以太坊 Gas 机制详解(EIP-1559)

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:

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