到整个曲线中去而不是某个线段，即在0到正无穷进行做市：