净Gas计量的结构化定义

简单总结

这是一个实现了净 Gas 计量（net gas metering）的 EIP。它是 EIP-1283 和 EIP-1706 的结合版本，具有结构化定义，以便与其他 Gas 变更（例如 EIP-1884）互操作。

摘要

本 EIP 提供了 SSTORE 操作码的净 Gas 计量变更的结构化定义，为合约存储启用了新的用法，并减少了在与大多数实现的工作方式不符时出现的过高 Gas 成本。

这是 EIP-1283 和 EIP-1706 的结合。

动机

本 EIP 提出了一种在 SSTORE 上进行 Gas 计量的方法，利用了大多数实现普遍可用的信息，并要求对实现结构进行尽可能小的更改。

• 存储槽的原始值。
• 存储槽的当前值。
• 退款计数器。

受益于本 EIP 的 Gas 削减方案的用法包括：

• 同一调用帧内的后续存储写入操作。这包括重入锁、同一合约多重发送等。
• 在子调用帧和父调用帧之间交换存储信息，其中此信息不需要在事务之外持久化。这包括子帧错误代码和消息传递等。

EIP-1283 的原始定义造成了一种新的重入攻击现有合约的危险，因为 Solidity 默认会为简单的传输调用提供 2300 Gas 的“津贴”。如果 SSTORE 不允许在剩余 Gas 较低的状态下执行，这种危险可以很容易地缓解，而不会破坏向后兼容性和 EIP-1283 的初衷。

本 EIP 还通过参数替换了 EIP-1283 原始的 Gas 值定义，使其更加结构化，并更容易在未来定义更改。

规范

定义变量 $SLOAD_GAS$、$SSTORE_SET_GAS$、$SSTORE_RESET_GAS$ 和 $SSTORE_CLEARS_SCHEDULE$。这些变量的新旧值如下：

• $SLOAD_GAS$：从 200 更改为 800。
• $SSTORE_SET_GAS$：20000，未更改。
• $SSTORE_RESET_GAS$：5000，未更改。
• $SSTORE_CLEARS_SCHEDULE$：15000，未更改。

使用这些变量更改 EIP-1283 的定义。结合 EIP-1283 和 EIP-1706 的新规范将如下所示。术语 原始值、当前值 和 新值 在 EIP-1283 中定义。

用以下逻辑替换 SSTORE 操作码的 Gas 成本计算（包括退款）：

• 如果 gasleft 小于或等于 Gas 津贴，则当前调用帧因“Gas 不足”异常而失败。
• 如果 当前值 等于 新值（这是空操作），则扣除 $SLOAD_GAS$。
• 如果 当前值 不等于 新值
  • 如果 原始值 等于 当前值（此存储槽未被当前执行上下文更改）
  • 如果 原始值 为 0，则扣除 $SSTORE_SET_GAS$。
  • 否则，扣除 $SSTORE_RESET_GAS$。如果 新值 为 0，则将 $SSTORE_CLEARS_SCHEDULE$ 加到退款计数器中。
  • 如果 原始值 不等于 当前值（此存储槽为脏），则扣除 $SLOAD_GAS$。应用以下两条条款。
  • 如果 原始值 不为 0
    • 如果 当前值 为 0（也意味着 新值 不为 0），则从退款计数器中移除 $SSTORE_CLEARS_SCHEDULE$。
    • 如果 新值 为 0（也意味着 当前值 不为 0），则将 $SSTORE_CLEARS_SCHEDULE$ 加到退款计数器中。
  • 如果 原始值 等于 新值（此存储槽被重置）
    • 如果 原始值 为 0，则将 $SSTORE_SET_GAS - SLOAD_GAS$ 加到退款计数器中。
    • 否则，将 $SSTORE_RESET_GAS - SLOAD_GAS$ 加到退款计数器中。

实现还应注意，根据上述定义，如果实现使用 call-frame 退款计数器，则计数器可能变为负数。如果实现使用 transaction-wise 退款计数器，则计数器始终保持正数。

基本原理

本 EIP 主要实现了瞬时存储（transient storage）试图做的事情（EIP-1087 和 EIP-1153），但没有引入“脏映射”（dirty maps）概念或额外存储结构的复杂性。

