以太坊Gas費為何阻礙了DeFi發展？怎麼辦？
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，撰文：Remco Bloemen，0x 技術專家，編譯：Leo Young，經授權發布。
小額交易手續費有時會高達10%
Gas 使用
我們想要創造一個所有價值可自由流動的代幣化世界，區塊鏈的局限卻正在阻礙我們實現這一使命。這就是為什麼0x Labs 專門成立工程師團隊，力圖解決這些局限性的問題。通過我們的研究，我們希望通過本文來探討以太坊的局限性，及其如何影響DeFi 用戶。此外，本文也會簡單論及下一代區塊鏈。在未來，我們還將撰寫文章，探討不同的解決方案Layer 2 ，並演示我們滿足DeFi 需求的策略。
首先要說明，以太坊交易的大小以gas 計算。區塊中收集交易，大約每13 秒一個區塊。每個區塊所容納的交易數量空間有限，也就是「 ga s 上限」。目前每個區塊大約有1,200 萬gas 交易空間。純ERC-20 代幣轉賬大約需要五萬gas。也就是每個區塊可容納最多240 筆代幣轉賬，約每秒18 筆轉賬。 DeFi 轉賬通常涉及多筆代幣轉賬和簿記，造成交易成本翻倍，進而限制區塊吞吐量。 「gas 上限」和區塊時間意味著需要持續提供交易所需的gas。
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首先，我們來看以太坊歷史上gas 供應及其使用如何增長。
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每天以太坊上約有六千區塊挖出，有幾十億價值gas 交易空間。主要由於「gas 上限」增加，gas 交易數量也隨著時間改變、增加。同時，交易消耗總gas 費也會隨著以太坊上的交易增多、變大而增長。
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二級標題
從上圖可以看出，以太坊是企業級應用，因為辦公時間應用最高
在「 冰河時代」，出塊時間大幅增加，造成單日出塊量減少，gas 供應降低。當然這種情況非常不受歡迎，迫使網絡硬分叉來調整。這樣做的目的就是：迫使硬分叉帶來升級改進，防止陷入創新停滯。伊斯坦布爾(Istanbul) 硬分叉沒有重設「難度炸彈」，所以很快進行了繆爾冰川硬分叉。即將進行的柏林(Berlin) 硬分叉考慮更改這一機制(EIP 2515) 。
二級標題
看用量情況（黑色） ，以太坊自從2017 年ICO 熱潮以來，gas 用量始終佔60% 以上。之後「gas 上限」幾次增長到四倍，每次上限增長後gas 用量也成比例增長。過去幾個月，以太坊用量一直卡在95%。
要理解以太坊gas 用量為何不會超過95%，需要先了解「 空塊」 (empty block) 和「 叔塊」 (ommer block) 的概念。
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「空塊」和「叔塊」
以太坊歷史上，即使需求再高，gas 用量也從未超過上限95% 。讓人驚訝的是，剩餘5% 浪費在完全空的區塊。這些空塊定期出現，大約每二十個塊有一個。有交易要付款進入打包入塊，為什麼還會有人要挖空塊？先看以下數據：
一個解釋就是，礦工一獲得新區塊頭，在完整個區塊沒打包完成前便開始挖下一個區塊。這種操作在比特幣裡稱為SPV 挖礦，讓礦工可以沒完成一個區塊驗證可即刻開始找下一個區塊，但只能加入空區塊。新區塊完全打包完成後，就可以添加下一個完整區塊，並切換去挖。
這種解釋的進一步證據就是，如果同一礦工快速連續挖到兩個區塊，空塊率就會降低25% 。
2018 年gas 用量達到峰值期間，「叔塊」率也到新高，但之後佔比降到所有挖出區塊的5% 。這與礦工可能此時更改挖礦策略造成空塊率升高相吻合。
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空塊率對以太坊可擴展性的傷害沒有立即表現出來，但確實有影響。自從拜占庭升級的EIP-100提案，難度調整維持一定主幹鏈區塊和「叔塊」比率。所以「叔塊」率高就表示浪費的「叔塊」增多，主鏈增加的塊減少。這就表現為每日出塊時間延長，每日總gas 量減少。 （造成出塊時間延長的另一個原因是「難度炸彈」）
