以太坊扩容：通往4500万Gas上限及更远之路

简介

随着以太坊的持续增长，对区块空间的需求也在增长。虽然 L2 持续扩展，但我们也致力于扩展 L1。随着 Pectra 的成功部署以及从 3/6 到 6/9 个 blob 的增加，网络已经证明了其在保持安全性和去中心化的同时，系统地扩展 blob 的能力。下一个分叉 Fusaka，将推出一项旨在提高 blob 吞吐量的功能 (PeerDAS)。随着在这方面取得的进展，我们将注意力转向另一个前沿：在近期内将 gas 上限从当前的 3600 万扩展到 4500 万，并明确了通往每个区块 6000 万甚至 1 亿 gas 上限的路径。

本文概述了我们扩展 gas 上限的综合方法，该方法基于柏林互操作周期间进行的大量测试以及对瓶颈的持续研究工作。

背景：为什么 Gas 上限扩展很难

gas 上限直接决定了以太坊的交易吞吐量能力，并对网络产生许多二阶影响。然而，扩展 gas 上限不仅仅是更改一个参数的问题——它需要仔细分析：

• 执行性能：客户端处理较大区块的速度有多快？
• 网络传播：区块是否能在 4 秒的期限内到达网络中的所有节点（验证者和完整节点）？
• 状态增长：较大的区块如何影响同步时间、数据访问时间和存储需求？
• RPC 性能：我们是否可以继续在链顶端提供数据？
• 共识层影响：对共识操作有何影响？

我们的三大支柱方法

1. OPCODE 和预编译基准测试

执行 OPCODES 和预编译直接影响执行一个区块所需的时间。如果交易验证所需的时间超过了证明截止时间，那么我们就会面临更高的区块被网络一部分错过的情况 - 从而导致直接的攻击。这样的交易意味着我们要么错误地定价了执行它们所需的 gas，要么客户端团队缺少优化来提高性能。

当前状态：在柏林互操作周期间取得了重大进展。客户端团队已经大幅改善了他们的最坏情况区块处理时间，现在大多数操作都达到了我们 20M gas/秒的阈值（gas/秒在脚注中进行了扩展）。

主要发现：

• ECRecover、Blake2f、Datacopy、BLS 预编译和 MSTORE 在规模上都不是问题
• BN256Add、BN256Pairing 和 BN256Mul 已被客户端团队成功优化
• 主要的剩余瓶颈是 MODEXP，将通过 EIP-7883 和进一步的客户端改进来解决

显示最坏情况 gas 性能的仪表板（在 MODEXP 重新定价后）：

测试基础设施：我们的性能测试利用了以下工具，包括：

• perf-devnet-1：一个运行在 1 亿 gas 且具有真实负载的 mainnet shadowfork，允许我们在交易负载上模拟类似于 mainnet 的性能
• gas-benchmarks：自动化基准测试框架，允许我们重现问题并比较缓存和未缓存的操作
• execution-spec-tests：编写性能测试的规范方法，这些测试可以被基准测试工具以及客户端 CI 使用。

2. 状态增长分析

gas 上限越高，状态增长率增加的可能性就越大。更大的状态意味着同步节点需要更长的时间，但是一旦状态变得非常大，也会对数据库性能造成影响。有关状态增长的更多担忧，请观看此视频 "以太坊数字：TPS 在哪里遇到物理学 / Péter Szilágyi"。因此，我们的扩展方法需要特别注意状态增长及其长期影响。

方法：我们正在使用具有明显较大状态大小的特定 devnet，对较大的区块如何影响状态增长、处理降级和同步性能进行全面分析。

主要关注点：

• 更深层次的 trie 结构如何影响大规模的存储操作（如 SSTORE、合约部署、SLOAD、witness）？
• 更大的状态如何影响 trie 根计算？
• 客户端团队使用的各种数据库样式在这些规模下的表现如何？
• 对快照同步性能有何影响？
• 归档节点如何处理增加的存储需求？
• 在更高的 gas 上限和更大的状态下，我们是否可以继续在合理的时间内提供 RPC 请求？

测试环境：

• Bloatnet：专门的 devnet，生成 2 倍于 mainnet 状态大小的具有深层叶子包含
• 真实世界的交易模式，以模拟真实的增长场景
• 在各种负载条件下进行全面的 RPC 性能测试

3. 安全性和共识层影响

gas 上限的增加并非孤立发生 - 它们对共识层和整体网络安全具有深远的影响。共识层目前具有 10MB p2p gossip 上限，因此我们需要确保所有层的总体块大小以及最坏情况下的共识层开销（Attester slashings）永远不会超过此阈值。更大的块大小也意味着传播时间的恶化，我们需要确保网络中的 p99 继续及时收到块。

方法：我们花费大量时间从安全角度分析 gas 上限，并分析网络性能，以确保网络可以处理更高的 gas 上限。

主要考虑因素：

• 信标块大小影响：我们需要确保所有层的组合最坏情况大小不超过某些 p2p 阈值。
• 网络传播：分析确保块在 4 秒的截止时间内到达超多数节点

当前推荐的里程碑：45M

45M Gas 上限（立即）

状态：准备好部署！

我们全面的测试表明，没有迁移到 45M gas 上限的障碍。所有客户端实现都表现出足够的性能，并且网络传播仍然在安全范围之内。

关键指标：

• 最坏情况区块处理时间：所有主要客户端均 <3 秒
• 网络传播：99.5% 的节点达到 <4s 的接受率
• 无需额外的 EIP
• 所有客户端都已发布更新的默认值（或将很快发布）

前进的道路

扩展之路不会在 45M 停止，我们打算使用这些工具继续安全地扩展以太坊。我们已经确定了一些与 MODEXP 相关的优化，可以让我们在短期内进行更多的扩展，而与椭圆曲线相关的优化是扩展到更高水平所必需的。今年晚些时候我们还将推出 Fusaka 分叉，理论上可以将 gas 上限扩展到 1 亿。

我们希望我们为提高 gas 上限奠定的基础不仅有助于 L1 的扩展之旅，而且还有助于 L2 的扩展之旅。我们的目标是让我们在未来几个月发布的工具、方法和分析能够帮助整个以太坊社区。

我们确实要重申，在我们继续这段旅程时，我们的承诺保持不变：负责任地扩展以太坊，保持去中心化，并且永远不要为了吞吐量而牺牲安全性。柏林互操作周展示了以太坊生态系统在性能改进方面进行协作的卓越能力 - 因此，我们要向所有团结起来实现这一目标的客户端团队大声致敬。

脚注

以太坊上的一个 slot 需要 12 秒，但是，我们的证明截止时间是 4 秒。这意味着在理想的操作下，区块需要在 4 秒内生成和传播。我们在谈论基准测试时谈论 gas/秒，因为它们是表示我们可以在 4 秒的 slot 证明截止时间内接受多大的区块的一种方式。如果我们的客户端以 20M gas/秒的速率执行，则意味着网络可以处理的最大 gas 上限为每个区块 80M -> 20M gas/秒 x 4 秒。

• 原文链接： ethpandaops.io/posts/gas...
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