介紹

多維 EIP-1559 於 2022 年 1 月由 Vitalik Buterin 在 EthResearch 文章中首次提出，隨後成為一個研究課題。儘管其關注度不及 rollups、MEV 或數據可用性解決方案等研究領域，但它仍是一個活躍的研究方向。

近期，Guillermo Angeris 和 Theo Diamandis 發表的研究論文探討了多維費用市場的理論基礎與穩健性，並提出其構建方法。實際上，多維費用市場如今已被應用。隨著以太坊在 2024 年 3 月實施 EIP-4844，引入了 blob gas，為 blob 交易創建了獨立的費用市場。這標誌著以太坊從單維 gas 模型轉向了二維費用市場。

然而，為了優化交易資源使用，仍需增加資源維度。擴展多維費用市場是一種可擴展性解決方案，有助於以太坊更高效地管理不同類型的資源。

本文將探討多維 gas 費用市場的重要性及其運作機制，解釋其如何增強以太坊的可擴展性和資源分配。

首先，讓我們深入瞭解什麼是多維 gas 定價。

什麼是多維 gas 定價？

多維 gas 定價是一種 L1 可擴展性解決方案，類似於以太坊近期實施的提高 gas 限制。雖然它不會直接提升以太坊的總交易容量，但能在現有限制內最大化資源利用率，從而允許更多去中心化應用（DApps）和用戶在以太坊基礎層進行交易而不會造成不必要的擁堵。

目前，以太坊將計算、存儲和帶寬等所有資源成本捆綁在單一 gas 單位中。多維 gas 定價則將這些資源分開，在保持以太坊安全性和去中心化的同時優化其分配。

為了理解為什麼這種做法有益，我們可以考慮一個現實世界的類比。

健身俱樂部類比

假設有一個健身俱樂部，提供多種設施，如用於有氧運動的跑步機、用於舉重訓練的深蹲架以及用於一般訓練的啞鈴。會員有不同的偏好：有些人專門使用跑步機，另一些則專注於深蹲架，還有一些人交替使用兩者。

在一個基於總會員數量收取固定入場費的系統中，低效現象便會出現。當天跑步機過於擁擠，而深蹲架使用較少時，所有會員都必須支付高額的入場費，這使得舉重訓練的人為他們沒有造成的擁堵買單。類似地，當深蹲架需求量大而跑步機空閒時，有氧運動的使用者也需要承擔不必要的費用。這種單一定價方式將健身房的容量與最擁擠的資源掛鉤，導致其他設施的使用率不足。這就可以視為一種單維定價模型。

現在，假設健身房引入了多維定價模型。它不再收取統一的入場費，而是針對跑步機和深蹲架分別收費。這樣，有氧運動的用戶和舉重訓練的用戶就不再相互影響，健身房也能通過獨立管理這些資源來優化容量。通過更加平衡的利用，健身房可以在不增加整體擁堵的情況下容納更多用戶。

這種做法展示了多維定價的本質：將資源劃分為獨立的市場，以提高公平性和效率。然而，過多的細化，如為每一件器材設定單獨的價格，可能會引入不必要的複雜性，使得系統更難使用。這就是為什麼在實際操作中，健身房通常保持固定的入場費，並堅持使用單一定價模型。

就像跑步機和深蹲架的分開收費能減少擁堵一樣，以太坊也可以為計算和數據使用等資源設置獨立的市場。

這如何適用於以太坊

在 EIP-4844 之前，以太坊使用的是單一維度的 gas 定價模型，其中所有交易資源，包括計算、存儲和帶寬，都被捆綁到一個單一的指標中：gas。這種模型本質上會導致低效現象，類似於健身俱樂部的類比：

• 如果某一資源（如計算）被大量使用，即便其他資源未被充分利用，所有用戶的費用也會增加。
• 如果某些資源有過剩的容量，由於固定的 gas 限制，它們無法被使用。

