以太坊 Gas 机制详解(EIP-1559)

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更新于 2023-11-17 11:20
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如果把以太坊网络比作一名工人，那么 Gas 就是工人付出的劳动力。在工人完成工作后，需要支付劳动报酬。劳动报酬则等于每单位劳动力价格乘以付出的总的劳动力。每单位劳动力价格被称作 GasPrice, 其值由以太坊网络动态决定的。因此总的劳动报酬就是 Gas * GasPrice

以太坊中的 `Gas` 是执行智能合约和进行交易所需的一种衡量单位。它代表了网络中执行操作所需的计算资源。`Gas` 用于防止网络滥用和保证交易和智能合约的执行效率。每个操作和交易都有 `Gas` 消耗，用户通过设置 `Gas` 价格来为其支付。`Gas` 的机制帮助保持以太坊网络的健康运行，通过对资源消耗的计费来调节网络负载。

如果把以太坊网络比作一名工人，那么 `Gas` 就是工人付出的劳动力。在工人完成工作后，需要支付劳动报酬。劳动报酬则等于每单位劳动力价格乘以付出的总的劳动力。每单位劳动力价格被称作 `GasPrice`, 其值由以太坊网络动态决定的。因此总的劳动报酬就是 `Gas * GasPrice`

`GasLimit` 可以理解为愿意为多少劳动力买单。假如某项工作需要付出 100 的劳动力，但你只愿意支付 80 劳动力的费用。因此这项工作就无法完成。但当你愿意支付 120 劳动力的费用时，则会在工作完成后会退还这 20 劳动力的费用。类比到以太坊网络就是愿意为这笔交易最多支付多少 `Gas`

现有一笔如下所示的[交易](https://etherscan.io/tx/0x2a47d57a8bfd4b8fbfbbad922509b8bed45c470c73068de3623388c6d3aaf117):

![transaction.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2023/11/zar0RHTX6556db8006237.png)

可以看到 `Gas` 部分由以下部分组成:

- `Gas Limit & Usage by Txn`: `GasLimit` 和 实际花费的 `Gas` 以及其在 `GasLimit` 中的占比
- `Gas Fees`
  - `Base`: 基础 `GasPrice`
  - `Max`: 最大 `GasPrice`
  - `Max Priority`: 支付给以太坊节点矿工的 `GasPrice`
- `Burnt & Txn Savings Fees`
  - `Burnt`: 燃烧的手续费
  - `Txn Savings`: 交易节省的费用

`Txn Type: 2(EIP-1559)`: 根据 `EIP-2718` 明确交易类型为 2, 指明这是一笔 `EIP-1559` 的交易

## BaseFee

`BaseFee` 是 `EIP-1559` 提案中引入的一个机制，目的是改善以太坊的费用市场并提高用户体验。`BaseFee` 是每个区块的基础费用，它的目的是通过**自适应地调整费用**来反映网络的拥堵程度。

源码中 `BaseFee` 的计算如下:

```go showLineNumbers
func CalcBaseFee(config *params.ChainConfig, parent *types.Header) *big.Int {
	// If the current block is the first EIP-1559 block, return the InitialBaseFee.
	if !config.IsLondon(parent.Number) {
		return new(big.Int).SetUint64(params.InitialBaseFee)
	}

parentGasTarget := parent.GasLimit / config.ElasticityMultiplier()
	// If the parent gasUsed is the same as the target, the baseFee remains unchanged.
	if parent.GasUsed == parentGasTarget {
		return new(big.Int).Set(parent.BaseFee)
	}

var (
		num   = new(big.Int)
		denom = new(big.Int)
	)

if parent.GasUsed > parentGasTarget {
		// If the parent block used more gas than its target, the baseFee should increase.
		// max(1, parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)
		num.SetUint64(parent.GasUsed - parentGasTarget)
		num.Mul(num, parent.BaseFee)
		num.Div(num, denom.SetUint64(parentGasTarget))
		num.Div(num, denom.SetUint64(config.BaseFeeChangeDenominator()))
		baseFeeDelta := math.BigMax(num, common.Big1)

return num.Add(parent.BaseFee, baseFeeDelta)
	} else {
		// Otherwise if the parent block used less gas than its target, the baseFee should decrease.
		// max(0, parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)
		num.SetUint64(parentGasTarget - parent.GasUsed)
		num.Mul(num, parent.BaseFee)
		num.Div(num, denom.SetUint64(parentGasTarget))
		num.Div(num, denom.SetUint64(config.BaseFeeChangeDenominator()))
		baseFee := num.Sub(parent.BaseFee, num)

return math.BigMax(baseFee, common.Big0)
	}
}
```