• 我们不受 EIP-1087 优化限制的影响。EIP-1087 要求为存储更改保留一个脏映射，并隐含地假设事务的存储更改在事务结束时提交到存储 Trie。这对于某些实现效果很好，但对于其他实现则不然。在 EIP-658 之后，高效的存储缓存实现可能会使用内存中的 Trie（不进行 RLP 编码/解码）或其他不可变数据结构来跟踪存储更改，并且只在区块结束时提交更改。对于它们而言，可以知道存储的原始值和当前值，但无法迭代所有存储更改而无需承担额外的内存或处理成本。
• 与当前方案相比，它从不消耗更多的 Gas。
• 它涵盖了瞬时存储的所有用法。易于实现 EIP-1087 的客户端也将易于实现此规范。其他一些客户端可能需要进行一些额外的重构。尽管如此，运行时不需要额外的内存或处理成本。

关于 SSTORE 的 Gas 成本和退款，请参阅附录中关于本 EIP 满足的属性证明。

• 对于 实际使用的 Gas（即 实际使用的 Gas 减去 退款），本 EIP 在所有情况下都等同于 EIP-1087。
• 对于一个特殊情况，即存储槽被更改，重置为其原始值，然后再次更改，EIP-1283 会将更多的 Gas 移至退款计数器，而不是 EIP-1087。

检查 EIP-1087 动机中提供的示例（其中 $SLOAD_GAS$ 为 200）：

• 如果一个空存储的合约将槽 0 设置为 1，然后再设置为 0，它将被收取 $20000 + 200 - 19800 = 400$ Gas。
• 一个空存储的合约将槽 0 增加 5 次，将被收取 $20000 + 5 * 200 = 21000$ Gas。
• 从账户 A 到账户 B 的余额转移，然后从 B 到 C 的转移，所有账户都有非零的起始和结束余额，将花费 $5000 * 3 + 200 - 4800 = 10400$ Gas。

为了保持现有合约隐式的重入保护，如果剩余 Gas 低于 Solidity 中“transfer”/“send”给予的 Gas 津贴，则不应允许事务修改状态。以下是其他建议的补救措施和反对实施它们的理由：

• 放弃 EIP-1283 并避免修改 SSTORE 成本
  • EIP-1283 是一个重要的更新
  • 它已被接受并在测试网络和客户端中实现。
• 添加一个新的调用上下文，允许 LOG 操作码但不允许更改状态。
  • 在现有常规/静态调用之外增加了另一种调用类型
• 将 SSTORE 写入脏槽的成本提高到 >=2300 Gas
  • 使净 Gas 计量作用大大降低。
• 减少 Gas 津贴
  • 使津贴几乎无用。
• 将写入脏槽的成本恢复到 5000 Gas，但将 4800 Gas 添加到退款计数器
  • 仍然没有明确不变性。
  • 要求调用者提供更多 Gas，只是为了退款
• 添加合约元数据，指定每个合约的 EVM 版本，并且只将 SSTORE 更改应用于使用新版本部署的合约。

向后兼容性

本 EIP 需要硬分叉才能实现。预计不会增加 Gas 成本，许多合约将看到 Gas 减少。

执行 SSTORE 从未能在低于 5000 Gas 的情况下完成，因此它不会对以太坊主网引入不兼容性。Gas 估算应考虑到此要求。

测试用例

实现

待补充。

附录：证明

由于 存储槽的原始值 被定义为 当前事务 发生回滚时的值，因此很容易看出调用帧不会干扰 SSTORE 的 Gas 计算。所以，尽管下面的证明没有讨论调用帧，但它适用于所有带有调用帧的情况。我们将分别讨论 原始值 为零和不为零的情况，并使用 归纳法 来证明 SSTORE Gas 成本的一些属性。

最终值 是事务结束时特定存储槽的值。实际使用的 Gas 是 已用 Gas 减去 退款 的绝对值。我们用 $N$ 来表示对存储槽进行 SSTORE 操作的总次数。对于下面讨论的状态，请参阅“解释”部分中的 状态转换。

