DeFi 基础 - Uniswap

Summary

目前Uniswap是Defi现货交易的一个重要基础，只要你想接触区块链就会碰到它，并且它的设计范式是被整个行业参考和借鉴。从2018年开始，截止到目前为止一共更新了四个版本，每个版本都有自己的特性，接下来我们逐一讲解

V1

V1版本是Hayden Adams工程师用Vyper（pyhton版的evm语言）实现的一版，主要证明了

• 恒定乘积AMM是能跑的
• 引入了 LP token概念
• 不需要对手方也可以成交的

核心公式就一个 x * y = k

这个版本也有很强烈的限制，比如

• 仅支持ETH<-> ERC20池，任意一个token必须和ETH做对
• 手续费固定0.3%
• 没有价格预言机

这些问题也催生出了V2

V2

V2版本于2020年，它保留了V1的 x * y = k公式，在生态层面作出了几个关键升级。

任意ERC20/ERC20池

放弃了V1必须走ETH的路线，允许任意两种ERC20直接组池。

这个变化的连锁反应超出预期：

• 稳定币直兑池爆发——USDC/USDT、DAI/USDC 池深度很快超过 CEX
• 新代币发行更灵活——项目方发币时可以直接和自己的稳定币建池，不必先兑 ETH
• 长尾市场繁荣——SUSHI/YAM、YFI/YFV 这些 DeFi meme 时代的核心资产都在 V2 上诞生

TWAP预言机

在每一个pair合约（一个交易对，USDC/WETH）中记录一个累积价格，每次swap时进行更新，

priceCumulativeLast += 当前价格 * 时间间隔

例如：在T1时刻记录一次priceCumulativeLast,T2时刻再记一次，获取时，者着相减/时间差，得到T1到T2之间的时间加权平均价格。

举个例子：

累积价格的变化过程（假设 0 秒时读到的值是 0）：

600s 时刻的 swap 触发更新：

累积价格 += 2000 × 600 = 1,200,000

900s 时刻的 swap 触发更新：

累积价格 += 2100 × 300 =   630,000  → 累计 1,830,000

1800s 时刻我读取（触发更新）：

累积价格 += 1900 × 900 = 1,710,000   → 累计 3,540,000

套入公式：

TWAP = (结束时累积价格 - 开始时累积价格) / 时间差 = (3,540,000 - 0) / 1800 = $1966.67

这种机制可以有效的防止被闪电贷在单块内操纵价格

手续费开关（Fee switch）

V1中所有的手续费都给了LP，在V2中引入了一个开关，这个开关通过治理打开，一打开，0.3%手续费中的1/6就会被切到协议金库，这个开关，好像从上线开始到现在一直没有打开过，直到2024年，才在部分池子中开启。

合约Core/Periphery分离

V2 将整体合约分为Core/Periphery两部分，Core包含

• UniswapV2Factory（所有的pair都有此创建）
• UniswapV2Pair （所有的钱都在这里）
• UniswapV2ERC20（Pair继承的LP Token的实现，支持permit离线签名操作）

作为核心，极简、不可升级、并且管钱。

Periphery（外围合约）包括

• UniswapV2Router02 （用户的实际入口，多跳路径规划、滑点保护等功能都在这里）
• UniswapV2Library （工具库）

这种设计让核心合约（pair）保持极简，业务逻辑放在 Router。Router 可以升级、可以被别的协议替换。这个"Core / Periphery"分离思想被后续所有 Uniswap 版本沿用。

V3

V3是在2021年上线的，这次升级让pool的资本效率提升了100倍以上，同时对散户的门槛也提高了，是个对散户不是很友好的版本。

CLMM（集中流动性）

在一个 USDC/USDT 池子中。这两个稳定币的价格几乎永远在 $0.999 ~ $1.001 之间波动。但 V2 的公式是 x * y = k——流动性均匀分布在 0 到 ∞ 的所有价格区间，例如下图：

流动性密度
     │
     │ ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━  ← V2:每个价格上摆的流动性都一样(均匀分布)
     │
     └──────────────────────── 价格
     0        1              ∞

在以前情况，池子都要保持流动性

• 价格 = 0.5 时：需要有钱（万一价格砸到那）
• 价格 = 2 时：需要有钱（万一价格涨到那）
• 价格 = 10、100、10000 时：也都得有钱

结果就是：99.9% 的流动性趴在永远不会被用到的价格区间。你放 100 万美元进 USDC/USDT V2 池，真正在 $0.999-$1.001 之间被使用的可能只有 1000 美元。资本效率 = 0.1%，证明过程如下，包含挺多的数学公式，不想看的可以跳过：

证明：
  第一步:把池子状态用公式表示

  V2 公式:x * y = k(x = USDC 数量,y = USDT 数量)

  价格定义:p = y/x(1 个 USDC 值多少 USDT)

