区块链扩容方案之Gas值限制

区块链扩容一直是区块链团队的重点研究方向。因为比特币对区块大小的设定是固定的，而且中本聪将最初大小值限定为1M，但随着交易量的增加，网络拥堵情况也愈渐严重，最终也导致了比特币的分叉。

区别于比特币固定区块大小的设定，以太坊则引入了燃料（gas）的概念，并采取了区块燃料限制（Block Gas Limit）动态调整机制，即根据交易量大小来调节Block Gas Limit。通常我们以TPS来衡量区块链的交易处理能力， Block Gas Limit值越大则意味着允许区块打包的交易量也就越多，也就是说网络拥有越高的TPS。所以，以太坊的扩容方案之一就是提高Gas值限制，以此来缓解网络拥堵的情况。

Gas Limit动态调整机制

以太坊主要通过矿工投票机制来决定目标燃料限制（TGL，Target Gas Limit），同时不能小于最小燃料限制（MGL，Min Gas Limit）。而其动态调整机制主要是在区块gas使用量超过父区块Block Gas Limit的2/3时，全网对当前区块的Block Gas Limit进行适当提升，但不允许超过TGL。

然而，通过提升Block Gas Limit的扩容方案在实现上也有弊端。若Block Gas Limit无上限，那么区块在进行广播的时候必定会有时延问题。越高的TGL也就意味着Block Gas Limit值越大，被允许打包到区块之中的交易越多，消耗的gas也就越多，其同步到整个区块链网络所需的时间也就越长，那么该区块也很有可能因为时延问题而竞争失败，最终被抛弃而成为叔块（Uncle Block）。根据Vitalik Buterin的脚本实验分析，被打包的区块每增加1,000,000 gas价值的交易，其变为叔块的概率就会增加约1.86%。一方面，因为数块只能获得75%的区块奖励，所以矿工因为利益问题也不愿意选择提升TGL。另一方面，在提升TGL的同时也需要面临算力中心化的问题。就目前来说，尚未找到合适的数学算法来对TGL进行设定，其决定权依然归属于矿工，所以区块燃料限制动态调整机制仍需完善。

Gas相关的计算

Gas主要用来支付交易的手续费，其计算也相对简单。当我们在进行交易时，gas的最大消耗限制需要由交易者自行设置，即gas limit。那么我们可以得到交易的最大gas费用计算公式，如下所示

其中，表示允许消耗的gas最大值，表示单位gas的价值，两者相乘即为最大的交易手续费。举例来说，若Gas Limit=50,000,Gas Price=20Gwei，那么所需最高手续费（以最大消耗量来算）为0.001ETH。其中

然而在整个交易执行过程中，还可能涉及其他费用，如合约创建费用等。那么实际消耗的gas计算公式，如下所示

其中，Predifined Gas Fee表示执行交易预定费用，Storage Fee表示随交易发送的数据的gas费用（零字节和非零字节会根据对应的设定值消耗一定的gas量），Contract Creation表示合约创建交易还需额外的费用。

那么，交易完成后剩余的gas即为交易最大gas费用减去使用的Intrinsic Gas

其中，Gas Limit≧Intrinsic Gas，待交易执行完毕，剩余的gas也会退还给交易者。

在费用估算上，对交易者而言，前期gas费用可以取最大gas费用与传送总值的总和。

其中，Upfront Cost表示交易执行的前期费用，Gas Limit表示gas消耗的最大量，Gas Price表示gas单价，Value表示发送方传送给接收方的总值。

对于以太坊网络来说，“网络又堵了”常常被拿出来讨论。从2017年的加密猫堵死网络事件到近期的交易所刷单大拥堵事件，或者是面对黑客的DDOS攻击，以太坊也尝试通过调整Gas值限制来解决网络堵塞问题，虽然可以见到暂时性的成效，但问题并没有完全解决，仍需通过其他扩容方案来优化网络性能，从而有效解决网络大拥堵问题。