這種低效的一個關鍵例子是 rollups 之前如何存儲交易數據。在 EIP-4844 之前，rollups 會將其交易數據發佈到以太坊的 calldata 字段，並根據 calldata 定價支付 gas 費用。然而，隨著 EIP-4844 在 2024 年 3 月的實施，rollups 現在使用了一種叫做 blob gas 的獨立單位，這使得它們可以將數據存儲在名為 blobs 的專用結構中。

儘管 EIP-4844 為 rollup 數據引入了第二個 gas 維度（blob gas），但其應用範圍仍然有限：blob gas 僅適用於 blob 交易。其他交易組件——包括 EVM 執行、calldata 和存儲，仍然按照單一 gas 模型定價。以太坊交易仍然消耗多個獨立的資源，但所有資源都以 gas 為價格單位，這導致了低效的最壞情況。

例如，假設一個交易在 EVM 執行中消耗了整個 gas 限制（目前為 3600 萬）。即使以太坊節點能夠安全處理更大的數據量，交易也無法傳播額外的數據，因為 gas 被視為單一限制，而不是多個獨立限制。

當我們查看以太坊的區塊大小分佈時，這個問題變得更加明顯。從 2024 年 7 月到 2024 年 12 月，平均區塊大小約為 73KB，大多數區塊的大小遠低於 100KB。然而，在區塊 #21419230 中，最大區塊大小達到了 1.48MB，是平均值的 20 倍。

多維 gas 定價通過將每個資源獨立對待來解決這個問題：計算、存儲和帶寬分別設定定價和限制。這種分離防止了某個資源主導 gas 成本的瓶頸，並在不增加安全風險的情況下優化了容量。

Vitalik Buterin 的文章提出了多個關鍵資源類型用於分離。讓我們探討這些候選資源以及為何分離它們能提高以太坊的可擴展性。

通過多維 gas 定價可以分離哪些資源？

在設計多維費用市場時，資源獨立性是最關鍵的因素之一。如果兩個高度相互依賴的資源被放入獨立的費用市場中，可能會導致低效、定價錯誤和不必要的複雜性。例如，如果計算（CPU 週期）和內存使用（RAM）被單獨定價，而它們彼此依賴，用戶可能通過在兩者之間轉移成本來操縱系統，從而導致次優定價。

因此，在將以太坊資源分類到獨立的 gas 市場之前，我們必須首先確定哪些資源足夠獨立，可以單獨定價而不扭曲網絡經濟學。

本質上，以太坊節點是一個管理多個資源並行處理的計算機。傳統硬件資源被劃分為不同的組件，可以獨立優化：

• 計算（CPU）——執行 ADD、MULTIPLY 和智能合約執行等操作。
• 內存 I/O（RAM）——讀取/寫入臨時數據，影響執行速度。
• 存儲 I/O（SSD/HDD 讀/寫）——持久化狀態訪問，影響長期存儲效率。
• 存儲增長（磁盤空間增加）——存儲數據的擴展，影響節點的可持續性。
• 帶寬（網絡數據傳輸）——傳輸交易和區塊數據的能力。

這裡的關鍵原則是並行性：如果一個系統可以獨立處理這些資源，那麼將它們分開定價是有意義的。將這一原則應用於以太坊，我們應該以一種方式對以太坊資源進行分類，使得以太坊節點能夠在沒有不必要依賴的情況下高效運行。

與計算機不同，以太坊操作並不能完全符合某一類別。許多操作同時消耗多個資源，這使得它們難以完美分離。例如，

• 交易 calldata 主要消耗帶寬，因為它必須通過網絡傳輸。同時，它還會增加存儲增長，因為它會永久保存在區塊鏈中。
• SLOAD（存儲讀取）使用存儲 I/O，但如果節點是無狀態的，它還需要帶寬從全節點獲取狀態證明。
• 存儲寫入（SSTORE）比讀取更昂貴，因為它會增加以太坊的持久狀態，導致長期存儲膨脹。