  由这两条可以解出,任意价格 p 时池子里的资产量:

  x = √(k/p)        y = √(k·p)

  第二步:代入"100 万美元、价格 = 1"

  价格 p = 1 时,x = y = √k,池子总价值:

  总价值 = x + y = 2√k = $1,000,000
  所以 √k = 500,000
  即池子里:50 万 USDC + 50 万 USDT

  第三步:算"价格从 1.001 走到 0.999,池子里实际动了多少钱"

  "被用到的资金" = 价格在这条缝里来回时,真正参与成交(被换进换出)的资产量。

  价格 p = 1.001 时:
  y = √k × √1.001 = 500,000 × 1.00049988 ≈ 500,250 USDT

  价格 p = 0.999 时:
  y = √k × √0.999 = 500,000 × 0.99949987 ≈ 499,750 USDT

  USDT 的变动量:
  Δy = 500,250 − 499,750 ≈ 500 USDT

  同样算 USDC(x = √(k/p)):
  p=0.999 时 x ≈ 500,250,  p=1.001 时 x ≈ 499,750
  Δx ≈ 500 USDC

  第四步:得出结论

  价格在 $0.999 ↔ $1.001 之间扫完整个区间,池子里真正被换手的资产:

  Δx + Δy ≈ 500 + 500 = $1,000

  资本效率:
  1,000 / 1,000,000 = 0.1%

  其余 99.9 万美元,无论价格在这条缝里怎么震,一动不动 —— 它们只有在价格跑出这个区间时才会被动用。

V2的资金利用率就好像你开了一家只做午市的餐厅,但你雇了 100 个服务员 24 小时三班倒站岗 —— 半夜 3 点也有很多服务员站在空餐厅里，做服务的永远只有午市的那几个服务员，剩下的服务员工资都白给了。

V3出来之后，会让提供流动性之前让你自己选择一个价格区间，同样 100 万美元产生的有效流动性相当于 V2 的 ~500 倍（因为流动性密度提升了）。但是同时也增加了LP的工作，你需要主动管理LP，当LP中只有单边时，会停止赚手续费，需要你手动调整，每次调整还需要付gas，还可能会重新开仓，所以散户可以直接放弃这个版本了。

Fee Tier

以前V2中，手续费固定0.3%，V3则提供4档

Tick系统

Tick

这个是为了解决LP任意边界而产生的，先看没有Tick的世界有多糟

假设允许任意边界,池子里有三个 LP:

张三: [0.99871, 1.00133] 放了 10 万
李四: [0.99902, 1.00087] 放了 10 万
王五: [0.99913, 1.00121] 放了 10 万

现在价格从 1.0008 涨到 1.0009。合约必须回答一个问题:“这一步有没有跨过谁家的边界?”

怎么回答？只能把所有仓位挨个查一遍:张三的上边界 1.00133 过了吗?李四的 1.00087 过了吗?王五的呢……池子里有 1 万个 LP,就查 1 万次。每笔 swap 都这么查,gas 天文数字。

问题的根源:每个人的边界都是"私有的",合约必须认识每一个仓位（这个问题是不是很像开发过程中，你需要遍历所有的数组的情况），在EVM中每次读取一次数据，会有2100的gas，如果每一个仓位都要读取的话，那gas消耗就不是一般的大了。

解决：价格的边界只能选在预设刻度上(tick)。于是:

张三: [tick -13, tick +13] （计算公式： tick = ln(price) / ln(1.0001)， 为什么用1.0001，是因为 log_1.0001(x) 让每个 tick 之间的价格差 ≈ 0.01%（1 basis point）——这是 CEX 交易员熟悉的最小 tick size） 李四: [tick -10, tick +9] 王五: [tick -9, tick +12]

关键变化发生了 —— 边界的"种类"变得有限了。张三、李四、王五各自的钱不同、区间不同,但他们的边界都落在 -13, -10, -9, +9, +12, +13 这六根钉子上。

于是合约可以换一种记账方式:不给"人"记账,给"钉子"记账。

每根被使用的钉子上挂一个数字,叫 liquidityNet(流动性净变化):

钉子 -13: +10万 ← 价格从下往上跨过这里时,张三的钱上岗 钉子 -10: +10万 ← 李四的钱上岗 钉子 -9: +10万 ← 王五的钱上岗 钉子 +9: -10万 ← 李四的钱下岗 钉子 +12: -10万 ← 王五的钱下岗 钉子 +13: -10万 ← 张三的钱下岗

现在价格上涨跨过钉子 +9 时,合约根本不需要知道李四是谁,它只做一个动作:

