如何通過layer-1擴展DeFi吞吐量?_GAS

如果你最近用過DeFi，最近高漲的交易費會令你瞠目結舌。如今，就以太坊交易而言，數十乃至數百美元的交易費實屬稀松平常之事。在如此高昂的手續費下，只有巨鯨才能有利可圖，更別提什么“讓沒有銀行賬戶的人也能享受銀行服務”、“讓免許可型金融基礎設施惠及所有人”等宏圖偉業了。以太坊正在成為富人的聚集地。

如果是小額交易，手續費可能會超過交易金額的10%?

高昂的手續費表象之下的核心是?區塊鏈可擴展性問題。這個問題太過臭名昭著，以至于有了自己的維基百科頁面。這是當前區塊鏈最主要的局限性，此外還有終局性時滯太大、搶跑交易、跨鏈互操作性等局限性。

我們想要創建一個能讓所有價值自由流動的代幣化世界，區塊鏈的局限性會阻礙我們實現這一愿景。這就是為什么0xLabs組建了一個專門的研究工程師團隊針對這些局限性開發解決方案。在本文中，我們將探索以太坊的局限性及其對DeFi用戶的影響。我們還將簡要介紹下一代區塊鏈。在后續文章中，我們將探索另一類解決方案，并介紹我們自己解決DeFi需求的策略。

首先，要知道以太坊交易的大小是以Gas消耗量來衡量的。交易會打包到區塊中，大約每13秒出一個塊。每個區塊只能容納有限的交易，因為有所謂的“區塊Gas上限”。目前，每個區塊的Gas上限是1200萬。一個普通的ERC20代幣交易需要消耗大約5萬Gas。這就意味著，一個區塊最多可容納240筆代幣轉賬操作，即，每秒可完成大約18筆交易。DeFi交易通常涉及多筆代幣轉賬，以及其它記賬操作，這會導致成本翻倍，并進一步限制吞吐量。Gas容量和出塊時間意味著有源源不斷的Gas可供交易使用。

我們先來看看以太坊誕生以來，Gas的供應量和使用量增長情況。

Gas使用量

每天，以太坊上都會新增大約6000個區塊，容納數十億Gas的交易。這個數量一直在變化，并隨著時間流逝而增長，主要是因為區塊Gas上限增加。與此同時，隨著以太坊上交易的數量和規模在不斷增加，交易所消耗的Gas總量也在不斷增加。

回顧整個以太坊的發展史，Gas的供應量和消耗量如下圖所示：

如圖所示，在拜占庭、君士坦丁堡和繆爾冰川硬分叉發生前，Gas供應量都出現了鋸齒狀的驟降。這些都是以太坊難度炸彈，又稱冰河世紀，所產生的影響。在冰河期，出塊時間會呈指數型增加，導致每天挖出的塊數量減少，每天的Gas供應總量也隨之減少。當然了，這種情況是非常糟糕的，因此以太坊網絡需要用硬分叉來恢復網絡。難度炸彈的用意正在于此：引入改進措施，以免出現創新停滯的情況。由于君士坦丁堡硬分叉忘了重新設置難度炸彈，以太坊緊接著又引入了繆爾冰川硬分叉。之后的柏林硬分叉正在考慮改變這一機制。

YFII社區發起YIP-5實施方案的投票，將決定如何使用5%的利潤:YFII社區發起一項關于實施YIP-5提案（5%利潤用作循環挖礦）的方案的投票。目前一共有3種方案供選擇，方案1是5%的利潤全部用于YFII或者iYFII/YFII LP的激勵，方案2是5%中大部分用于YFII相關激勵，少部分用于iToken的激勵，方案3是5%中少部分用于YFII相關激勵，大部分用于iToken的激勵。這三種方案中此前討論支持率最高的是方案1。投票從今天下午5點30分開始，持續72小時。[2020/9/29]

通過圖中黑色部分的Gas使用量，我們可以看出2017年ICO熱潮以來，以太坊的Gas使用量占Gas上限的60%以上。自此以后，Gas上限經過幾次躍升，增長了四倍。每次躍升后，Gas使用量也出現相應增長。過去幾個月來，以太坊的Gas使用量似乎卡在了Gas上限的95%上。

