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带你相识以太坊高Gas费背地激发的区块链可扩大性问题
高额交易费的背后是区块链可扩展性问题。这个问题众所周知，甚至还有一个专门维基百科页面。可扩展性是目前区块链发展的最大限制，除此之外还有确定性时间长、易出现抢先交易、跨链互操作性等问题
Gas 上限
矿池决议着区块的 Gas 上限。我们先来疾速回忆下矿工和矿池的运营情势：险些一切矿工都邑挑选将自身的算力劈头与其别人的搜集在一同。他们会将资本集合到一同，然后取得稳固的收益流，而不是冒着历久没有收益的风险、单打独斗地挖矿。因而，矿池应运而生，担任考证每位矿工的孝敬，并分派下一个区块的挖矿使命。大多数区块都是由大矿池挖出的。下图显现了以太坊降生以来，矿池的出块占比状况：
由上图可见，星火矿池、Ethermine 和鱼池的出块占比遥遥领先。
除了介入硬分叉以外，矿池运营者还负担一项重要的治理职责：设置以太坊的 Gas 上限。差异于出块时刻和 Gas 价钱等特征，每一个区块的 Gas 上限都须要主动设置。新区块的 Gas 上限与上一个区块之间的差异必须在 0.1% 之内，因而每一个区块的大小只能细微高低浮动（拜见黄皮书：公式 47)。假如矿池运营者杀青共鸣，可以大幅调解 Gas 上限：在 2.5 个小时内，Gas 上限可以越发或减半。假如没有杀青共鸣，Gas 上限就是矿池范围的加权中位数。
如今，由于缺少关于矿工着实行动的详细信息，我们采用了一种比较简朴的要领：投票体系。愿望我们将来能经由历程软分叉将这一要领转变成更准确的算法。
—— 以太坊的基础想象道理 （2015 年 3 月）
从以太坊生长早期入手下手，由矿工设置 Gas 上限就是一个权宜之计。由于别的设计都不够好，这个权宜之计就一向一连了下来。EIP 1559 提出了一个差异的机制，如今社区正在议论是不是将其到场柏林硬分叉。在那之前，矿池运营者可以像 OPEC（石油输出国组织）治理石油开采那样治理 Gas 供给。
- Ethermine 矿池运营者 -
近来，环球最大的两个以太坊矿池做出了一个有争议的决议，将逐日 Gas 产量进步 25% 。此举的目的是经由历程增添 Gas 供给量来抑止太高的生意业务费。到如今为止，我们发明，再怎样进步 Gas 上限，也跟不上用户对生意业务需求的增进速率。这就意味着，Gas 价钱在阅历短暂下落伍，终究照样会再度回升。
进步 Gas 上限会给以太坊带来很高的隐形平安本钱。正如我们所见，进步 Gas 上限会进步叔块率和空块率。在生意业务负载量平常的状况下，这一影响不大。然则出于平安性斟酌，我们只对极度状况感兴趣，并不体贴平常状况。依据 Perez 和 Livshits（2019）的研讨，在最蹩脚的状况下，假如生成一批处置责罚效力极低的生意业务（在 Gas 本钱雷同的状况下，处置责罚这类生意业务的速率比平常生意业务慢 100 倍），并将其打包到区块内，节点须要花 90 秒的时刻来处置责罚这个区块，从而致使节点落伍，矿池挖出大批空块和叔块。自这项研讨宣布以来，已涌现了一些减缓步伐，然则问题并未获得彻底处理。因而，两位重要的节点开发者 Péter Szilágyi 和 Alexey Akhunov 批评了关于进步 Gas 上限的决议。
因而，到达 Gas 上限时，Gas 价钱就会上涨，而且我们好像不应当进一步进步 Gas 上限。那末我们还能采用什么步伐？我们可以下降生意业务所需的 Gas 本钱吗？
Gas 耗用量生意业务的 Gas 消耗量基础上就是其 EVM 操纵的消耗量。一笔生意业务是由许多 EVM 基础操纵构成的，而每一个操纵的 Gas 耗用量都经由历程 EIP 和硬分叉来治理的。在过去的硬分叉中，重要操纵的 Gas 消耗量有升（EIPs 150、160、1884）有降（EIPs 1108、2028、2200）。设计中的 “柏林” 硬分叉也在斟酌引入几个 Gas 消耗量更改（EIPs 1380、1559、2046、2565、2537）。
一切这些更改的目的都是为了让手续费能更准确地反应操纵的着实本钱。由于盘算操纵的本钱会跟着盘算机机能和算法效力的提拔而变得更低。但存储操纵的本钱则完整差异。存储和查找操纵的本钱会追随区块链状况范围的更改而更改，而以太坊的状况范围是一向在变大的。这类增进不会由于存储装备的升级或许数据库手艺的转变而转变。
这就意味着存储依然会是 DeFi 本钱中的一大块。建立一个新的余额须要 2 万 Gas，而修正一个已有的余额要消耗 5 千。一笔转账最少要转变两个月，一次交流则要转变最少 4 个，更庞杂的 DeFi 生意业务会包括更多高贵的状况操纵。看起来着实不容易下降相干存储的数目和本钱，这个趋向九头牛都拉不返来。但好消息是，Layer-2 扩展设计会尝试做成存储集约且盘算麋集的，看起来会更讨喜一些。
