九思札记 · 探索区块链 · AI

Gas 在以太坊中不是燃料的隐喻，而是去中心化计算的通用定价机制。它解决了两个根本问题：(1) 防止无限循环和 DoS 攻击——每个操作都有可量化成本；(2) 在资源稀缺时提供公平分配的市场机制。EIP-1559 将这套市场从"一价拍卖"改造为"双因素定价"，是区块链经济设计史上最重要的实验之一。

7.5.1 从指令成本到交易定价

EVM 中每个操作码消耗特定量的 Gas。一笔交易的总成本：

\text{Total Cost}_{\text{ETH}} = \text{GasUsed} \times \text{GasPrice}

其中 GasUsed 是该交易实际执行过程中所有操作码的累计成本。GasPrice 由发送者在交易签名时自行设定。

常见 Gas 基准值（伦敦升级后）：

操作	Gas 消耗	说明
交易基础开销 `TXBASE`	21,000	每笔交易最低成本
`SSTORE`（首次写入非零）	20,000	最昂贵操作，因为写磁盘
`SSTORE`（修改已有）	5,000	覆盖写入成本
`SLOAD`	100（热）/ 2,100（冷）	状态访问成本，分冷热状态
`CREATE`	32,000 + bytecost(200/gas)	部署新合约
`ECRECOVER` (预编译)	3,000	签名恢复
内存扩展	`mem = 3 × words + words² / 512`	非线性二次增长

7.5.2 Pre-EIP-1559：首价拍卖的缺陷

在 EIP-1559 之前，以太坊采用首价拍卖（First-Price Auction）：

\text{Fee} = \text{GasUsed} \times \text{GasPrice}_{\text{bid}}

用户需要猜测当前网络的"合理价格"。这种机制的问题：

价格波动极大：高峰时 1 Gwei，拥堵时飙升至 200+ Gwei；
过高出价浪费：用户为保险出高价，实际只需出最低价即可纳入；
矿工可操纵：矿工可将自有交易（MEV）优先，甚至留空区块迫使价格下降；
用户体验差：钱包无法准确估计"当前合理价格"。

7.5.3 EIP-1559：双因素定价模型

EIP-1559（伦敦升级，2021 年 8 月 5 日）引入了一套全新的交易格式和定价机制。

三个新参数

参数	说明	控方
BaseFee	协议自动计算的基础费用，被销毁	协议/算法
MaxPriorityFee	用户给矿工/验证者的"小费"	用户
MaxFeePerGas	用户愿意支付的最高单价上限	用户

实际支付单价：

\text{GasPrice}_{effective} = \min\left(\text{BaseFee} + \text{MaxPriorityFee}, \ \text{MaxFeePerGas}\right)

总费用拆分：

\text{Total} = \underbrace{\text{GasUsed} \times \text{BaseFee}}_{\text{被销毁（通缩压力）}} + \underbrace{\text{GasUsed} \times \text{PriorityFee}}_{\text{给验证者（激励）}}

BaseFee 自动调节算法

协议设定每区块 15M Gas 的目标使用量，最大上限 30M。

\text{BaseFee}_{n+1} = \text{BaseFee}_n \times \left(1 + \frac{\text{GasUsed}_n - \text{GasTarget}}{\text{GasTarget}} \times \frac{1}{8}\right)

若区块使用 15M（目标值）→ BaseFee 不变；
若区块使用 30M（满）→ BaseFee 上升 12.5%；
若区块使用 0M（空）→ BaseFee 下降 12.5%。

graph TD
    A[GasUsed=10M<br>&lt;15M] -->|BaseFee × 0.875| B[BaseFee 下降 12.5%]
    C[GasUsed=15M<br>=目标] -->|BaseFee 不变| D[稳定]
    E[GasUsed=30M<br>满] -->|BaseFee × 1.125| F[BaseFee 上升 12.5%]
    D --> G[用户 MaxPriorityFee 小费竞争纳入]
    style B fill:#ccffcc
    style F fill:#ffcccc

7.5.4 "超声货币"叙事：销毁的通缩引擎

EIP-1559 的 BaseFee 销毁使得以太坊每天的销毁量可预测。在繁忙时期（如 NFT 发行、DeFi 热潮），销毁速度可超过区块奖励的发行速度：

\text{Net Issuance} = \text{Block Rewards} - \text{BaseFee Burn}

当 $\text{BaseFee Burn} > \text{Block Rewards}$ 时，ETH 总供应量负增长，形成通缩。

// eip1559-basefee-sim.ts
// 纯内置：模拟 EIP-1559 BaseFee 调节与销毁逻辑

function simulateBaseFee(
  initialBaseFee: bigint,
  blockGasUsed: bigint[],
  gasTarget: bigint
): { baseFees: bigint[]; totalBurn: bigint } {
  let baseFee = initialBaseFee;
  const baseFees: bigint[] = [baseFee];
  let totalBurn = 0n;

  for (const gas of blockGasUsed) {
    const delta = gas - gasTarget;
    // 每 1/8 的调整系数
    const adjustment = 1n + (delta * 1n) / (gasTarget * 8n);
    // 整数运算模拟
    baseFee = (baseFee * adjustment) / 1n;
    if (baseFee < 1n) baseFee = 1n;
    baseFees.push(baseFee);
    totalBurn += gas * baseFee;
  }
  return { baseFees, totalBurn };
}

// 模拟 5 个区块：15M → 20M → 30M → 15M → 5M
const gasUsed = [15_000_000n, 20_000_000n, 30_000_000n, 15_000_000n, 5_000_000n];
const result = simulateBaseFee(1_000_000_000n, gasUsed, 15_000_000n);
console.log('BaseFee 序列 (Gwei):');
result.baseFees.forEach((f, i) => console.log(`  Block  ${i}:$ {Number(f) / 1e9} Gwei`));
console.log(`总计销毁: ${result.totalBurn / 1e18n} ETH-equivalent units`);
// 输出：拥堵时上升，空闲时稳定/下降，验证 BaseFee 的动态调节

7.5.5 交易池选择与排序

在 EIP-1559 下，交易池按 有效 Gas 价格 排序：

\text{sortKey} = \min\left(\text{maxFeePerGas}, \ \text{baseFee} + \text{maxPriorityFeePerGas}\right)

graph LR
    A[用户提交交易] --> B[验证 MaxFeePerGas >= BaseFee]
    B --> C[加入 mempool]
    C --> D[按有效价格降序排序]
    D --> E[区块构建器选择前 N 笔<br>至 gas limit]
    E --> F[执行 + 纳入区块]
    style E fill:#ccffcc

这与 PoW/PoS 的区块构建者（Builder）角色紧密相关。在 PBS（Proposer-Builder Separation）下，Builder 专门优化交易排序以捕获 MEV（最大可提取价值），验证者仅选择最高价值区块头。