Gas 費調整是個長久的概念和過程,目前來看,最終的解決方案還是在於以太坊 2.0。

原文標題:《以太坊 Gas 費的 2 個 key 和 21 個 EIP》
撰文:Li

Gas 費問題是目前以太坊 1.0 鏈面臨最嚴重的問題之一,儘管以太坊的算力很多,但任務能力因爲區塊鏈的結構問題(每個全節點計算同樣的數據,因此任務都在搶單個節點的計算資源),以太坊在處理大量任務的時候會擁堵,擁堵後,Gas 費會很高。

DeFi 應用爆發式增長,讓這種現象愈演愈烈。這裏要提到的是,以太坊除了打包區塊鏈交易外,智能合約等也是發佈到鏈上的,所以智能合約在鏈上執行的時候要消耗資源,因此用戶在 DeFi 裏做的幾乎每一步,都需要支付 Gas 費,這也是 Gas 模型的一個問題所在。

近日以太坊社區對 EIP-1559 的討論也是更加激烈,因爲有很多的礦池並不同意部署這個提案,這個提案調整了 Gas 費的構成,雖然無法解決 Gas 高的問題,但可以提升對 Gas 費的預期,完善體驗。

還有一個近期的相關消息,3 月 16 日,以太坊的一位開發者 Philippe Castonguay 提出了另一個提案 EIP-3382,提議將區塊 Gas 限制固定爲每區塊 12,500,000 Gas。並且更新塊驗證規則,如果 Gas 限制不等於 12,500,000,則區塊無效。這是爲了對區塊 Gas 限制達成共識,並且不受礦工制約。

在原來的規則中,區塊 Gas 限制是以太坊中唯一不由節點一致性決定的數據部分,是由礦工選擇的參數。他認爲這是一個關鍵參數,需要節點一致性,以避免少數參與者對網絡其餘部分施加任何突然的有害變化。

像 EIP1559、EIP-3382 這樣對 Gas 費進行調整的提議很多,因爲 Gas 費在以太坊運行過程中佔據了重要地位,所以,Gas 費有很多歷史故事,如果把所有關於 Gas 費的消息全部瀏覽完畢,可以發現,解決 Gas 費並非易事。

今天,白計劃團隊會爲讀者在文中提及大約全部以太坊的 Gas 費關聯資料,包含設計變化、EIP 修訂等。願您有所用。

如果想要理解 Gas 費,從 TXStreet 的動態圖像可以很形象去理解。

深入理解以太坊 Gas 機制:從概念起源和 21 個 EIP 開始TXStreet 將以太坊區塊打包過程形象化爲交通運輸

如果把區塊打包抽象成一個汽車載人運輸過程,會遇到道路寬度有限、汽車容量有限因素,所以進入汽車的過程就會有競爭,可以理解爲以價高者的,而平均的費用也會因擁堵被「哄擡」。

汽車行駛的道路,是基礎資源,需要支付「過路費」來 Cover,而打包需要的 Gas 費是「Gas 費」,羊毛出在羊身上,Gas 費用來最終支付「過路費」。所以 Gas 費(Gas 費)就是最終支付以太坊的資源使用的費用。

早期關於 Gas 的第一個 key

Gas 的概念是來自計算機領域,在以太坊裏看到,最早來源於以太坊黃皮書,黃皮書的作者是 Polkadot 創始人 Gavin,說起來很嚇人,以太坊黃皮書指出,理論上,交易中包含的 Gas 可以是任意值,因爲理論上要涵蓋更多交易,最高可達 2 ^ 256 (可涵蓋與已知宇宙中的原子數幾乎一樣多的交易)。

雖然設計無限,但處理能力是有限的,在 Geth 1.6 版本中,Gas 計算切換爲使用 64 位值,這樣 Gas 限制爲 64 位的單個塊可以容納的交易量是人體中紅細胞數量的 44 倍。不過這是理論,現實遠遠大相徑庭。