计算 `BaseFee` 过程如下:

- 如果当前区块是第一个 `EIP-1559` 区块，则返回 `InitialBaseFee`, 其值为 `1 Gwei`
- 计算 `parentGasTarget` 等于父区块 `GasLimit` 的一半

- 父区块的 `GasUsed` 等于 `parentGasTarget`: `BaseFee` 不变
  - 父区块的 `GasUsed` 大于 `parentGasTarget`: `BaseFee` 增加, 计算遵循公式

```go

parentBaseFee + max(1, parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)
```

- 父区块的 `GasUsed` 小于 `parentGasTarget`: `BaseFee` 减少, 计算遵循公式

```go

max(0, parentBaseFee - parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)
```

其中:

- `GasUsed`: 实际使用的 `Gas`
- `parentBaseFee` 等于 父区块的 `BaseFee`
- `gasUsedDelta` 等于 `parent.GasUsed - parentGasTarget`，即父区块的 `Gas` 实际使用量与目标总量之间的差额
- `parentGasTarget` 父区块 `GasLimit` 的一半, 一般为 15000000
- `BaseFeeChangeDenominator` 常量，值为 8

在 `etherscan` [区块列表页](https://etherscan.io/blocks) 有如下两个区块

![blocks.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2023/11/gPlpJbld6556db93d6291.png)

在 18247918 区块中，可以知道

- `BaseFee` 等于 6.79 Gwei
- `gasUsedDelta / parentGasTarget` 等于 -24%, 说明需要降低 `BaseFee`

按照公式计算 18247919 区块的 `BaseFee` 等于

$$
\mathrm{BaseFee = max(0, 6.79 - 6.79 * 0.24 / 8) = 6.5863}
$$

与图示一致

## MaxPriorityFee

`MaxPriorityFee` 是优先费用。是对每单位 `Gas` 的额外加价, 这部分的费用将支付给矿工，值越大则交易更快的被打包。通过[GasTracker](https://etherscan.io/gastracker)可查看当前最新的 `Gas` 信息

最终的 `GasPrice` 等于 `BaseFee` 和 `MaxPriorityFee` 之和

对于交易:

![transaction.png](https://img.learnblockchain.cn/attachments/2023/11/zar0RHTX6556db8006237.png)

$$
\begin{aligned}
\tt{Transaction\ Fee} & = \tt{GasUsed * GasPrice} \\
&= \tt{GasUsed * (BaseFee + MaxPriorityFee)} \\
&= 115855 * (7.407585749 + 0.05) \\
& = 863998.597\tt{Gwei}
\end{aligned}
$$

交易费用与图中 `Transaction Fee` 字段值一致

## MaxFee

`MaxFee` 意为最大的 `GasPrice`

由于发送的交易不一定会在下一个区块内打包，而 `BaseFee` 又是在动态的改变，如果交易设置的 `MaxPriorityFee` 过低，则有可能交易不会被打包。只能等待后续区块的打包。但如果后续区块的 `BaseFee` 比之前的高，则会导致交易被丢弃。而设置较高的 `MaxFee`, 则可以保证交易在未来几个区块内不会因为 `BaseFee` 设置过低而被丢弃。

还是以劳动力举例。现在每单位的劳动力的价格(`BaseFee`)是变动的, 由市场决定。在你发布一个工作后，而且还对每单位的劳动力付出额外报酬(`MaxPriorityFee`)的情况下，由于你愿意支付的报酬低于市场价，此时没人愿意为你工作，则会对你发布的工作进行下架处理。因此你给出了最大的每单位的劳动力价格(`MaxFee`)，只要当前的 `BaseFee` 加上 `MaxPriorityFee` 是小于 `MaxFee`，就可以继续招工。每单位劳动力价格仍按 `BaseFee + MaxPriorityFee`计算

通常情况下 `MaxFee` 计算遵循公式:

$$
\tt{Max Fee = (2 * BaseFee) + MaxPriorityFee}
$$

可以保证**连续** 6 个区块满 `Gas` 的情况下仍在内存池中等待打包

## Burnt

燃烧的手续费, 即将这部分费用转入黑洞地址。转入数量由 `BaseFee` 决定

$$
\mathtt{Burnt = BaseFee * GasUsed}
$$

以上图中交易为例计算

$$
\begin{aligned}
\tt{Burnt} & = \tt{BaseFee * GasUsed} \\
& = 7.407585749 * 115855 \\
&= 858205.846950395 \ \tt{Gwei}
\end{aligned}
$$