有方法可以降低空塊率和「叔塊」率。推定根本原因就是，由於網絡和處理延遲，礦池沒有最新的狀態可用。一個簡單但不太讓人滿意的解決方案就是，讓礦池更中心化，最近的狀態就會集中在一起。
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更去中心化一點的解決方案就是bloXroute 那樣，創建礦池間專用連接。受「 間諜挖礦」 (spy mining) 啟發，可以讓礦池預先分享目前在挖的區塊。其他礦池會準備可能會挖的後續區塊。礦池成功挖完自己的塊後，就已經知道後續可以挖哪些塊，立即切換。在堆棧上方，改進節點通訊協議和處理算法也有效，這些地方仍有改進空間。最終，降低空塊率和「叔塊」率才能單日提升最多5% gas 供應量。
所以似乎有95% gas 上限，但如果有人想要使用超過95% 的量怎麼辦？
Gas 價格
以太坊gas 上限到頂會怎樣？礦工可以自由選擇打包交易（後續詳述） ，但實際上礦工按「 高gas 費優先原則」打包交易，因為這樣利潤最高。這樣就產生對可用gas 的第一價格拍賣現象。
乍一看，對以太坊都興趣增加，只會推升價格，不會造成用量增長。實際上，高價值使用會驅逐低價值使用，便宜的遊戲類非同質化代幣(NFT) 交易減少， 大額DeFi 交易更多。
二級標題
Gas 上限
根據提案EIP-1559，長期仍有固定gas 發行率，意味著gas 價格會持續上升，直到需求足夠小。 EIP-1559 仍舊鼓勵同一區塊內支付溢價的優先打包處理（假設礦池繼續按原先順序挖區塊） 。這就意味著搶先交易、gas 競價和礦工牟利的情況仍舊存在。
二級標題
圖中的數字代表下個區塊內可打包交易的最低價格。你願意等得越久，gas 價格會越低。歷史數據表明，若你願意等兩分鐘或更久，那價格便會很低。 EIP-1559 有助於降低溢價，便於更快處理交易。
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Gas 上限
下面來看以太坊上礦池份額的發展情況：
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目前由於缺少礦工實際操作的詳細信息，我們會用簡單的方法： 投票系統。 […] 希望未來我們可以軟分叉，變為更精確的算法。
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Gas 成本
最近兩大礦池一致決定提升gas 產量25% ，頗有爭議。目的本是通過增加gas 供應來緩解高交易費壓力。目前我們所看到的，交易需求增長快過gas 上限增長速度。這就造成價格暫時趨緩，最終還是會上升。
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所以，gas 上限促使gas 價格上升。似乎我們不該一味增加gas 上限。那該怎麼做？或許可以降低交易所需的gas 成本？
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交易的gas 成本主要由EVM 運行成本組成。交易是由眾多EVM 操作組成，每次運行成本由EIP 和硬分叉決定。過去幾次硬分叉中，有些操作的gas 成本已經增加(EIPs 150、160、1884) ，有些降低(EIPs 1108、2028、2200) 。計劃中的柏林硬分叉也在在考慮變更一些特定操作的gas 成本。
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所有變更的目標是要讓費用更準確反應操作的真實成本。這就意味著，隨著計算機和算法變快，計算運行成本會降低。
這就意味著，存儲仍舊是DeFi 應用的大額成本。創建新的餘額要兩萬gas，修改現有餘額要五千gas。轉賬至少要修改兩次餘額，匯兌至少要修改四次，DeFi 交易所需的狀態費用更高。似乎沒有簡單方法能降低相關存儲量，有需求，存儲費就會上升。好的一面， Layer 2 擴展解決方案偏向輕量存儲和高計算量，似乎更有優勢。