在這個版本確認前,還有一個較爲有趣的細節,在 Vitalik 設計的以太坊 Gas 模型裏,是把 Gas 費支付過程默認在合約裏,也就是一個合約執行過程中,合約中的餘額會減少,如果餘額因爲執行消耗不足了,合約會暫停。

深入理解以太坊 Gas 機制:從概念起源和 21 個 EIP 開始早期以太坊合約裏執行設置的內置扣費

而後來 Gavin 開始參與以太坊,進入後就修改了 Gas 的付費機制,從這種合約執行支付變成了轉賬人支付,也就是合約執行人支付。Vitalik 描述爲,從「合同付款」方式轉變爲「發送者付款」方式,以代替每個單獨的交易步驟立即拿走一點 ETH。

深入理解以太坊 Gas 機制:從概念起源和 21 個 EIP 開始以太坊早期 Vitalik 和 Gavin 在迷你黑客松上,中間的大神是 Jeffrey

這是比較容易理解的「Gas 費支付」。如果解剖更細節的部分,我們要看黃皮書裏 Gas 的關聯部分。

Gas 是以太坊中所有計算量的計價單位,想要在以太坊上進行越多計算,則要支付越多 Gas。

這種採取使用者付費的模式,能夠避免資源濫用。可以理解爲一旦開發者爲每種運算支付費用,就會盡可能將代碼寫得簡潔高效,另外,Gas 的存在還能阻止攻擊者通過無效運算(因此執行很多操作都需要花費 Gas),對以太坊網路進行泛洪(Flooding)攻擊,下文中統計的一個 EIP 就是提高了對賬戶訪問的 Gas 值來減少攻擊可能性的。

除了知道哪裏需要付 Gas,我們還需要了解 GasPrice 和 GasLimit。

GasPrice 爲交易發送方對每單位 Gas 願意支付的價格(以 Wei 計量),交易發送方可以自定義願意支付的每單位 Gas 價格。假設一筆交易需要耗費 10 Gas,發送者願意支付 3 Wei/Gas ,交易的成本總價就是 30 Wei,在我們使用的錢包裏都會有調整 Gas 費的高級選項。

GasLimit 爲交易發送方最多能接受的用於執行交易的 Gas 量。假如沒有 GasLimit,可能會導致發送方的賬戶餘額被誤消耗殆盡,GasLimit 是安全機制,防止把賬戶中所有 ETH 消耗掉。

另外,GasLimit 也可以被定義爲預付 Gas。當節點在驗證交易時,先將 GasPrice 乘 GasLimit 算出交易的固定成本。如果交易發送方的賬戶餘額小於交易固定成本,則該交易視爲無效。交易執行完之後,剩餘的 Gas 會退回至發送方賬戶,這也是爲什麼我們在使用 MetMask 執行合約的時候,預估 Gas 很貴,但執行完畢價格並沒有那麼高。

深入理解以太坊 Gas 機制:從概念起源和 21 個 EIP 開始一個區塊裏包含的內容

這是一個區塊裏的固有內容,在交易部分,有 237 筆轉賬和 39 筆合約內部交易,如果具體查看交易就可以看到更詳細的 Gas 費花銷。也可以看到燃料限制爲 12493113,文章開頭提到的 EIP-3382 中,將每個塊的 Gas 限制限制在 12500000,就是這個部分。這樣,每個塊裏拿到的獎勵總和會比較可控。

關於 ETH1.0 鏈,有一個每個操作碼的 Gas 費計算,我們截取了其中價格較高的部分,供讀者參考。操作碼最終會決定了鏈的執行和資源的使用。例如,一個基本的思路是,假如創建合約。成本計算如下:

固有成本 = Gtransaction + Gtxdatazero * Nzeros + Gtxdatanonzero * Nnonzeros + Gtxcreate

其中:

  • Gtransaction = 21,000 Wei
  • Gtxcreate = 32,000 Wei
  • Gtxdatazero = 4 Wei
  • Gtxdatanonzero = 68 Wei (在伊斯坦布爾升級時會改爲 16 wei)