末了，进步区块的 Gas Limit 也一样有平安性方面的隐忧：进步 Gas Limit 是有效果的方法中最差的。纯真依据当前着实操纵的均匀本钱来转变 Gas 消耗量也是异常风险的（Naively optimizing the Gas cost for the current true average cost of operations is very dangerous.）。
到此为止，为何扩展以太坊是一个辣手的问题，已很显然了。在我们议论人人提出的处理设计之前，我们愿望再讨论一个当前以太坊大概危险 DeFi 用户的瑕玷。
矿工可抽庖代价区块生产者虽然遭到共鸣划定规矩的限定，但共鸣划定规矩也为他们供应了一些重要的自在（freedom），比方生意业务挑选和排序。关于平常的代币转账来讲，生产者的自在并不会形成很大影响，但关于 DeFi 生意业务比方生意业务所生意业务来讲，抢跑（front-running，指发送 Gas Price 更高的生意业务来争先使生意业务上链）大概收成庞大的经济代价。更庞杂的问题是，一笔目的生意业务被夹在两笔生意业务中心，像夹三明治一样。Daian et al. (2019) 将可以从抢跑生意业务中取得的代价称为 矿工可抽庖代价（miner extractable value）。
没有证据表明如今的矿池在歹意运用他们的生意业务排序自在，但假如他们做过，也必定是有赢利的。矿池平常都运用 Geth 客户端，该客户端会依据 Gas Price 来排序生意业务（见 1，2）。这致使了 Gas 的价钱竞拍，对 Gas 出价最高的生意业务能最早打包上链。这一机制的负面效果是，任何人都能经由历程进步出价来抢跑一笔生意业务。互相合作的生意业务者会延续进步出价，直至生意业务的利润被 Gas 费完整耗尽。到了这个时刻，生意业务可取得的一切代价都邑变成 Gas 费，进到矿工的口袋（译者注：这是一个理论上的效果，也是 “矿工可抽庖代价” 观点的由来；实际上，高 Gas 费的生意业务大概很快就会打包上链，而不会存在互相合作的生意业务者像拍卖那样闲适地互相出价；所以矿工可抽庖代价也没有想象中那末高，毕竟矿池之间有合作）。
另一方面，让自身的生意业务紧跟在另一笔生意业务之后上链，大概也是有代价的，比方在价钱信息传输机制更新信息后第一个整理仓位（liquidate a position）。这个叫做 back-running，末了也会变成矿工的收益。
矿工可抽庖代价终究是从平常的 DeFi 用户处得来的，表现是更大的价差、更差的价钱、更高的手续费，以及更多失利的生意业务。要想取得更好的 DeFi 体验，就应当处理这个问题。处理方法之一是限定生意业务排序自在，比方要求一个区块里的生意业务按 Gas Price 由低到高排序。
如今我们已对以太坊的局限性及其对 DeFi 的影响有了周全的相识。固然，一切天王级的团队都在开发处理设计，对吧？
一个 Layer-1，两种愿景如今有许多凶猛的团队在开发差异的可扩展性处理设计。处理设计重要有两个方向，“Layer-1” 和 “Layer-2”。Layer-1 的设计致力于打造一个更可扩展的区块链来庖代当前的以太坊，Layer-2 设计则是尝试在当前以太坊的基础上接入更可扩展的基础设施。我们这里就谈 Layer-1，Layer-2 设计留给下一篇文章。
我们从最显著的一个设计入手下手：进步当前以太坊区块链的机能。也就是 “Eth1.x” 同仁在做的事。单论以太坊客户端的机能提拔，就有许多事变可以做。不过，Eth1.x 还没有获得他们应得的支撑力度，所以希望迟缓。想要对这个方向的机能提拔可到达的水平有个基础观点，只需相识一下 Solana 就好，Solana 完成了以太坊的 1000 倍吞吐量，而且另有空间可以进步；瑕玷在于须要很高等的硬件才运转全节点。
大部份其他处理设计都有三点共同之处：（1）运用 WebAssembly 作为虚拟机；（2）最小化状况的架构；以及最重要的，（3）分片。当前的以太坊是串行实行一切生意业务的。事实上，让生意业务能排成一个行列可以说是区块链的悉数意义地点。但这类情势的瑕玷就在于，难以并行实行生意业务，所以我们没法经由历程投入直接更多资原本处理扩展问题。那末把区块链支解成多个松懈互联的范畴，一个线程就叫一个 “分片”，就可以完成并行化处置责罚。在一个分片内部，事件依然是串行发作的，但差异分片的事件是移步发作的。这就使得一切分片能并行运转，以分片数目为倍数扩展收集的吞吐量。我们用来支解收集的范畴也不须要与分片一一对应，可以把多个范畴分派给同一个分片（线程），以至可以挪动它们做负载平衡。看 Near Protocol 的 “夜影” 协定白皮书可更深切地相识分片的大致。
详细怎样将区块链支解成多个范畴，下一代的区块链各有主意。可以以为，这是一条从细粒度（许多微小范畴）到粗粒度（少数几个大型范畴）的光谱。