這些相互依賴性使得將每個資源單獨劃分為自己的定價市場變得不切實際。相反，我們應該專注於那些直接影響以太坊可擴展性的最主要瓶頸。

雖然以太坊操作涉及多個資源，但目前討論的多維定價候選資源包括：

• 計算（EVM 執行）——像 ADD 和 MULTIPLY 這樣的簡單操作是純粹的 CPU 任務。
• 存儲 I/O（SSTORE/SLOAD）——持久讀取和寫入，影響以太坊的狀態膨脹。
• 交易 Calldata ——主要使用帶寬，但也會增加存儲。
• 見證數據——影響帶寬和存儲 I/O，尤其是對於無狀態客戶端。

通過將這些類別與計算機系統如何管理資源對齊，我們可以使以太坊的費用結構更加直觀和高效。

雖然理論上我們可以將以太坊資源細分為更精細的類別，但這樣做會增加複雜性，而收益卻不成比例。因此，我們應該專注於那些限制以太坊當前性能的關鍵瓶頸。

例如，交易 calldata 的大小直接決定了最大區塊大小，使其成為以太坊共識層的一個關鍵瓶頸。此外，必須控制存儲增長，以防止完整節點變得過於昂貴，從而維持去中心化。

因此，與其引入過多的維度，專注於少數幾個主導以太坊效率的關鍵資源是實際的。

在識別出這些主要資源後，我們可以探索實現多維定價的兩種不同方式：獨立的費用市場或修改後的單一 gas 單位。

多維 gas 定價實施方案 1：為每個資源創建獨立的費用市場

實現多維 gas 定價的一種方法是為每個資源創建獨立的費用市場，從而確保更高效的資源分配。通過 EIP-4844，這一方法已經部分實現，EIP-4844 引入了 blob gas 作為一個獨立的單位，用於 rollup 數據存儲。

這個概念可以擴展到其他資源，例如狀態增長或見證數據大小，從而允許以太坊單獨管理每個資源的限制，而不是將所有成本捆綁在單一的 gas 度量下。

為了形式化這一方法，我們可以定義 bi 為資源 i 的基礎費用，gi 為事務中資源 i 的消耗量，ki 為單個區塊內資源 i 的限制。

總交易費用將計算為 ibi*gi，一個區塊必須滿足所有資源 i 的限制條件：所有 txbi ki。像當前的 EIP-1559 模型一樣，bi 會根據前一個區塊的使用情況動態調整。以太坊可以採用指數定價模型（如 blob gas 所使用的模型）或其他費用更新機制來調節資源消耗。

獨立費用市場模型提供了關鍵優勢。通過允許獨立的限制，它提供了對每個資源的精確控制，這有助於避免在當前 gas 模型下低效的最壞情況估算。它還防止了不必要的擁堵，確保一個資源的高需求不會不成比例地提高與之無關的操作費用。此外，這種方法通過直接限制數據傳播等因素，優化了網絡使用，例如將其限制為 1MB 或狀態增長，而不是依賴於間接的 gas 價格調整來調節資源消耗。

雖然獨立的費用市場提供了更好的資源分配，但將資源細分得過於精細會引入重大複雜性。為每種資源類型創建獨立市場將需要對協議進行重大修改，這可能會使以太坊的基礎層不穩定。DApp 和錢包也將面臨額外的挑戰，因為它們需要跟蹤多個費用市場，並預測每個資源的基礎費用波動，這使得成本效益高且及時的交易包含變得更加困難。

另一個問題出現在某個資源經歷不可預測的價格激增時。即使錢包優化了所有其他資源的費用，單一費用市場的突發漲價仍可能導致事務無法被納入區塊，從而為用戶帶來不確定性和低效。

驗證者面臨類似的挑戰，因為他們的目標是最大化收益，同時保持在每個資源限制的約束內。隨著獨立資源市場數量的增加，這種情況變成了一個複雜的優化問題，類似於多維揹包問題，選擇最有利可圖的事務變得越來越困難。

有些人認為，這種複雜性可能不是一個大問題，因為最大可提取價值（MEV）收益在驗證者利潤中佔有重要地位，使得優先費用在決策中不那麼關鍵。然而，完全為每個資源實現獨立費用市場的整體可行性仍然是一個開放的研究問題，需要進一步探索效率、可用性和網絡穩定性之間的權衡。