当前在岗流动性 = 30万 + (-10万) = 20万

一次加法,完事。1 万个 LP 和 3 个 LP,跨钉子的成本一模一样 —— 因为所有人的边界都被"合并同类项"到了有限的钉子上。

这就是不允许边界，预设刻度的全部含义，让合约按tick记账，而不是按照人来记账（你的明细存放在你自己的仓位NFT上）。

新问题：

按照tick来记账，怎么才能快速的找到下一个tick呢，V3的tick范围是 -887272 到 +887272,约 177 万根钉子。但刚才的池子里只有 6 根钉子有流动性，其余177多万根全是空的，那要怎么才能快速找到呢。

V3使用Bitmap:用 1 个比特标记 1 根钉子

解法是给全部钉子建一张位图(bitmap) —— 每根钉子对应 1 个比特:

该钉子挂了账(被初始化) → 1 该钉子是空的 → 0

以太坊的一个存储槽是 256 位,正好可以打包 256 根钉子的状态:

槽 0 管 tick 0~255: 0000000001000000…0010000000… ↑ ↑ tick 9 = 1 tick 12 = 1

现在"找下一根有账的钉子"变成了:

① 读 1 个存储槽(拿到 256 根钉子的 0/1 状态) ← 1 次读,2100 gas ② 用位运算在这 256 位里找下一个 1 ← 纯计算,几乎免费

一次读取覆盖 256 根钉子。就算下一根有账的钉子在几千格外,也只需要读十几个槽,而不是几千次。这就是 bitmap 的全部作用:把"大海捞针式的逐格扫描"压缩成"一页页翻目录"。

Tick spacing(间距)

tick一共有177多万根钉子，如果每一根都使用，那算下来也是一笔很大的gas消耗，所以针对不同的代币，使用不用的spacing，例如：

• 主流币池(0.30% 费率, spacing = 60)，每 60 根钉子才有一根能用
• 长尾币池(1.00% 费率, spacing = 200)，每 200 根钉子才有一根能用

V4

V4于2025年1月上线，代号Hooks + Singleton。这一版主要是让Uniswap从"一个协议"变成了"一个可编程 DEX 引擎"。

Hooks - 核心

Hooks 让每个池子可以挂一个外部智能合约作为"回调"，在特定 swap 生命周期节点被自动调用：

有了 Hook，你可以在同一个 Uniswap V4 引擎上实现：

• 动态手续费：beforeSwap 里根据市场波动率调整 fee（这个也是路由服务里面一个重要的工程）
• 限价单：afterSwap 里检查当前价格，达到用户预设条件时自动执行
• KYC 池：beforeSwap 里验证调用者是否在白名单
• 自定义预言机：afterSwap 里更新自己的 TWAP 存储
• MEV 保护：beforeSwap 里检测 sandwich 并拒绝
• 激励分发：afterAddLiquidity 里给 LP 空投别的代币

这就是 “DEX 变平台"的意思——之前想做这些事得部署一个新的 DEX（Bancor 特殊设计、Balancer 加权池、Curve StableSwap）。现在都可以是V4 上的一个 Hook 合约。

Singleton架构

V2/V3 里，每个 pair 都是独立部署的合约。以太坊主网上有数万个 V2/V3 pair 合约。这意味着：

• 每次跨多个池子路由，都要跨合约调用（贵）
• 部署新池子要花 gas
• 数据是碎片化的（要查 100 个池子的状态得读 100 个合约）

V4 把所有池子塞进一个合约（PoolManager），池子只是这个合约里的一个数据结构（storage）。

好处：

• 创建新池子 gas 降低 99%（从部署合约变成写几个 storage slot）
• 多跳 swap 只需要一次合约调用
• 支持"闪电记账”（flash accounting）——一次交易内的多个 swap 可以只做净结算，中间状态不落地

Uniswap X

在跨链场景中，如果你想swap 10000USDC -> ETH，传统流程是，调用Router计算最优路径，签一笔交易，支付gas，承担滑点，并且自己防范MEV（三明治）攻击。

而Uniswap X的思路是，用户不再签"我要在池子 X 用路径 Y swap"，而是签"我要用最多 10000 USDC 换到不少于 5.5 ETH"（intent）。

然后Filler 网络，会去竞争这个intnet，流程如下：

1. 你签一个 EIP-712 结构化订单，广播到 Uniswap X orderflow 网络
2. 各个 filler 在链下算怎么最便宜地填充你（他们可能用自己的库存、可能路由到 Uniswap V4、可能路由到 CEX 库存桥回来）
3. 出价最高的 filler 中标，链上执行，并且无MEV。
4. 你付 0 gas（filler 付），拿到承诺的最低金额

底层机制： filler(做单人)在目标链先垫付你要的币,再回源链领走你付的币 —— 由 The Compact(资源锁)做安全结算

目前这个版本已经上线，最新的动态是已经在Robinhood Chain上线。

PS：这个感觉就很像广告中的RTB。

最后说一句

感觉区块链就是数字的游戏，里面的包含太多的数学知识了