最後，隨著gas 上限提高，也會出現相同的安全擔憂：糟糕情況影響大。本地優化gas 成本達到當前操作的平均成本很危險。
這樣就很清楚為何以太坊擴展性的問題這麼棘手。在給出解決方案前，還需提及目前以太坊傷害DeFi 用戶的另一局限之處。
礦工牟利
二級標題
區塊打包者遵守共識規則。共識規則保證交易選擇和排序等重要自由。對於普通代幣轉賬，問題不大。但對交易所等DeFi 交易， 搶先交易就有很高經濟價值。目標交易兩面受攻擊，便會出現更複雜的牟利行為。 Daian 等人(2019) 稱之為「 礦工牟利」 (miner extractable value) 。
其他情況下，恰好接著一筆交易會有價值，例如價格預言機更新後第一個清算倉位。這稱為「 back-running 」，結果也是礦工獲益。
二級標題
大價差、價格偏離、高手續費及更多失敗交易，最終會讓DeFi 用戶受損，礦工牟利。要有更好的DeFi 體驗，這個問題就得解決。解決這個問題就要限制交易排序自由，例如要求一個區塊內最低gas 價格的交易優先。
現在已完全了解以太坊的局限，及其如何影響DeFi 。當然所有致力於擴展性的明星團隊終將解決這個問題，對吧。
二級標題
強化底層，著眼二層
有很多出眾的團隊致力於不同可擴展性解決方案。解決方案有兩種： Layer 1 和Layer 2 。 Layer 1 解決方案的目標是構建擴展性更好的以太坊，Layer 2 解決方案是要在以太坊的基礎上構建更具可擴展性的基礎設施。
從最明顯的問題開始：提升現有以太坊的性能——這是Eth1x 要做的事情。改進以太坊客戶端性能，仍舊可以有很多提高。糟糕的是，Eth1x 幾乎沒有得到任何應有的支持，所有進展很慢。
要了解Eth1x 可以達到何種性能，可以先來看看Solana 。 Solona 吞吐量可達到以太坊千倍以上，還有提升空間。這種方法的主要劣勢是，運行全節點的硬件要求很高。
多數其他解決方案都有三個共同點：
使用WebAssembly 作為虛擬機，極簡狀態架構，和最重要的分片。目前以太坊上的所有交易都按序列執行。交易排序毫無疑問是區塊鏈的關鍵。這種模式的缺點是，很難並行處理，所以投入更多資源也無法輕鬆解決可擴展性問題。這就是下一代區塊鏈Eth2.0 要解決的。
通過更改交易執行方式，讓交易平行處理。將區塊鏈分為多個鬆散連接的域，也就是稱作「 分片」的處理程序，來實現這一方案。一個分片內的交易仍舊按順序排列，但分片之間是異步進行。這就允許所有分片平行運行，依分片數量擴展網絡。
用以分離的域不一定與分片相匹配，同一個分片可以有多個域，甚至可以遷移域，達到負載平衡。如需深入了解分片技術，讀者請瀏覽Near 協議的「 夜影」論文。
兩個項目各佔粒度光譜兩邊： Dfinity 在細粒度一端，每個代理人有自己的域，每次代理人交互都是異步。 Near 協議細粒度化稍小，每個合約都有自己的域。粗粒度一端是波卡，其域是就是整個分片，這種情況稱為「平行鏈」更準確。從DApp 開發者角度判斷以太坊2.0 為時尚早。 Eth1EE （Eth2 上的Eth1 執行環境） 將為粗粒度，有與分片一致的界限，目前的以太坊會成為一個分片。細粒度解決方案的優勢是透明；合約間調用無論是否跨分片邊界，都能看上去一樣。這就進而允許在分片間移動合約來輕鬆平衡負載。
參考
Daniel Perez & Benjamin Livshits (2019). “Broken Metre: Attacking Resource Metering in EVM.”
Daian et al. (2019). “Flash Boys 2.0: Frontrunning, Transaction Reordering, and Consensus Instability in Decentralized Exchanges.”
Brian Nigito (2017). “How to Build an Exchange.”
Danny Ryan (2020). “The State of Eth2, June 2020.”
Scott Shapiro & William Villanueva (2020). “ETH 2 Phase 2 WIKI.”
Near Protocol sharding design