要想知道以太坊的Gas使用率為何無法超過95%，我們需要先了解空塊和叔塊。

空塊和叔塊

縱觀以太坊的發展史，即使是在供不應求的情況下，以太坊的Gas使用量也沒有超過Gas上限的95%。令人驚訝的是，剩余5%的gas都是以空塊的形式被浪費了。空塊是有規律的，大約每挖出20個區塊就會有一個空塊。在有付費交易等待打包的情況下，為什么還會有人挖空塊？我們來看一下數據：

空塊率隨時間的流逝而穩定增長，目前在5%左右。所有礦池都有挖空塊，因此不是惡意行為。真正的問題是，出塊速度過快。如果挖出一個區塊的時間少于6秒，這個塊是空塊的概率會成倍增加。

有一種解釋是，礦工在收到一個新區塊的區塊頭、但還沒處理完整個區塊時就開始挖下一個區塊。這在比特幣中叫作“簡單支付驗證”挖礦，可以讓礦工立即開始挖下一個塊，但是只能挖空塊。一旦新的區塊處理完成，礦工就可以開始打包并挖出下一個區塊。可以證實這一解釋的另一個證據是，如果同一個礦工連續挖出了兩個區塊，空塊率就會降低25%。

除了挖空塊之外，還有一種方法是在處理新區塊的同時繼續接著上一個區塊挖礦。這就有可能導致多個新區塊被挖出。如果這種情況發生在以太坊上，網絡就會選出一個合法區塊，并將其它區塊視為叔塊。挖出叔塊的礦工會獲得同樣的區塊獎勵。叔塊率非常穩定：

2018年，Gas使用量達到頂峰時，叔塊率也達到了頂峰。那段時間，空塊率也有增加，可能是因為礦工改變了策略。

雖然叔塊率對以太坊可擴展性的影響不是很明顯，但確實存在。拜占庭硬分叉中的EIP-100?調整了區塊難度評估公式，將叔塊計算在內。因此，叔塊率越高意味著在礦工挖出的區塊中，作為叔塊被浪費的區塊越多，作為合法區塊被添加到最長鏈上的區塊越少。具體表現為出塊時間增加，每日Gas供應量減少。

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無論是叔塊還是空塊，都是以太坊上重要的網絡健康標志。二者中任意一者增加都意味著每日Gas供應量減少。對叔塊率的分析是EIP2028和1559背后主要的研究內容之一。令人驚訝的是，這兩個EIP都沒有提到空塊率，而且研究上存在方法上的缺陷。最好能采用恰當的統計方法來進行更嚴格的分析，并將叔塊率和空塊率都納入考慮范圍。

有一些方法可以用來降低空塊率和叔塊率。假設導致空塊率和叔塊率較高的根本原因是，由于網絡和區塊處理延遲，礦池無法獲得最新狀態。一種簡單的方法是，讓礦池變得更加中心化，將最新狀態集中在一處。去中心化更高的解決方案是，使用bloxroute在礦池之間創建專屬的互聯通道。還有一種解決方案的靈感來自“間諜挖礦”，就是讓礦池預先共享它們正在挖的區塊。其它礦池就能針對每一個在挖區塊準備好下一個區塊，一旦某個礦池成功挖出了區塊，其它礦池就知道下一個該挖哪個區塊，并且馬上切換過去。從更高層次來看，改進節點通信協議和處理算法也會帶來幫助，或許也能帶來一些收益。但是，正如我們所見，降低叔塊率和空塊率最多可以將每日gas供應量提高5%左右。

由此看來，gas上限是gas供應量的95%。那么，如果人們對gas的需求超過這一上限，會發生什么情況呢？

Gas價格

當以太坊用戶對Gas的需求接近上限時，會發生什么情況？礦工可以隨心所欲地選擇交易進行打包。但是實際上，礦工會優先打包Gas價格高的交易，因為這會讓他們的收益最大化，最終引發針對Gas的最高價格拍賣。