与图中 `Burnt` 字段值一致

## Txn Savings

交易节省的费用，等于最大可接受交易费用减去实际消耗的交易费用

$$
\tt{Tx Savings Fees = MaxFee * GasUsed - (BaseFee + MaxPriorityFee) * GasUsed}
$$

以上图中交易为例计算

$$
\begin{aligned}
\tt{Tx Savings Fees} & = \tt{MaxFee * GasUsed - (BaseFee + MaxPriorityFee) * GasUsed} \\
& = 7.657591636 * 115855 - 863998.597 \\
& = 23171.68198878  \tt{Gwei} \\
\end{aligned}
$$

与图中 `Txn Savings` 字段值一致

## JSON-RPC

在发起 EIP1559 交易时, 常需要在交易中手动填入 `Gas` 相关的参数，这些参数可以通过向节点预发送 `http` 请求获得，包括了以下 `JSON-RPC` 方法

- `eth_estimateGas`
- `eth_maxPriorityFeePerGas`
- `eth_getBlockByNumber`

### eth_estimateGas

将交易发送到该接口，可以获得预估 `Gas`, 常用来设置交易的 `GasLimit`

```ts showLineNumbers
// Request Payload
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "method": "eth_estimateGas",
  "params": [
    {
      "from": "0xD28C383dd3a1C0154129F67067175884e933cf4e",
      "to": "0x7071D6EF9FaF45aA48c22bae7d4a295aD68DC038",
      "value": "0x186a0"
    }
  ],
  "id": 1
}
// Response
{
  "id":1,
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": "0x5208" // 21000
}
```

### eth_maxPriorityFeePerGas

该接口用来获取当前最新的 `MaxPriorityFee`

```ts
// Request Payload
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "method": "eth_maxPriorityFeePerGas",
  "params": [],
  "id": 1
}
// Response
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": "0x9b8495", // MaxPriorityFee
  "id": 1
}
```

### eth_getBlockByNumber

该接口用于获取区块信息，其中包含了 `BaseFee` 等信息

```ts
// Request Payload
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "method": "eth_getBlockByNumber",
  "params": [
    "latest",
    false
  ],
  "id": 1
}
// Response
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": {
    "baseFeePerGas": "0x1bc47470a", // baseFee
    "difficulty": "0x0",
    "extraData": "0x546974616e2028746974616e6275696c6465722e78797a29",
    "gasLimit": "0x1c9c380",
    "gasUsed": "0xced6fd",
    "hash": "0xbb9b314d0b8208e655a0afc17384f56f44659a63e3ba4e244609105da497a7d9",
    ...
  },
  "id": 1
}
```

获取最新的区块信息后, 字段 `baseFeePerGas` 的值就是 `BaseFee`。结合上面获取的 `MaxPriorityFee`, 可以用来设置 `MaxFee`

```
Max Fee = (2 * BaseFee) + MaxPriorityFee
```

以太坊中的 Gas 是执行智能合约和进行交易所需的一种衡量单位。它代表了网络中执行操作所需的计算资源。Gas 用于防止网络滥用和保证交易和智能合约的执行效率。每个操作和交易都有 Gas 消耗，用户通过设置 Gas 价格来为其支付。Gas 的机制帮助保持以太坊网络的健康运行，通过对资源消耗的计费来调节网络负载。

GasLimit 可以理解为愿意为多少劳动力买单。假如某项工作需要付出 100 的劳动力，但你只愿意支付 80 劳动力的费用。因此这项工作就无法完成。但当你愿意支付 120 劳动力的费用时，则会在工作完成后会退还这 20 劳动力的费用。类比到以太坊网络就是愿意为这笔交易最多支付多少 Gas

现有一笔如下所示的交易:

可以看到 Gas 部分由以下部分组成:

Gas Limit & Usage by Txn: GasLimit 和实际花费的 Gas 以及其在 GasLimit 中的占比
Gas Fees
- Base: 基础 GasPrice
- Max: 最大 GasPrice
- Max Priority: 支付给以太坊节点矿工的 GasPrice
Burnt & Txn Savings Fees
- Burnt: 燃烧的手续费
- Txn Savings: 交易节省的费用

