科普：解读以太坊黄皮书（3/7）

来源：以太坊爱好者    作者：Lucas Saldanha

又是激动人心的一刻，我们再次推出关于以太坊黄皮书的博文了！在这篇文章中，我们会学到更多关于Gas 和支付的以太坊相关知识，了解以太坊背后的经济学理论，以及解释为什么手续费在以太坊生态系中如此重要。

读完这篇博文，你就会知道为什么交易成本被称为 Gas，明白 gasPrice 与 gasLimit 之间的区别，也能了解矿工节点选择待打包交易的策略。（此篇博文参考以太坊黄皮书第 5 章）

本文是以太坊解析系列的第三篇文章。

（免责声明：本文基于 2018 年 11 月 27号拜占庭 127780ac 版本的黄皮书进行介绍）

介绍

我刚开始学习以太坊时，最先碰到的困惑就和交易手续费有关。我的疑惑是，“如果我可以免费获得与 Dapp 相同的服务，为什么还要花钱用 Dapp？”——很快地，我就意识到自己很傻很天真。

计算是有成本的——我不是指花在购买笔记本和平板电脑上的开销，而是指运行虚拟机、数据存储、信息处理等等服务的成本。今时今日，我们都非常习惯免费的服务，却常常忘了一个关键点：有人在为这些服务买单！你正在免费使用的 Gmail 或 Yahoo 邮箱，如果要使整个服务保持正常运行，邮件提供商就要为服务器、数据存储，及基础设施买单。如果你有 Facebook 或 Instagram 账号，那你肯定知道，在云端处理、安全存储你所上传的照片都需要成本。所以现在的免费服务和 Dapp 的付费服务，唯一的区别只是买单的人的不同（免费服务不由你直接买单罢了）。

现在，我们将以太坊网络试想成一部巨大的计算机，能够实现运算及读写数据。这与放在你自己家里的计算机不同，这部巨型计算机（以太坊）由所有人所共有，只要有以太坊账户，任何人都能与整个平台进行交互，像是转移以太币、部署智能合约等等。但囿于分布式系统的原生限制，“谁来为这些服务买单”的问题就比较难回答了。

Gas

Gas 是以太坊中所有计算量的计价单位，以太坊正是使用 Gas 来解决 “谁为服务买单” 的问题。你想要转账给另一个以太坊账户吗？你想要部署智能合约来存储手机通讯录吗？没问题，请先支付 Gas 。

这很容易让人联想到，汽车和燃油的关系：如果你想从 A 地开车到 B 地，一定要耗费部分燃油；同理，如果你想要在以太坊 EVM 上执行某些运算，也要支付 Gas。车想要开得越远，则需要越多燃油；想要在以太坊上进行越多计算，则要支付越多 Gas。

我们可以在以太坊黄皮书的附录 G，找到每一种 EVM 运算对应所需要消耗的 Gas 数量；这些数值看起来很随意，但其实背后是有道理的。一般来讲，这些数值反映了执行运算的成本（按时间维度度量），和占用的永久存储器资源（当写入数据的时候）。如果想要了解更详细的 Gas 成本计算公式，可以查阅 “以太坊 1.0 Gas 成本表”。我不太确定它与最新采用的 Gas 消耗量是否一致，但至少能让你对操作码的 Gas 耗用量制定原则更有概念。

从另一个角度来说，以太坊采取使用者付费的模式，能够避免资源的滥用。一旦你必须为每种运算支付费用，你就会尽可能的将代码写得简洁高效；Gas 的存在还能阻止攻击者通过无效运算，对以太坊网路进行泛洪（Flooding）攻击。（除非攻击者愿意支付一大笔钱来执行无效运算）

gasPrice 和 gasLimit

现在我们明白了 Gas，是时候谈谈 Gas 究竟要如何定价；先让我们回到汽车和燃油的例子。

如果你的车子油箱容量为 50 升，装满这个油箱你要支付多少钱？这取决于加油站每升的油价对吧？以太坊中 Gas 的定价也是一样的！如果你要执行的交易需要耗费 10 Gas，则你要支付的费用取决于每单位 Gas 的价格。

那我们怎么知道每单位 Gas 的价格是多少呢？有种误导性的说法是：自己爱定多少就定多少。虽然从技术角度来讲没有错，但要具体知道 Gas 的定价，我们需要更多知识作为铺垫。