Gas價格已經成為完美的無彈性供給范例。?隨著以太坊網絡對Gas的利用率超過80%，向95%的上限直線靠攏，Gas價格就會出現大幅上漲。需求量增加只會推動Gas價格上漲，直至用戶負擔不起為止。讓Gas價格下跌的唯一方法是，提高Gas供應量或降低用戶對Gas的需求量。近期Gas上限的增加并不足以有效壓低Gas價格。

乍看之下，人們對以太坊的興趣增加，只會導致Gas價格上漲，不會導致以太坊的使用量增加。實際上，Gas價格高的交易會淘汰Gas價格低的交易。那些小額NFT交易會減少，大額的DeFi交易會增加。

EIP1559旨在讓Gas供應量在較短的時間范圍內更具彈性。在需求量高峰時期，會創建出較大的區塊。這有助于平抑Gas價格，讓交易更早被打包進區塊。但是，這并不會改變長期中的無彈性供應問題。EIP1559實施后仍然會有一個長期不變的Gas上限。這就意味著，Gas價格將持續上漲，直至需求量足夠小為止。此外，EIP1559實施后仍有用來支付給礦工、作為打包交易的報酬的激勵機制。這就意味著，搶跑交易、Gas競價之戰和礦工抽取價值的問題依然存在。

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圖中數據代表被打包進下一個區塊所需支付的最低價格。如果你愿意等久一點，Gas價格會低得多。從近期的歷史數據來看，如果你愿意等待兩分鐘及以上，Gas價格就會下降。EIP1559有助于在降低溢價的同時加快交易的處理速度。

因此，達到Gas上限時，Gas價格就會上漲。那么，我們如何提高Gas上限？

Gas上限

礦池決定著區塊的Gas上限。我們先來快速回顧下礦工和礦池的運營模式：幾乎所有礦工都會選擇將自己的算力起源與其他人的匯集在一起。他們會將資源集中到一起，然后獲得穩定的收益流，而不是冒著長期沒有收益的風險、單打獨斗地挖礦。因此，礦池應運而生，負責驗證每位礦工的貢獻，并分配下一個區塊的挖礦任務。大多數區塊都是由大礦池挖出的。下圖顯示了以太坊誕生以來，礦池的出塊占比情況：

由上圖可見，星火礦池、Ethermine和魚池的出塊占比遙遙領先。

除了參與硬分叉之外，礦池運營者還承擔一項重要的治理職責：設置以太坊的Gas上限。不同于出塊時間和Gas價格等特性，每個區塊的Gas上限都需要主動設置。新區塊的Gas上限與上一個區塊之間的差距必須在0.1%以內，因此每個區塊的大小只能輕微上下浮動（參見黃皮書：公式47)。如果礦池運營者達成共識，可以大幅調整Gas上限：在2.5個小時內，Gas上限可以加倍或減半。如果沒有達成共識，Gas上限就是礦池規模的加權中位數。

目前，由于缺乏關于礦工真實行為的詳細信息，我們采取了一種比較簡單的方法：投票系統。希望我們將來能通過軟分叉將這一方法轉變成更精確的算法。

——?以太坊的基本設計原理?

從以太坊發展初期開始，由礦工設置Gas上限就是一個權宜之計。由于其它方案都不夠好，這個權宜之計就一直延續了下來。EIP1559提出了一個不同的機制，目前社區正在討論是否將其加入柏林硬分叉。在那之前，礦池運營者可以像OPEC管理石油開采那樣管理Gas供應。

-Ethermine礦池運營者-

最近，全球最大的兩個以太坊礦池做出了一個有爭議的決定，將每日Gas產量提高25%。此舉的目的是通過增加Gas供應量來抑制過高的交易費。到目前為止，我們發現，再怎么提高Gas上限，也跟不上用戶對交易需求的增長速度。這就意味著，Gas價格在經歷短暫下降后，最終還是會再度回升。