Txn Type: 2(EIP-1559): 根据 EIP-2718 明确交易类型为 2, 指明这是一笔 EIP-1559 的交易

BaseFee

BaseFee 是 EIP-1559 提案中引入的一个机制，目的是改善以太坊的费用市场并提高用户体验。BaseFee 是每个区块的基础费用，它的目的是通过自适应地调整费用来反映网络的拥堵程度。

源码中 BaseFee 的计算如下:

func CalcBaseFee(config *params.ChainConfig, parent *types.Header) *big.Int {
    // If the current block is the first EIP-1559 block, return the InitialBaseFee.
    if !config.IsLondon(parent.Number) {
        return new(big.Int).SetUint64(params.InitialBaseFee)
    }

    parentGasTarget := parent.GasLimit / config.ElasticityMultiplier()
    // If the parent gasUsed is the same as the target, the baseFee remains unchanged.
    if parent.GasUsed == parentGasTarget {
        return new(big.Int).Set(parent.BaseFee)
    }

    var (
        num   = new(big.Int)
        denom = new(big.Int)
    )

    if parent.GasUsed > parentGasTarget {
        // If the parent block used more gas than its target, the baseFee should increase.
        // max(1, parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)
        num.SetUint64(parent.GasUsed - parentGasTarget)
        num.Mul(num, parent.BaseFee)
        num.Div(num, denom.SetUint64(parentGasTarget))
        num.Div(num, denom.SetUint64(config.BaseFeeChangeDenominator()))
        baseFeeDelta := math.BigMax(num, common.Big1)

        return num.Add(parent.BaseFee, baseFeeDelta)
    } else {
        // Otherwise if the parent block used less gas than its target, the baseFee should decrease.
        // max(0, parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)
        num.SetUint64(parentGasTarget - parent.GasUsed)
        num.Mul(num, parent.BaseFee)
        num.Div(num, denom.SetUint64(parentGasTarget))
        num.Div(num, denom.SetUint64(config.BaseFeeChangeDenominator()))
        baseFee := num.Sub(parent.BaseFee, num)

        return math.BigMax(baseFee, common.Big0)
    }
}

计算 BaseFee 过程如下:

如果当前区块是第一个 EIP-1559 区块，则返回 InitialBaseFee, 其值为 1 Gwei
计算 parentGasTarget 等于父区块 GasLimit 的一半
- 父区块的 GasUsed 等于 parentGasTarget: BaseFee 不变
- 父区块的 GasUsed 大于 parentGasTarget: BaseFee 增加, 计算遵循公式


parentBaseFee + max(1, parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)

父区块的 GasUsed 小于 parentGasTarget: BaseFee 减少, 计算遵循公式


max(0, parentBaseFee - parentBaseFee * gasUsedDelta / parentGasTarget / baseFeeChangeDenominator)

其中:

GasUsed: 实际使用的 Gas
parentBaseFee 等于父区块的 BaseFee
gasUsedDelta 等于 parent.GasUsed - parentGasTarget，即父区块的 Gas 实际使用量与目标总量之间的差额
parentGasTarget 父区块 GasLimit 的一半, 一般为 15000000
BaseFeeChangeDenominator 常量，值为 8

在 etherscan 区块列表页有如下两个区块

在 18247918 区块中，可以知道

BaseFee 等于 6.79 Gwei
gasUsedDelta / parentGasTarget 等于 -24%, 说明需要降低 BaseFee

按照公式计算 18247919 区块的 BaseFee 等于

$$ \mathrm{BaseFee = max(0, 6.79 - 6.79 * 0.24 / 8) = 6.5863} $$

与图示一致

MaxPriorityFee

MaxPriorityFee 是优先费用。是对每单位 Gas 的额外加价, 这部分的费用将支付给矿工，值越大则交易更快的被打包。通过GasTracker可查看当前最新的 Gas 信息

最终的 GasPrice 等于 BaseFee 和 MaxPriorityFee 之和

对于交易:

$$ \begin{aligned} \tt{Transaction\ Fee} & = \tt{GasUsed GasPrice} \ &= \tt{GasUsed (BaseFee + MaxPriorityFee)} \ &= 115855 * (7.407585749 + 0.05) \ & = 863998.597\tt{Gwei} \end{aligned} $$