如果你读过以太坊解析系列的上一篇文章，应该记得以太坊交易结构中，除了其他部分，还包含了 gasPrice 和 gasLimit。

gasPrice 表示交易发送方对每单位 Gas 愿意支付的价格（以 Wei 计量），这意味着交易发送方可以自定义愿意支付的每单位 Gas 价格。假设一笔交易需要耗费 10 Gas，而我们愿意支付 3 Wei/Gas ，则发送这笔交易的成本总价就是 30 Wei（非实际数值，只是便于大家理解怎么计算的）。

gasLimit表示交易发送方最多能接受多少 Gas 被用于执行此交易。因为有时候，你无法确切知道执行一笔交易要耗费多少 Gas；又或是你的智能合约中，有永远跳不出的死循环 bug，假如没有 gasLimit，这会导致发送方的账户余额被误消耗殆尽。gasLimit 就是一种安全机制，防止有人因为错误估算或 bug 而把账户中所有以太币消耗掉。

另一个有趣的点是，gasLimit 可以被视为预付的 Gas。当节点在验证交易时，先将 gasPrice 乘 gasLimit 算出交易的固定成本。如果交易发送方的账户余额小于交易固定成本，则该交易视为无效。交易执行完之后，剩余的 Gas 会退回至发送方账户；当然，如果交易执行中 Gas 耗尽，则不会退回任何东西。这也能解释为什么交易发送方总是将 gasLimit 设得高于预估的 Gas 量。

搞清楚这两个参数的意思之后，你可能会想问：“为什么是交易发送方自行决定每单位 Gas 的价格”。如果你跑去最近的加油站告诉收银员，“每升油我就愿意支付 5 分钱”；好一点的收银员可能就一笑而过，而理智的收银员可能会报警。所以想要了解设计机制，你需要知道矿工节点的工作以及手续费是什么。

矿工

区块是包含一组交易集合的数据结构，而以太坊中的矿工节点负责创建链上的区块。创建区块的时候，矿工会从交易缓存池（等待打包的交易堆）中选择交易并开始出块。

我现在不展开以太坊挖矿算法的细节（也许后续文章会讨论），大家只需要记住挖矿是个昂贵的过程，所以如果挖矿没有回报，那肯定没有矿工愿意干！

在以太坊中，每当矿工成功创建一个区块，就能获得定额的出块奖励及引用叔块的奖励（不在此展开），同时还能获得包含在这个区块中的所有交易的手续费；所以交易中的 gasPrice 设置得越高，矿工就能得到越多交易手续费。如果你想要知道关于矿工奖励的更多信息，请参考此处。

我们假设一个简单的场景。Bob 的账户里有 200 wei，John 的账户里有 100 wei，他俩都想要发送一笔需要耗用 90 Gas 的交易。

Bob 设置 gasLimit = 100，gasPrice = 2；John 想将 gasLimit 设为 200，但不幸的是他只有 100 wei，这样设置会使得交易固定成本高于账户余额；所以 John 最终设 gasLimit =100， gasPrice =1。

当进入选择交易打包进块的环节时，矿工倾向选择手续费更高的交易。在我们的例子中，Bob 的 gasPrice 比 John 的高两倍；因为两笔交易都需要 90 Gas，所以矿工选择 Bob 的交易能获得两倍的手续费奖励。

-矿工会选择 gasPrice 最高的交易-

由交易发送方付费来奖励矿工的机制，在以太坊中形成一种能自我调节的经济体系。交易发送方千方百计想要降低交易成本，而矿工总是希望收益最大化，两者形成一种平衡。作为交易发送方，如果你把 gasPrice 设得越高，意味着矿工越有动力打包你的交易，则你的交易能越早被装进区块。

有的矿工甚至会设置自己的 gasPrice 下限，直接忽略那些 gasPrice 小于下限的交易。

当发送交易时，我们很难知道当前有效的最小 gasPrice 是多少。这些工具能够扫描整个以太坊网络，算出当前其他交易的 gasPrice 均值，帮助发送方选择能被矿工接受的合理 gasPrice。

结论

从本文中，我们学到了就像汽车消耗燃油一样，执行以太坊交易需要消耗 Gas。希望本文能让大家了解计算需要成本，以及为什么我们需要付费才能获得以太坊的服务。

我们还探讨了 gasPrice 和 gasLimit 的重要性；如果智能合约出现 bug 或估算错误，gasPrice 能保护使用者避免平白损失以太币。

再者，我们还研究了交易手续费背后的经济机制，以及矿工如何选择交易以达到收益最大化。现在我们知道如何调整 gasPrice ，让自己发出的交易更吸引矿工，从而使得交易被更早打包。

下一篇博文我们会讨论交易执行模型（以太坊黄皮书第 6 章），这也是以太坊黄皮书中最复杂的部分（相信我，黄皮书里也这么说！）所以我可能会将这部分内容拆分成数篇文章。请持续关注！