Газ и выполнение транзакций

Зачем нужен газ

Каждая операция в EVM стоит газ — единицу вычислительной работы. Газ решает две фундаментальные проблемы:

1. Halting problem: Тьюринг-полная машина может зациклиться. Газ гарантирует, что любое выполнение завершится (когда газ закончится)
2. DoS protection: Без газа злоумышленник мог бы бесплатно нагружать сеть тяжелыми вычислениями

Цель урока: Вы сможете объяснить EIP-1559, рассчитать стоимость транзакции, сравнить газовую стоимость опкодов и применить основные приемы оптимизации.

Интуитивная аналогия: бензин и поездка

EIP-1559: динамическая модель комиссий

До обновления London (август 2021) Ethereum использовал аукцион первой цены: кто больше заплатил — того транзакцию включили первой. Это приводило к непредсказуемым комиссиям и переплатам.

EIP-1559 ввел новую модель с базовой комиссией (base fee), которая:

• Автоматически подстраивается под нагрузку сети
• Сжигается (burned) — не достается валидатору
• Дополняется приоритетной комиссией (priority fee / tip) — идет валидатору

Три поля комиссии в транзакции

Поля транзакции (тип 2, EIP-1559):
  maxFeePerGas          -- максимум за единицу газа (gwei)
  maxPriorityFeePerGas  -- максимальный tip валидатору (gwei)
  gasLimit              -- максимум единиц газа

Как вычисляется baseFee

Базовая комиссия корректируется каждый блок в зависимости от заполненности предыдущего блока:

• Target = 15M gas (50% от максимума 30M gas)
• Блок заполнен >50% → baseFee растет (до +12.5% за блок)
• Блок заполнен <50% → baseFee падает (до -12.5% за блок)
• Блок заполнен ровно 50% → baseFee не меняется

Формула:

new_base_fee = old_base_fee * (1 + (gas_used - target) / target / 8)

Попробуйте перемещать ползунок заполненности блока и наблюдайте, как меняется baseFee:

Расчет стоимости транзакции

Пошаговый расчет для конкретного примера:

Дано:
  maxFeePerGas          = 30 gwei
  maxPriorityFeePerGas  = 2 gwei
  baseFeePerGas         = 12 gwei  (установлено протоколом)
  gasLimit              = 100000
  gasUsed               = 21000    (простой перевод ETH)

Вычисляем:
  1. effectiveGasPrice = min(maxFeePerGas, baseFeePerGas + maxPriorityFeePerGas)
                       = min(30, 12 + 2)
                       = 14 gwei

  2. totalCost = gasUsed * effectiveGasPrice
               = 21000 * 14
               = 294000 gwei
               = 0.000294 ETH

  3. burned = gasUsed * baseFeePerGas
            = 21000 * 12
            = 252000 gwei (сожжено)

  4. validatorTip = gasUsed * (effectiveGasPrice - baseFeePerGas)
                  = 21000 * (14 - 12)
                  = 42000 gwei (валидатору)

  5. refund = (gasLimit - gasUsed) * effectiveGasPrice
            = 79000 * 14
            = 1106000 gwei (возвращено отправителю)

Что происходит при высокой baseFee?

Если baseFeePerGas + maxPriorityFeePerGas > maxFeePerGas:

  baseFeePerGas         = 29 gwei
  maxPriorityFeePerGas  = 2 gwei
  maxFeePerGas          = 30 gwei

  effectiveGasPrice = min(30, 29 + 2) = 30 gwei
  Фактический tip   = 30 - 29 = 1 gwei (меньше заявленных 2 gwei)

Если baseFeePerGas > maxFeePerGas — транзакция не будет включена в блок. Она ждет в мемпуле, пока baseFee не снизится.

Стоимость опкодов

Каждый опкод EVM имеет фиксированную стоимость в газе. Некоторые операции имеют переменную стоимость в зависимости от данных или контекста.

EIP-2929: Cold и Warm Access

С обновления Berlin (апрель 2021, EIP-2929) введено разделение на cold и warm доступ:

• Cold access — первое обращение к адресу или слоту хранилища в транзакции. Дороже
• Warm access — повторное обращение к тому же адресу/слоту. Дешевле

Это отражает реальную стоимость: первое чтение требует загрузки данных с диска, повторное — из кеша.

Примеры:
  SLOAD slot_X (первый раз)  = 2100 gas  (cold)
  SLOAD slot_X (второй раз)  = 100 gas   (warm)

  Экономия при повторном доступе: 2000 gas!

Изучите стоимость всех основных опкодов:

Почему SSTORE такой дорогой?

SSTORE (запись в хранилище) — самая дорогая базовая операция EVM:

Главный вывод: Минимизируйте запись в хранилище. Одна операция SSTORE (22100 gas) = 7367 операций ADD (3 gas).

