以太坊 Gas 機制詳解(EIP-1559)

以太坊中的 Gas 是執行智能合約和進行交易所需的一種衡量單位。它代表了網絡中執行操作所需的計算資源。Gas 用於防止網絡濫用和保證交易和智能合約的執行效率。每個操作和交易都有 Gas 消耗，用戶通過設置 Gas 價格來為其支付。Gas 的機制幫助保持以太坊網絡的健康運行，通過對資源消耗的計費來調節網絡負載。

如果把以太坊網絡比作一名工人，那麼 Gas 就是工人付出的勞動力。在工人完成工作後，需要支付勞動報酬。勞動報酬則等於每單位勞動力價格乘以付出的總的勞動力。每單位勞動力價格被稱作 GasPrice，其值由以太坊網絡動態決定的。因此總的勞動報酬就是 Gas * GasPrice

GasLimit 可以理解為願意為多少勞動力買單。假如某項工作需要付出 100 的勞動力，但你只願意支付 80 勞動力的費用。因此這項工作就無法完成。但當你願意支付 120 勞動力的費用時，則會在工作完成後會退還這 20 勞動力的費用。類比到以太坊網絡就是願意為這筆交易最多支付多少 Gas

現有一筆如下所示的交易:

transaction

可以看到 Gas 部分由以下部分組成:

Gas Limit & Usage by Txn: GasLimit 和實際花費的 Gas 以及其在 GasLimit 中的占比
Gas Fees
- Base: 基礎 GasPrice
- Max: 最大 GasPrice
- Max Priority: 支付給以太坊節點礦工的 GasPrice
Burnt & Txn Savings Fees
- Burnt: 燃燒的手續費
- Txn Savings: 交易節省的費用

Txn Type: 2(EIP-1559): 根據 EIP-2718 明確交易類型為 2, 指明這是一筆 EIP-1559 的交易

BaseFee#

BaseFee 是 EIP-1559 提案中引入的一個機制，目的是改善以太坊的費用市場並提高用戶體驗。BaseFee 是每個區塊的基礎費用，它的目的是通過自適應地調整費用來反映網絡的擁堵程度。

源碼中 BaseFee 的計算如下:

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)
	}
}

計算 BaseFee 過程如下:

如果當前區塊是第一個 EIP-1559 區塊，則返回 InitialBaseFee, 其值為 1 Gwei
計算 parentGasTarget 等於父區塊 GasLimit 的一半
- 父區塊的 GasUsed 等於 parentGasTarget: BaseFee 不變
- 父區塊的 GasUsed 大於 parentGasTarget: BaseFee 增加，計算遵循公式

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

父區塊的 GasUsed 小於 parentGasTarget: BaseFee 減少，計算遵循公式

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

其中:

GasUsed: 實際使用的 Gas
parentBaseFee 等於父區塊的 BaseFee
gasUsedDelta 等於 parent.GasUsed - parentGasTarget，即父區塊的 Gas 實際使用量與目標總量之間的差額
parentGasTarget 父區塊 GasLimit 的一半，一般為 15000000
BaseFeeChangeDenominator 常量，值為 8

在 etherscan 區塊列表頁有如下兩個區塊

blocks

在 18247918 區塊中，可以知道

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

按照公式計算 18247919 區塊的 BaseFee 等於

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

與圖示一致

MaxPriorityFee#

MaxPriorityFee 是優先費用。是對每單位 Gas 的額外加價，這部分的費用將支付給礦工，值越大則交易更快的被打包。通過GasTracker可查看當前最新的 Gas 信息

最終的 GasPrice 等於 BaseFee 和 MaxPriorityFee 之和

對於交易:

transaction

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

交易費用與圖中 Transaction Fee 字段值一致

MaxFee#

MaxFee 意為最大的 GasPrice

由於發送的交易不一定會在下個區塊內打包，而 BaseFee 又是在動態的改變，如果交易設置的 MaxPriorityFee 過低，則有可能交易不會被打包。只能等待後續區塊的打包。但如果後續區塊的 BaseFee 比之前的高，則會導致交易被丟棄。而設置較高的 MaxFee, 則可以保證交易在未來幾個區塊內不會因為 BaseFee 設置過低而被丟棄。

還是以勞動力舉例。現在每單位的勞動力的價格 (BaseFee) 是變動的，由市場決定。在你發布一個工作後，而且還對每單位的勞動力付出額外報酬 (MaxPriorityFee) 的情況下，由於你願意支付的報酬低於市場價，此時沒有人願意為你工作，則會對你發布的工作進行下架處理。因此你給出了最大的每單位的勞動力價格 (MaxFee)，只要當前的 BaseFee 加上 MaxPriorityFee 是小於 MaxFee，就可以繼續招工。每單位勞動力價格仍按 BaseFee + MaxPriorityFee計算

通常情況下 MaxFee 計算遵循公式:

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

可以保證連續 6 個區塊滿 Gas 的情況下仍在內存池中等待打包

Burnt#

燃燒的手續費，即將這部分費用轉入黑洞地址。轉入數量由 BaseFee 決定

\mathtt{Burnt = BaseFee * GasUsed}

以上圖中交易為例計算

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

與圖中 Burnt 字段值一致

Txn Savings#

交易節省的費用，等於最大可接受交易費用減去實際消耗的交易費用

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

以上圖中交易為例計算

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

與圖中 Txn Savings 字段值一致

JSON-RPC#

在發起 EIP1559 交易時，常需要在交易中手動填入 Gas 相關的參數，這些參數可以通過向節點預發送 http 請求獲得，包括了以下 JSON-RPC 方法

eth_estimateGas
eth_maxPriorityFeePerGas
eth_getBlockByNumber

eth_estimateGas#

將交易發送到該接口，可以獲得預估 Gas, 常用來設置交易的 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#

該接口用來獲取當前最新的 MaxPriorityFee

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

eth_getBlockByNumber#

該接口用於獲取區塊信息，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
}

獲取最新的區塊信息後，字段 baseFeePerGas 的值就是 BaseFee。結合上面獲取的 MaxPriorityFee, 可以用來設置 MaxFee

Max Fee = (2 * BaseFee) + MaxPriorityFee