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3分钟弄懂以太坊Gas和支付

以太坊正是使用 Gas 来解决 “谁为服务买单” 的问题。

2019年9月30日 10:41 以太坊 加密货币

来源/以太坊爱好者

又是激动人心的一刻,我们再次推出关于以太坊黄皮书的博文了!在这篇文章中,我们会学到更多关于Gas 和支付的以太坊相关知识,了解以太坊背后的经济学理论,以及解释为什么手续费在以太坊生态系中如此重要。

读完这篇博文,你就会知道为什么交易成本被称为 Gas,明白 gasPrice 与 gasLimit 之间的区别,也能了解矿工节点选择待打包交易的策略。(此篇博文参考以太坊黄皮书第 5 章)

本文是以太坊解析系列的第三篇文章。

(免责声明:本文基于 2018 年 11 月 27号拜占庭 127780ac 版本的黄皮书进行介绍)


介绍

我刚开始学习以太坊时,最先碰到的困惑就和交易手续费有关。我的疑惑是,“如果我可以免费获得与 Dapp 相同的服务,为什么还要花钱用 Dapp?”——很快地,我就意识到自己很傻很天真。

计算是有成本的——我不是指花在购买笔记本和平板电脑上的开销,而是指运行虚拟机、数据存储、信息处理等等服务的成本。今时今日,我们都非常习惯免费的服务,却常常忘了一个关键点:有人在为这些服务买单!你正在免费使用的 Gmail 或 Yahoo 邮箱,如果要使整个服务保持正常运行,邮件提供商就要为服务器、数据存储,及基础设施买单。如果你有 Facebook 或 Instagram 账号,那你肯定知道,在云端处理、安全存储你所上传的照片都需要成本。所以现在的免费服务和 Dapp 的付费服务,唯一的区别只是买单的人的不同(免费服务不由你直接买单罢了)。

现在,我们将以太坊网络试想成一部巨大的计算机,能够实现运算及读写数据。这与放在你自己家里的计算机不同,这部巨型计算机(以太坊)由所有人所共有,只要有以太坊账户,任何人都能与整个平台进行交互,像是转移以太币、部署智能合约等等。但囿于分布式系统的原生限制,“谁来为这些服务买单”的问题就比较难回答了。

Gas

Gas 是以太坊中所有计算量的计价单位,以太坊正是使用 Gas 来解决 “谁为服务买单” 的问题。你想要转账给另一个以太坊账户吗?你想要部署智能合约来存储手机通讯录吗?没问题,请先支付 Gas 。

这很容易让人联想到,汽车和燃油的关系:如果你想从 A 地开车到 B 地,一定要耗费部分燃油;同理,如果你想要在以太坊 EVM 上执行某些运算,也要支付 Gas。车想要开得越远,则需要越多燃油;想要在以太坊上进行越多计算,则要支付越多 Gas。

我们可以在以太坊黄皮书的附录 G,找到每一种 EVM 运算对应所需要消耗的 Gas 数量;这些数值看起来很随意,但其实背后是有道理的。一般来讲,这些数值反映了执行运算的成本(按时间维度度量),和占用的永久存储器资源(当写入数据的时候)。如果想要了解更详细的 Gas 成本计算公式,可以查阅 “以太坊 1.0 Gas 成本表”。我不太确定它与最新采用的 Gas 消耗量是否一致,但至少能让你对操作码的 Gas 耗用量制定原则更有概念。

从另一个角度来说,以太坊采取使用者付费的模式,能够避免资源的滥用。一旦你必须为每种运算支付费用,你就会尽可能的将代码写得简洁高效;Gas 的存在还能阻止攻击者通过无效运算,对以太坊网路进行泛洪(Flooding)攻击。(除非攻击者愿意支付一大笔钱来执行无效运算)

gasPrice 和 gasLimit

现在我们明白了 Gas,是时候谈谈 Gas 究竟要如何定价;先让我们回到汽车和燃油的例子。

如果你的车子油箱容量为 50 升,装满这个油箱你要支付多少钱?这取决于加油站每升的油价对吧?以太坊中 Gas 的定价也是一样的!如果你要执行的交易需要耗费 10 Gas,则你要支付的费用取决于每单位 Gas 的价格。

那我们怎么知道每单位 Gas 的价格是多少呢?有种误导性的说法是:自己爱定多少就定多少。虽然从技术角度来讲没有错,但要具体知道 Gas 的定价,我们需要更多知识作为铺垫。