交易费用与图中 Transaction Fee 字段值一致

MaxFee

MaxFee 意为最大的 GasPrice

由于发送的交易不一定会在下一个区块内打包，而 BaseFee 又是在动态的改变，如果交易设置的 MaxPriorityFee 过低，则有可能交易不会被打包。只能等待后续区块的打包。但如果后续区块的 BaseFee 比之前的高，则会导致交易被丢弃。而设置较高的 MaxFee, 则可以保证交易在未来几个区块内不会因为 BaseFee 设置过低而被丢弃。

还是以劳动力举例。现在每单位的劳动力的价格(BaseFee)是变动的, 由市场决定。在你发布一个工作后，而且还对每单位的劳动力付出额外报酬(MaxPriorityFee)的情况下，由于你愿意支付的报酬低于市场价，此时没人愿意为你工作，则会对你发布的工作进行下架处理。因此你给出了最大的每单位的劳动力价格(MaxFee)，只要当前的 BaseFee 加上 MaxPriorityFee 是小于 MaxFee，就可以继续招工。每单位劳动力价格仍按 BaseFee + MaxPriorityFee计算

通常情况下 MaxFee 计算遵循公式:

$$ \tt{Max Fee = (2 * BaseFee) + MaxPriorityFee} $$

可以保证连续 6 个区块满 Gas 的情况下仍在内存池中等待打包

Burnt

燃烧的手续费, 即将这部分费用转入黑洞地址。转入数量由 BaseFee 决定

$$ \mathtt{Burnt = BaseFee * GasUsed} $$

以上图中交易为例计算

$$ \begin{aligned} \tt{Burnt} & = \tt{BaseFee GasUsed} \ & = 7.407585749 115855 \ &= 858205.846950395 \ \tt{Gwei} \end{aligned} $$

与图中 Burnt 字段值一致

Txn Savings

交易节省的费用，等于最大可接受交易费用减去实际消耗的交易费用

$$ \tt{Tx Savings Fees = MaxFee GasUsed - (BaseFee + MaxPriorityFee) GasUsed} $$

以上图中交易为例计算

$$ \begin{aligned} \tt{Tx Savings Fees} & = \tt{MaxFee GasUsed - (BaseFee + MaxPriorityFee) GasUsed} \ & = 7.657591636 * 115855 - 863998.597 \ & = 23171.68198878 \tt{Gwei} \ \end{aligned} $$

与图中 Txn Savings 字段值一致

JSON-RPC

在发起 EIP1559 交易时, 常需要在交易中手动填入 Gas 相关的参数，这些参数可以通过向节点预发送 http 请求获得，包括了以下 JSON-RPC 方法

eth_estimateGas
eth_maxPriorityFeePerGas
eth_getBlockByNumber

eth_estimateGas

将交易发送到该接口，可以获得预估 Gas, 常用来设置交易的 GasLimit

// Request Payload
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "method": "eth_estimateGas",
  "params": [
    {
      "from": "0xD28C383dd3a1C0154129F67067175884e933cf4e",
      "to": "0x7071D6EF9FaF45aA48c22bae7d4a295aD68DC038",
      "value": "0x186a0"
    }
  ],
  "id": 1
}
// Response
{
  "id":1,
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": "0x5208" // 21000
}

eth_maxPriorityFeePerGas

该接口用来获取当前最新的 MaxPriorityFee

// Request Payload
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "method": "eth_maxPriorityFeePerGas",
  "params": [],
  "id": 1
}
// Response
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": "0x9b8495", // MaxPriorityFee
  "id": 1
}

eth_getBlockByNumber

该接口用于获取区块信息，其中包含了 BaseFee 等信息

// Request Payload
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "method": "eth_getBlockByNumber",
  "params": [
    "latest",
    false
  ],
  "id": 1
}
// Response
{
  "jsonrpc": "2.0",
  "result": {
    "baseFeePerGas": "0x1bc47470a", // baseFee
    "difficulty": "0x0",
    "extraData": "0x546974616e2028746974616e6275696c6465722e78797a29",
    "gasLimit": "0x1c9c380",
    "gasUsed": "0xced6fd",
    "hash": "0xbb9b314d0b8208e655a0afc17384f56f44659a63e3ba4e244609105da497a7d9",
    ...
  },
  "id": 1
}

获取最新的区块信息后, 字段 baseFeePerGas 的值就是 BaseFee。结合上面获取的 MaxPriorityFee, 可以用来设置 MaxFee

Max Fee = (2 * BaseFee) + MaxPriorityFee

原创
学分: 55
分类: 以太坊
标签: gas EIP-1559

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