提高Gas上限會給以太坊帶來很高的隱形安全成本。正如我們所見，提高Gas上限會提高叔塊率和空塊率。在交易負載量正常的情況下，這一影響不大。但是出于安全性考慮，我們只對極端情況感興趣，并不關心正常情況。根據Perez和Livshits的研究，在最糟糕的情況下，如果生成一批處理效率極低的交易，并將其打包到區塊內，節點需要花90秒的時間來處理這個區塊，從而導致節點落后，礦池挖出大量空塊和叔塊。自這項研究發布以來，已經出現了一些緩解措施，但是問題并未得到徹底解決。因此，兩位主要的節點開發者PéterSzilágyi和AlexeyAkhunov批評了關于提高Gas上限的決定。

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因此，達到Gas上限時，Gas價格就會上漲，而且我們似乎不應該進一步提高Gas上限。那么我們還能采取什么措施？我們能夠降低交易所需的Gas成本嗎？

Gas耗用量

交易的Gas消耗量基本上就是其EVM操作的消耗量。一筆交易是由許多EVM基本操作組成的，而每一個操作的Gas耗用量都通過EIP和硬分叉來治理的。在過去的硬分叉中，主要操作的Gas消耗量有升有降。計劃中的?“柏林”硬分叉也在考慮引入幾個Gas消耗量變更。

所有這些變更的目的都是為了讓手續費能更精確地反映操作的真實成本。因為計算操作的成本會隨著計算機性能和算法效率的提升而變得更低。但存儲操作的成本則完全不同。存儲和查找操作的成本會跟隨區塊鏈狀態規模的變動而變動，而以太坊的狀態規模是一直在變大的。這種增長不會因為存儲設備的升級或者數據庫技術的改變而改變。

這就意味著存儲仍然會是DeFi成本中的一大塊。創建一個新的余額需要2萬Gas，而修改一個已有的余額要耗費5千。一筆轉賬至少要改變兩個月，一次交換則要改變至少4個，更復雜的DeFi交易會包含更多昂貴的狀態操作。看起來實在不容易降低相關存儲的數量和成本，這個趨勢九頭牛都拉不回來。但好消息是，Layer-2擴展方案會嘗試做成存儲粗放且計算密集的，看起來會更討喜一些。

最后，提高區塊的GasLimit也同樣有安全性方面的隱憂：提高GasLimit是有效果的辦法中最差的。單純根據當前真實操作的平均成本來改變Gas消耗量也是非常危險的。

到此為止，為什么擴展以太坊是一個棘手的問題，已經很顯然了。在我們討論大家提出的解決方案以前，我們希望再探討一個當前以太坊可能傷害DeFi用戶的缺點。

礦工可抽取價值

區塊生產者雖然受到共識規則的限制，但共識規則也為他們提供了一些重要的自由，比如交易選擇和排序。對于一般的代幣轉賬來說，生產者的自由并不會造成很大影響，但對于DeFi交易比如交易所交易來說，搶跑可能收獲巨大的經濟價值。更復雜的問題是，一筆目標交易被夾在兩筆交易中間，像夾三明治一樣。Daianetal.(2019)?將能夠從搶跑交易中獲得的價值稱為?礦工可抽取價值。

沒有證據表明現在的礦池在惡意利用他們的交易排序自由，但如果他們做過，也必然是有獲利的。礦池一般都使用Geth客戶端，該客戶端會根據GasPrice來排序交易。這導致了Gas的價格競拍，對Gas出價最高的交易能最先打包上鏈。這一機制的負面效果是，任何人都能通過提高出價來搶跑一筆交易。相互競爭的交易者會持續提高出價，直至交易的利潤被Gas費完全耗盡。到了這個時候，交易可獲得的所有價值都會變成Gas費，進到礦工的口袋。

動態 | ITAM Network發文 “DApps如何優化RAM使用率”:據IMEOS報道，ITAM Network在Medium上發表文章“DApps如何優化RAM使用率”。文中介紹DApps主要是在上傳智能合約還有在使用智能合約Table保存數據的情況下使用RAM，并介紹如何通過在區塊上運行數據達到RAM使用率最小化，還有DApps開發者應當考慮和準備的工作。文章最后ITAM Network表示這只是一種可供替代的方法，并不是唯一正確的途徑。[2018/8/2]