如果你读过以太坊解析系列的上一篇文章,应该记得以太坊交易结构中,除了其他部分,还包含了 gasPrice 和 gasLimit。

gasPrice 表示交易发送方对每单位 Gas 愿意支付的价格(以 Wei 计量),这意味着交易发送方可以自定义愿意支付的每单位 Gas 价格。假设一笔交易需要耗费 10 Gas,而我们愿意支付 3 Wei/Gas ,则发送这笔交易的成本总价就是 30 Wei(非实际数值,只是便于大家理解怎么计算的)。

gasLimit表示交易发送方最多能接受多少 Gas 被用于执行此交易。因为有时候,你无法确切知道执行一笔交易要耗费多少 Gas;又或是你的智能合约中,有永远跳不出的死循环 bug,假如没有 gasLimit,这会导致发送方的账户余额被误消耗殆尽。gasLimit 就是一种安全机制,防止有人因为错误估算或 bug 而把账户中所有以太币消耗掉。

另一个有趣的点是,gasLimit 可以被视为预付的 Gas。当节点在验证交易时,先将 gasPrice 乘 gasLimit 算出交易的固定成本。如果交易发送方的账户余额小于交易固定成本,则该交易视为无效。交易执行完之后,剩余的 Gas 会退回至发送方账户;当然,如果交易执行中 Gas 耗尽,则不会退回任何东西。这也能解释为什么交易发送方总是将 gasLimit 设得高于预估的 Gas 量。

搞清楚这两个参数的意思之后,你可能会想问:“为什么是交易发送方自行决定每单位 Gas 的价格”。如果你跑去最近的加油站告诉收银员,“每升油我就愿意支付 5 分钱”;好一点的收银员可能就一笑而过,而理智的收银员可能会报警。所以想要了解设计机制,你需要知道矿工节点的工作以及手续费是什么。

矿工

区块是包含一组交易集合的数据结构,而以太坊中的矿工节点负责创建链上的区块。创建区块的时候,矿工会从交易缓存池(等待打包的交易堆)中选择交易并开始出块。

我现在不展开以太坊挖矿算法的细节(也许后续文章会讨论),大家只需要记住挖矿是个昂贵的过程,所以如果挖矿没有回报,那肯定没有矿工愿意干!

在以太坊中,每当矿工成功创建一个区块,就能获得定额的出块奖励及引用叔块的奖励(不在此展开),同时还能获得包含在这个区块中的所有交易的手续费;所以交易中的 gasPrice 设置得越高,矿工就能得到越多交易手续费。如果你想要知道关于矿工奖励的更多信息,请参考此处。

我们假设一个简单的场景。Bob 的账户里有 200 wei,John 的账户里有 100 wei,他俩都想要发送一笔需要耗用 90 Gas 的交易。

Bob 设置 gasLimit = 100,gasPrice = 2;John 想将 gasLimit 设为 200,但不幸的是他只有 100 wei,这样设置会使得交易固定成本高于账户余额;所以 John 最终设 gasLimit =100, gasPrice =1。

当进入选择交易打包进块的环节时,矿工倾向选择手续费更高的交易。在我们的例子中,Bob 的 gasPrice 比 John 的高两倍;因为两笔交易都需要 90 Gas,所以矿工选择 Bob 的交易能获得两倍的手续费奖励。

-矿工会选择 gasPrice 最高的交易-

由交易发送方付费来奖励矿工的机制,在以太坊中形成一种能自我调节的经济体系。交易发送方千方百计想要降低交易成本,而矿工总是希望收益最大化,两者形成一种平衡。作为交易发送方,如果你把 gasPrice 设得越高,意味着矿工越有动力打包你的交易,则你的交易能越早被装进区块。

有的矿工甚至会设置自己的 gasPrice 下限,直接忽略那些 gasPrice 小于下限的交易。

当发送交易时,我们很难知道当前有效的最小 gasPrice 是多少。这些工具能够扫描整个以太坊网络,算出当前其他交易的 gasPrice 均值,帮助发送方选择能被矿工接受的合理 gasPrice。

结论

从本文中,我们学到了就像汽车消耗燃油一样,执行以太坊交易需要消耗 Gas。希望本文能让大家了解计算需要成本,以及为什么我们需要付费才能获得以太坊的服务。

我们还探讨了 gasPrice 和 gasLimit 的重要性;如果智能合约出现 bug 或估算错误,gasPrice 能保护使用者避免平白损失以太币

再者,我们还研究了交易手续费背后的经济机制,以及矿工如何选择交易以达到收益最大化。现在我们知道如何调整 gasPrice ,让自己发出的交易更吸引矿工,从而使得交易被更早打包。