大家可以對以下的操作碼對號入座。

深入理解以太坊 Gas 機制:從概念起源和 21 個 EIP 開始以太坊 1.0 鏈的操作碼對應的 gas 值消耗

據以上的介紹,我們可以得到的基本理解是,Gas 費是因爲使用以太坊的鏈上資源產生的,計算越多,Gas 越高,在智能合約合約操作裏,每個單獨的步驟都需要支付 Gas。另外,補充一點,如果發送者把 Gas 設置的很高,礦工會優先執行交易,因爲礦工可以選擇優先打包某些交易。

21 個與 Gas 費息息相關的 EIP

接下來我們就可以詳細看一下關於 Gas 的 EIP 提案。提案大約根據時間先後排列。

EIP-5: 調整 RETURN 和 CALL 的 Gas 用量

此 EIP 使得調用 RETURN 字符串和其他動態大小的數組的函數成爲可能。當前,當從以太坊虛擬機內部調用另一個合約 / 功能時,必須預先指定輸出的大小。還必須爲未寫入的內存支付費用,這使得返回動態大小的數據既昂貴又不靈活,以至於實際上無法使用。此 EIP 中提出的解決方案是僅對 CALL 返回時實際寫入的內存支付。

EIP-150:大量 IO 操作的 Gas 成本變化

  • 將 EXTCODESIZE 的 Gas 費用從 20 增加到 700。
  • 將 EXTCODECOPY 的基礎 Gas 成本從 20 增加到 700。
  • 將 BALANCE 的 Gas 費用從 20 增加到 400。
  • 將 SLOAD 的 Gas 成本從 50 增加到 200。
  • 將 CALL,DELEGATECALL,CALLCODE 的 Gas 費用從 40 增加到 700。
  • 將 SELFDESTRUCT 的 Gas 成本從 0 增加到 5000。
    如果 SELFDESTRUCT 命中一個新創建的帳戶,則會觸發 25000 的額外 Gas 費用(類似於 CALL)。
  • 將建議的 Gas 限制目標提高到 550 萬。

EIP-158:狀態清除

在任何情況下,call 餘額等都爲 0 的賬戶都不再消耗 25000 個帳戶創建 Gas 的成本

EIP-1108:降低 alt_bn128 預編譯 Gas 成本

橢圓曲線計算預編譯當前價格過高。對預編譯進行重新定價將大大有助於以太坊上的許多隱私解決方案和擴展解決方案。對於基於以太坊的基於 zk-SNARK 的協議,EIP-1108 不僅會大大降低驗證 zk-SNARK 的 Gas 成本,而且還可以幫助將多個 zk-SNARK 證明批量組合在一起。這也是一種可用於將單片 zk-SNARK 電路拆分爲一批具有較小單個電路尺寸的 zk-SNARK 的技術,這使得 zk-SNARK 都更易於構造和部署。

目前,這些交易的成本約爲 6,000,000Gas。此 EIP 可以將其減少到 1,000,000Gas,這使該協議更加實用。

EIP-1283:SSTORE 操作碼的 Gas 調整

該 EIP 提議對 SSTORE 操作碼進行計量更改,以實現合同存儲的新用法,並在與大多數實現工作方式不匹配的地方減少過多的 Gas 成本。這可以作爲 EIP-1087 的替代方案,在 EIP-1087 中,它嘗試對更改緩存使用不同優化策略的實施更友好。

EIP-2028:減少交易數據用氣成本

建議將 Calldata (GTXDATANONZERO)的 Gas 成本從當前的 68 字節降低到 16 字節,並通過數學建模和經驗估算來支持。

EIP-2200:淨 Gas 計量的結構化定義

此 EIP 爲 SSTORE 操作碼提供了淨 Gas 計量更改的結構化定義,可用於合同存儲的新用法,並在與大多數實現工作方式不匹配的地方降低了過多的 Gas 成本。這可以當作 EIP-1283 和 EIP-1706 的組合。