另一方面，讓自己的交易緊跟在另一筆交易之后上鏈，可能也是有價值的，比如在價格信息傳輸機制更新信息后第一個清算倉位。這個叫做back-running，最后也會變成礦工的收益。

礦工可抽取價值最終是從普通的DeFi用戶處得來的，表現是更大的價差、更差的價格、更高的手續費，以及更多失敗的交易。要想獲得更好的DeFi體驗，就應該解決這個問題。解決辦法之一是限制交易排序自由，比如要求一個區塊里的交易按GasPrice由低到高排序。

現在我們已經對以太坊的局限性及其對DeFi的影響有了全面的了解。當然，所有天王級的團隊都在開發解決方案，對吧？

一個Layer-1，兩種愿景

現在有很多厲害的團隊在開發不同的可擴展性解決方案。解決方案主要有兩個方向，“Layer-1”和“Layer-2”。Layer-1的方案致力于打造一個更可擴展的區塊鏈來取代當前的以太坊，Layer-2方案則是嘗試在當前以太坊的基礎上接入更可擴展的基礎設施。我們這里就談Layer-1，Layer-2方案留給下一篇文章。

我們從最明顯的一個方案開始：提高當前以太坊區塊鏈的性能。也就是“Eth1.x”同仁在做的事。單論以太坊客戶端的性能提升，就有很多工作可以做。不過，Eth1.x還沒有得到他們應得的支持力度，所以進展緩慢。想要對這個方向的性能提升可達到的程度有個基本概念，只需了解一下Solana就好，Solana實現了以太坊的1000倍吞吐量，而且還有空間可以提高；缺點在于需要很高級的硬件才能運行全節點。

大部分其他解決方案都有三點共同之處：使用WebAssembly作為虛擬機；最小化狀態的架構；以及最重要的，分片。當前的以太坊是串行執行所有交易的。事實上，讓交易能排成一個隊列可以說是區塊鏈的全部意義所在。但這種模式的缺點就在于，難以并行執行交易，所以我們無法通過投入直接更多資源來解決擴展問題。那么把區塊鏈分割成多個松散互聯的領域，一個線程就叫一個“分片”，就能實現并行化處理。在一個分片內部，事務仍然是串行發生的，但不同分片的事務是移步發生的。這就使得所有分片能并行運行，以分片數量為倍數擴大網絡的吞吐量。我們用來分割網絡的領域也不需要與分片一一對應，可以把多個領域分配給同一個分片，甚至可以移動它們做負載均衡。看NearProtocol的“夜影”協議白皮書可更深入地了解分片的大體。

具體如何將區塊鏈分割成多個領域，下一代的區塊鏈各有想法。可以認為，這是一條從細粒度到粗粒度的光譜。

fine?parallelization??<------------------->?coarse?parallelization??????DFinity???????????????Eth?2.0??????????????Polkadot???????actors??????????(TBD.?Contracts?)??????????chains兩個項目分別代表這條光譜的兩端。DFinity?在細粒度這一端，每一個?“actor”?都有自己的細小領域，而且每個?actor?之間的交互都是異步的。粒度稍大的的?Near?Protocol，其中每個合約都有自己的領域。粗粒度一端的是?PolkaDot，一個領域就是一整個分片，更具體一點應該叫做一條?“平行鏈”。從一個?dApp?開發者的視角來看，斷言?Ethereum?2.0?位于哪個位置還為時尚早。ETH1?EE應該是粗粒度型的，其邊界恰好與一個分片的邊界一致，就是當前的以太坊所化成的一個分片。一個專門的?Eth2EE?可能會選擇一個更細粒度的方案。細粒度方案的長處在于它們是透明的；可以將所有的跨合約調用一視同仁，無論這些調用是否跨越了分片邊界。這就能反過來允許我們通過在分片間移動合約來實現負載均衡。