fine parallelization coarse parallelization DFinity Eth 2.0 Polkadot actors (TBD. Contracts?) chains两个项目离别代表这条光谱的两头。DFinity 在细粒度这一端，每一个 “actor” 都有自身的微小范畴，而且每一个 actor 之间的交互都是异步的。粒度稍大的的 Near Protocol，个中每一个合约都有自身的范畴。粗粒度一端的是 PolkaDot，一个范畴就是一全部份片，更详细一点应当叫做一条 “平行链”。从一个 dApp 开发者的视角来看，断言 Ethereum 2.0 位于哪一个位置还为时尚早。ETH1 EE（实行环境）应当是粗粒度型的，其边境正好与一个分片的边境一致，就是当前的以太坊所化成的一个分片（也就是 Eth1 在 Eth2 完成后的将来）。一个特地的 Eth2EE 大概会挑选一个更细粒度的设计。细粒度设计的优点在于它们是通明的；可以将一切的跨合约挪用厚此薄彼，不管这些挪用是不是逾越了分片边境。这就可以反过来许可我们经由历程在分片间挪动合约来完成负载平衡。
瑕玷在于，逾越范畴的事件就不再是原子化的了，它们会变成 并行的，以至是部份 不可逆 的。在 DFinity 和 Near 中，这一点表现为跨合约的生意业务变成 async 状况，并返回一个许诺：你须要 await（守候）。在一场 await 时期，一切到时已发作的生意业务都邑被提交到链上。然后其别人的生意业务可以聚集在上面。到这时候你就没法回滚已发作的事变了。当 await 终究处理的时刻，它会从合约挪用中返回 “胜利” 或许 “失利”。有许多提案尝试防止这一点、找回某种情势的跨分片原子性，但都有自身的瑕玷。看起来，拥抱非原子性会是天然效果。
但对 DeFi 运用来讲，一个异步的 transferFrom 挪用会带来相当大的应战。想象一个两方之间的简朴交流，Alice 和 Bob 愿望交流 Eth 和 Dai。基础合约看起来会像如许：
但如今我们须要能处置责罚毛病。假如第一笔生意业务失利，我们可以简朴地停止生意业务。但假如第一步生意业务胜利而第二笔生意业务失利，我们要能返还给 Alice 一个 ETH。问题在于，Bob 大概已在我们处置责罚毛病之前就花掉了这笔钱。处理这个问题的一个方法是运用一个 escrow：
很好，如今就不会有人丢币了。但如今 Bob 就对 Alice 的出价有了一个免费的排他性期权（free exclusive option）。虽然如今 Alice 的钱保管在托管方手里，但这些钱既不能接收其别人的生意业务要求，也不能保证跟 Bob 的生意业务一定会胜利。你可以用责罚歹意行动来处理这个问题，然则你很难肯定合理的责罚力度，由于差异 DeFi 生意业务的代价差异异常大。你也可以要求一切市场介入者从一入手下手就把钱都放在同一个贮备合约（托管方）里，但如许就从新使得状况集合化、取消了分片的意义。
另一个须要注重的事变是，这些并发问题大概异常辣手。在实际的生意业务所中，定单的添补状况（fill-state）须要不断更新，这就使得写一遍的越发庞杂。假如说搅扰以太坊 1.0 的可重入破绽（reentrancy bug）是胡蝶，大概引发庞大的效果，那并发问题就是床上的臭虫（bug），无孔不入。并发破绽是不肯定的，而且在测试中大概基础看不出来。就像我们在上面的简朴的交流的例子中看到的，开发者须要重新从新思索全部架构，就像床上的臭虫，消灭它们的唯一方法就是把一切都推倒，重新重修。
生意业务所是 DeFi 天下其余部份的基石，而且显然是个络绎不绝的一连历程。我们已看过了定单簿范例的生意业务所面对怎样的应战。自动化做市商（Automated market maker）生意业务所还简朴点，由于介入者已将资金都存储在托管方（合约）处，但在这类情境下，贮备起来的余额自身就障碍了并行化处置责罚。纵然在更快的传统生意业务所里，结算运动终究也是在一个拉拢引擎内里按次序处置责罚的，不会用到并发，（但比较好的是传统生意业务所还可以有冗余）。想深切相识传统生意业务所是怎样运作的，可寓目 Brian Nigito 的演讲。
上面说的不代表这些问题是不大概处理的。最简朴的处理设计就是要求一切这些协定在每一个分片上都布置一个自力的实例，然后让套利者来保证差异实例之间没有价差。又或许，我们可以让一个同步的分片具有充足壮大的机能，壮大到可以包括一切的 DeFi 生意业务，然后就不必懊恼并发问题了。
在本文中，我们历数了以太坊在扩展 DeFi 容量时的局限性。如你所见，这是一个庞杂的问题，没有不言而喻的处理方法。在后续的文章中，我们会深切相识详细的一类处理设计，“Layer-2 设计”，并论述 0x 自身的主意。
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