EIP-2565:ModExpGas 成本

爲了準確反映 ModExp 預編譯的實際操作成本,此 EIP 指定了一種用於計算 Gas 成本的算法。該算法估算了乘法複雜度成本,並將其乘以執行冪運算所需的迭代次數的近似值。

EIP-1559:ETH 1.0 鏈的收費市場變化

以太坊使用簡單的拍賣機制以歷史價格定價交易費用,用戶以出價(「 Gasprices」)發送交易,礦工選擇出價最高的交易,包含在內的交易按照指定的出價支付。這導致效率低下。

此 EIP 中的建議是從基本費用金額開始,該費用由協議根據網絡的擁擠程度上下調整。當網絡超出每塊 Gas 的目標使用量時,基本費用會略有增加,而當容量低於目標數量時,基本費用會略有下降。

由於這些基本費用的變化受到限制,因此不同塊之間基本費用的最大差異是可以預測的。然後,這允許錢包以高度可靠的方式爲用戶自動設置 Gas 費。預計即使在網絡活躍期間,大多數用戶也不必手動調整 Gas 費。對於大多數用戶來說,基本費用將由他們的錢包來估算。

EIP-2929:狀態訪問操作碼的 Gas 成本增加

增加的 Gas 成本 SLOAD (0x54)至 2100,以及 *CALL 操作碼家族(0xf1,f2,f4,fA)、BALANCE 0x31 以及 EXT*操作碼家族(0x3b,0x3c,0x3f)、以及 2600 免 CD (ⅰ)預編譯。此外,還可以改革 SSTORE 計量方式,確保對 SELFDESTRUCT 這些操作碼中固有的「實際存儲負載」進行正確定價。

通常,操作碼 Gas 成本的主要功能是估計處理該操作碼所需的時間,目標是使 Gas 限制對應於處理塊所需時間的限制。然而,存儲訪問操作碼(SLOAD,以及CALL,BALANCE 和 EXT操作碼)在歷史上被低估。在 2016 年上海 DoS 攻擊中,修復了最嚴重的客戶端錯誤後,攻擊者使用的一直奏效的策略之一就是簡單地發送可訪問或調用大量帳戶的交易。

提議的 EIP 將這些操作碼的成本增加了大約 3 倍,從而將最壞情況下的處理時間減少到大約 7-27 秒。數據庫佈局的改進涉及重新設計客戶端以直接讀取存儲而不是跳到 Merkle 樹上,這將進一步降低這種情況,儘管這些技術可能需要很長時間才能完全推出,並且即使採用這種技術,訪問存儲的 IO 開銷也會保持實質性。

EIP-1077: 合約調用的 Gas 中繼

採用 DApp 的主要障礙是需要多個 token 來執行鏈式操作。允許用戶簽名消息以顯示執行意圖,但允許第三方中繼器執行消息可以避免此問題,儘管以太坊交易始終需要 ETH,但智能合約可以採用 EIP-191 簽名並轉發付款激勵具有 ETH 的不受信任方執行交易。可以標準化它們的通用格式,以及用戶允許以代幣支付交易的方式,爲應用程序開發人員提供了很大的靈活性,並且可以成爲應用程序用戶與區塊鏈交互的主要方式。

EIP-1087:用於 SSTORE 操作的 Gas 計量

該 EIP 提議對 EVMSSTORE 操作的 Gas 收費方式進行更改,以減少不必要的 Gas 成本,併爲合同存儲提供新的用例。

EIP-1285:在 CALL 操作碼中增加 GcallstipendGas

Gcallstipend 將 CALL 操作碼中的費用參數從 2,300 增至 3,500Gas 單位。

EIP-1380:降低了內部調用的 Gas 成本

降低內部調用的 Gas 成本將極大地受益於諸如 Solidity 和 Vyper 之類的智能合約語言,這樣他們便能夠用 CALL 代替 JUMP 內部操作調用使用操作碼。