缺點在于，跨越領域的事務就不再是原子化的了，它們會變成?并行的，甚至是部分?不可逆?的。在DFinity和Near中，這一點表現為跨合約的交易變成?async?狀態，并返回一個承諾：你需要?await。在一場?await?期間，所有到時已經發生的交易都會被提交到鏈上。然后其他人的交易可以堆積在上面。到這時你就無法回滾已經發生的事情了。當?await?最終解決的時候，它會從合約調用中返回“成功”或者“失敗”。有許多提案嘗試避免這一點、找回某種形式的跨分片原子性，但都有自己的缺點。看起來，擁抱非原子性會是自然結果。

但對DeFi應用來說，一個異步的?transferFrom?調用會帶來相當大的挑戰。設想一個兩方之間的簡單交換，Alice和Bob希望交換Eth和Dai。基本合約看起來會像這樣：

但現在我們需要能處理錯誤。如果第一筆交易失敗，我們可以簡單地終止交易。但如果第一步交易成功而第二筆交易失敗，我們要能返還給Alice一個ETH。問題在于，Bob可能已經在我們處理錯誤之前就花掉了這筆錢。解決這個問題的一個辦法是使用一個escrow：

很好，現在就不會有人丟幣了。但現在Bob就對Alice的出價有了一個免費的排他性期權。雖然現在Alice的錢保管在托管方手里，但這些錢既不能接受其他人的交易請求，也不能保證跟Bob的交易一定會成功。你可以用懲罰惡意行為來解決這個問題，但是你很難確定合理的懲罰力度，因為不同DeFi交易的價值差別非常大。你也可以要求所有市場參與者從一開始就把錢都放在同一個儲蓄合約里，但這樣就重新使得狀態集中化、取消了分片的意義。

另一個需要注意的事情是，這些并發問題可能非常棘手。在現實的交易所中，訂單的填充狀態需要不斷更新，這就使得寫一遍的更加復雜。如果說困擾以太坊1.0的可重入漏洞是蝴蝶，可能引起巨大的后果，那并發問題就是床上的臭蟲，無孔不入。并發漏洞是不確定的，而且在測試中可能根本看不出來。就像我們在上面的簡單的交換的例子中看到的，開發者需要從頭重新思考整個架構，就像床上的臭蟲，清除它們的唯一辦法就是把一切都推倒，從頭重建。

交易所是DeFi世界其余部分的基石，而且顯然是個川流不息的連續過程。我們已經看過了訂單簿類型的交易所面臨怎樣的挑戰。自動化做市商交易所還簡單點，因為參與者已經將資金都存儲在托管方處，但在這種情境下，儲備起來的余額本身就阻礙了并行化處理。即使在更快的傳統交易所里，結算活動最終也是在一個撮合引擎里面按順序處理的，不會用到并發，。想深入了解傳統交易所是如何運作的，可觀看BrianNigito的演講。

上面說的不代表這些問題是不可能解決的。最簡單的解決方案就是要求所有這些協議在每一個分片上都部署一個獨立的實例，然后讓套利者來保證不同實例之間沒有價差。又或者，我們可以讓一個同步的分片擁有足夠強大的性能，強大到可以包含所有的DeFi交易，然后就不用煩惱并發問題了。

在本文中，我們歷數了以太坊在擴展DeFi容量時的局限性。如你所見，這是一個復雜的問題，沒有顯而易見的解決辦法。在后續的文章中，我們會深入了解具體的一類解決方案，“Layer-2方案”，并闡述0x自己的想法。

參考文獻

DanielPerez&BenjaminLivshits(2019).“BrokenMetre:AttackingResourceMeteringinEVM.”

Daianetal.(2019).“FlashBoys2.0:Frontrunning,TransactionReordering,andConsensusInstabilityinDecentralizedExchanges.”

BrianNigito(2017).“HowtoBuildanExchange.”

DannyRyan(2020).“TheStateofEth2,June2020.”

ScottShapiro&WilliamVillanueva(2020).“ETH2Phase2WIKI.”

NearProtocolshardingdesign原文鏈接:

https://blog.0xproject.com/scaling-defi-layer-one-7eeb24aca4f0

作者:?RemcoBloemen

翻譯&校對:?閔敏?&?阿劍

Tags：GAS以太坊EFIDEFIMEGASHIBnear幣是下一個以太坊嗎RACEFIDEFI S幣

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