多維 gas 定價實施方案 2：保持 gas 作為主要單位

完全獨立分離費用市場的一個更簡單替代方案是保留 gas 作為主要單位，同時調整費用計算方式。無需為每種資源引入新的單位，而是根據消耗最多 gas 的資源來確定總交易費用。

我們定義資源 i 的 gas 成本為 ci，資源使用量為 gi。然後交易費用由以下公式確定：

(c1g1, c2g2, c3*g3, …)

交易費用不再是對所有資源的 gas 使用進行求和，而僅根據其消耗的最高費用資源來收費。

例如，考慮一個交易，它消耗了 50,000 gas 用於 EVM 執行和 200,000 gas 用於 calldata。在此模型下，交易費用為 200,000 gas，因為 calldata 是主導資源，而執行費用則被有效忽略。

雖然這種方法簡化了定價，但也引入了潛在的問題：

• 公平性問題：一個使用 200K gas 用於 calldata 和 50K 用於執行的交易，將與另一個使用 200K gas 用於 calldata 和 150K 用於執行的交易支付相同的費用。這激勵了捆綁交易，即多個交易被策略性地組合在一起以利用成本優勢。因此，複雜的優化者可能會受益，使得普通用戶和 DApp 的交易成本變得更加不可預測。
• 資源低效：由於只有最高消耗的資源才算數，用戶可能故意過度使用其他資源而不增加費用。在前面的例子中，EVM 執行最多消耗 150K gas 也不會產生額外費用，從而產生浪費性的交易，增加了網絡負擔而沒有增加成本。

儘管存在這些問題，這種方法的主要優點是簡潔性。通過保持 gas 作為通用定價單位，以太坊避免了管理多個資源單位的複雜性，同時仍然能夠區分不同類型的資源使用。

EIP-7623 將在 Pectra 升級中實現，採用了類似但略微修改的方法。它引入了一種雙重定價機制，用於 calldata 使用量較大的交易，確保這些交易因 calldata 使用不成比例的高額費用而支付更高的費用。雖然這不是一個完全的多維 gas 定價模型，但它代表了在不徹底重構以太坊 gas 結構的情況下，朝著更好的資源區分邁出的重要一步。

EIP-7623與多維gas定價有何關係？

EIP-7623 引入了對數據可用性 (DA) 交易的更高費用，特別是在 calldata 使用量顯著超過執行 gas 使用量時。該機制確保了消耗過多 calldata 的交易支付更高費用，從而避免了不必要的數據存儲，而無需引入新的定價單位。

EIP-7623 gas 計算的簡化版本如下：

total_gas_used = max(4 tokens_in_calldata + evm_gas_used, 10 tokens_in_calldata)

進一步簡化為：

total_gas_used = 4 tokens_in_calldata + max(evm_gas_used, 6 tokens_in_calldata)

此公式通過在執行 gas 和 calldata gas 之間取最大值來確定總 gas 使用量。如果一個交易主要使用 calldata，則會為 calldata 收取更高的費用，而不是通過較低的執行費用來補貼。這可以防止過度的數據存儲，同時確保計算密集型交易不會受到不公平的懲罰。

EIP-7623 是一種簡化版的多維度 gas 定價，因為它在執行 gas 和 calldata gas 之間引入了隱性區分，從而鼓勵網絡資源的更平衡分配。

結論

儘管多維度 gas 定價通常被視為一種經濟或用戶界面/用戶體驗的提升，但它是一個基本的可擴展性改進，能夠實現優化的資源分配。然而，它的實施面臨著重大挑戰，主要是因為需要對協議層進行大量修改，並且完全分離資源類型的難度較大。因此，短期內不太可能採納更高維度的 gas 定價。

儘管面臨這些挑戰，多維度 gas 定價仍然提供了顯著的好處，包括提高資源利用率、增強網絡安全性和可持續的節點運行。通過更有效地利用以太坊的計算和存儲能力，為以太坊提供了在保持去中心化和安全性的同時實現擴展的可行路徑。

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