EIP-1613: Gas 站網絡

通過允許合同接受「代收貨款」併爲 Gas 付費,使非 ETH 用戶可以訪問智能合約(例如 dapp)。

與 dapp 通訊目前需要向 ETH 支付 Gas 費,這限制了 dapp 的採用僅限於以太坊用戶。因此,合同所有者可能希望爲 Gas 支付費用以增加用戶獲取量,或者讓其用戶以法定貨幣支付 Gas 費用。或者,第三方可能希望補貼某些合同的 Gas 成本。如 EIP-1077 中所述的解決方案可以允許來自不包含 ETH 的地址的交易。

EIP-1930:具有嚴格 Gas 語義的 CALL。如果沒有足夠的 Gas,請還原

添加智能合約功能,以使用特定數量的 Gas 執行 CALL。如果無法做到這一點,則應返回執行。

EIP-2045:EVM 操作碼的顆粒 Gas 成本

計算 EVM 操作碼(ADD,SUB,MUL,等等)通常相對於高估到用於存儲操作碼的 I / O ( SLOAD,SSTORE 等)。當前,最小的 Gas 成本爲 1 (即一種 Gas 單位),並且大多數計算操作碼的成本接近 1 (例如 3、5 或 8),因此可能降低成本的範圍受到限制。一種新的最小 Gas 單位,稱爲「顆粒」,是一種 Gas 的一部分,將擴大 Gas 成本的範圍,因此可以降低到當前的最低水平以下。

EIP-2046:降低了對預編譯進行靜態調用的 Gas 成本

將調用預編譯的基本 Gas 成本 STATICCALL 從 700 降低到 40。這將允許更有效地使用預編譯以及總成本低於 700 的預編譯。

EIP-2542:新的操作碼 TXGASLIMIT 和 CALLGASLIMIT

允許智能合約訪問有關當前交易和執行框架的 Gas 限制的信息。隨着中繼,元交易,Gas 費和帳戶抽象等概念的普及,對於某些合同而言,能夠絕對精確地跟蹤 Gas 支出變得至關重要。

EIP-3322:帳戶 Gas 存儲操作碼

通過將 Gas 從需求量較小的區塊移動到需求量較大的區塊,從而帶來了 Gas 供應彈性和價格穩定性。不幸的是,這獎勵了不必要的狀態增長。通過引入高級的 Gas 存儲機制,Gas 市場將需要較少的存儲和計算。

EIP-2780:減少內部交易 Gas

降低內在交易的成本 21,000 到 7,000Gas。

當前 21,000 交易的 Gas 內在成本使發送 ETH 的成本非常高,而小批量(數十美元)的成本通常高得令人望而卻步。雖然其他 EIP (例如 EIP-1559)也考慮了 Gas 價格和首次價格拍賣的變化,但如果以安全的方式進行,大幅降低發送 ETH 的成本並實現更大數量的此類交易將是積極的。

第二個 key:Rollup 與 Gas

早期的 Gas 故事是關於以太坊 Gas 費模式的制定,而目前來看,除了對 Gas 費降低外,最好的擴容和降低 Gas 費方式還有壓縮交易數據。

這便與 Rollup 關係很大。

一個簡單的以太坊交易(發送 ETH)需要約 110 個字節。但是,Rollup 中的 ETH 傳輸僅佔用 12 個字節,所以,Rollup 可能會使基礎鏈的可伸縮性提高約 10 倍,在特定的計算裏,採用 Rollup,可伸縮性甚至可以提高超過 100 倍。

這是絕對可觀的成績,這也是爲什麼 Eth2.0 成爲了以 Rollup 爲中心的開發路線。

Gas 費調整是個長久的概念和過程,是無數以太坊工程師對細節修復的結果,如果只查看單個 GasEIP 的調整,不足以感受到 Gas 費的重要和調整 Gas 費的難度。不過,可以肯定的是,以太坊 Gas 問題最終的解決方案,一定是 Eth2.0,請保持一顆期待的心吧。