在下面的证明中，我们假设所有参数都没有改变，这意味着 $SLOAD_GAS$ 是 200。然而，请注意，无论 $SLOAD_GAS$ 如何变化，该证明仍然适用。

原始值为零

当 原始值 为 0 时，我们想证明：

• 情况一：如果 最终值 仍为 0，我们希望收取 $200 * N$ Gas，因为不需要磁盘写入。
• 情况二：如果 最终值 为非零值，我们希望收取 $20000 + 200 * (N-1)$ Gas，因为这需要将此槽写入磁盘。

基本情况

我们总是从状态 A 开始。第一次 SSTORE 可以：

• 进入状态 A：扣除 200 Gas。我们满足 情况一，因为 $200 * N == 200 * 1$。
• 进入状态 B：扣除 20000 Gas。我们满足 情况二，因为 $20000 + 200 * (N-1) == 20000 + 200 * 0$。

归纳步骤

• 从 A 到 A。之前的 Gas 成本是 $200 * (N-1)$。当前的 Gas 成本是 $200 + 200 * (N-1)$。它满足 情况一。
• 从 A 到 B。之前的 Gas 成本是 $200 * (N-1)$。当前的 Gas 成本是 $20000 + 200 * (N-1)$。它满足 情况二。
• 从 B 到 B。之前的 Gas 成本是 $20000 + 200 * (N-2)$。当前的 Gas 成本是 $200 + 20000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况二。
• 从 B 到 A。之前的 Gas 成本是 $20000 + 200 * (N-2)$。当前的 Gas 成本是 $200 - 19800 + 20000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况一。

原始值不为零

当 原始值 不为 0 时，我们想证明：

• 情况一：如果 最终值 保持不变，我们希望收取 $200 * N$ Gas，因为不需要磁盘写入。
• 情况二：如果 最终值 变为零，我们希望收取 $5000 - 15000 + 200 * (N-1)$ Gas。请注意 $15000$ 是实际定义中的退款。
• 情况三：如果 最终值 变为更改后的非零值，我们希望收取 $5000 + 200 * (N-1)$ Gas。

基本情况

我们总是从状态 X 开始。第一次 SSTORE 可以：

• 进入状态 X：扣除 200 Gas。我们满足 情况一，因为 $200 * N == 200 * 1$。
• 进入状态 Y：扣除 5000 Gas。我们满足 情况三，因为 $5000 + 200 * (N-1) == 5000 + 200 * 0$。
• 进入状态 Z：绝对 Gas 使用量为 $5000 - 15000$，其中 15000 是退款。我们满足 情况二，因为 $5000 - 15000 + 200 * (N-1) == 5000 - 15000 + 200 * 0$。

归纳步骤

• 从 X 到 X。之前的 Gas 成本是 $200 * (N-1)$。当前的 Gas 成本是 $200 + 200 * (N-1)$。它满足 情况一。
• 从 X 到 Y。之前的 Gas 成本是 $200 * (N-1)$。当前的 Gas 成本是 $5000 + 200 * (N-1)$。它满足 情况三。
• 从 X 到 Z。之前的 Gas 成本是 $200 * (N-1)$。当前的绝对 Gas 成本是 $5000 - 15000 + 200 * (N-1)$。它满足 情况二。
• 从 Y 到 X。之前的 Gas 成本是 $5000 + 200 * (N-2)$。当前的绝对 Gas 成本是 $200 - 4800 + 5000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况一。
• 从 Y 到 Y。之前的 Gas 成本是 $5000 + 200 * (N-2)$。当前的 Gas 成本是 $200 + 5000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况三。
• 从 Y 到 Z。之前的 Gas 成本是 $5000 + 200 * (N-2)$。当前的绝对 Gas 成本是 $200 - 15000 + 5000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况二。
• 从 Z 到 X。之前的 Gas 成本是 $5000 - 15000 + 200 * (N-2)$。当前的绝对 Gas 成本是 $200 + 10200 + 5000 - 15000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况一。
• 从 Z 到 Y。之前的 Gas 成本是 $5000 - 15000 + 200 * (N-2)$。当前的绝对 Gas 成本是 $200 + 15000 + 5000 - 15000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况三。
• 从 Z 到 Z。之前的 Gas 成本是 $5000 - 15000 + 200 * (N-2)$。当前的绝对 Gas 成本是 $200 + 5000 - 15000 + 200 * (N-2)$。它满足 情况二。

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