Жизненный цикл транзакции

Шаг 1: Проверка

1. Подпись валидна (ECDSA, см. CRYPTO-11)
2. Nonce совпадает с текущим nonce аккаунта
3. Баланс >= gasLimit * maxFeePerGas + value
4. gasLimit >= intrinsic gas (21000 для трансфера)

Шаг 2: Предварительное списание

Списание = gasLimit * maxFeePerGas
Баланс -= списание
Nonce += 1

Шаг 3: Выполнение

EVM выполняет байткод контракта (или просто перевод ETH).
Каждый опкод уменьшает gas counter.
Если gas == 0 -- выполнение откатывается (revert).

Шаг 4: Финализация

refund = min(gasUsed / 5, accumulated_refund)
effective_refund = (gasLimit - gasUsed + refund) * effectiveGasPrice
Баланс += effective_refund

burned = gasUsed * baseFeePerGas
tip = gasUsed * (effectiveGasPrice - baseFeePerGas)
Валидатор получает: tip
Протокол сжигает:   burned

Intrinsic Gas

Каждая транзакция имеет базовую стоимость до выполнения байткода:

Пример: простой перевод ETH
  intrinsic_gas = 21000 + 0 (нет calldata)
  Итого: 21000 gas

Пример: вызов функции transfer(address,uint256)
  calldata = 4 байта selector + 32 байта address + 32 байта amount = 68 байт
  intrinsic_gas = 21000 + 68 * 16 = 22088 gas (если нет нулевых байт)

Математическое описание

EIP-1559 формально

Пусть $B_n$ — baseFee блока $n$, $g_n$ — gasUsed блока $n$, $T = 15{,}000{,}000$ — target gas:

$B_{n+1} = B_n \cdot \left(1 + \frac{g_n - T}{T \cdot 8}\right)$

Максимальное изменение за блок: $\pm 12.5\%$ (при $g_n = 30M$ или $g_n = 0$).

При постоянной загрузке $g_n = \alpha \cdot 2T$ (доля от максимума):

$B_{n+k} = B_n \cdot \left(1 + \frac{2\alpha - 1}{8}\right)^k$

Effective gas price

$p_{eff} = \min(p_{max}, B_n + p_{priority})$

Где $p_{max}$ = maxFeePerGas, $p_{priority}$ = maxPriorityFeePerGas.

Total transaction cost

$C = g_{used} \cdot p_{eff}$

Распределение: $C_{burned} = g_{used} \cdot B_n$ $C_{tip} = g_{used} \cdot (p_{eff} - B_n)$

Оптимизация газа: практические советы

1. Минимизируйте SSTORE

// Плохо: 2 записи в storage
function bad(uint256 x) external {
    counter += x;     // SSTORE
    total += x;       // SSTORE
}

// Лучше: кешируйте в memory
function better(uint256 x) external {
    uint256 _counter = counter;  // SLOAD
    uint256 _total = total;      // SLOAD
    _counter += x;
    _total += x;
    counter = _counter;  // SSTORE
    total = _total;      // SSTORE
}
// Экономия: если counter/total читались ранее (warm), нет разницы.
// Но если были доп. чтения -- memory дешевле.

2. Упаковка переменных (Slot Packing)

// Плохо: 3 слота
contract Bad {
    uint128 a;   // slot 0
    uint256 b;   // slot 1
    uint128 c;   // slot 2
}

// Хорошо: 2 слота
contract Good {
    uint128 a;   // slot 0 (lower)
    uint128 c;   // slot 0 (upper) -- packed!
    uint256 b;   // slot 1
}

3. Calldata вместо Memory

// Дороже: копирует массив в memory
function bad(uint256[] memory data) external { ... }

// Дешевле: читает прямо из calldata
function better(uint256[] calldata data) external { ... }

4. Custom Errors вместо require строк

// Дороже: строка хранится в байткоде
require(balance >= amount, "Insufficient balance");

// Дешевле: custom error
error InsufficientBalance(uint256 available, uint256 required);
if (balance < amount) revert InsufficientBalance(balance, amount);

5. Используйте unchecked для безопасных операций

// С проверкой переполнения (по умолчанию в Solidity 0.8+)
for (uint256 i = 0; i < length; i++) { ... }

// Без проверки (i не может overflow в реалистичном цикле)
for (uint256 i = 0; i < length; ) {
    ...
    unchecked { i++; }
}

Практика

1. Используйте слайдер в диаграмме EIP-1559 чтобы исследовать:

   • Как baseFee реагирует на 100% загрузку блока?
   • При какой загрузке baseFee стабилен?
   • Что происходит с tip при высокой baseFee?

2. В таблице стоимости опкодов найдите:

   • Самый дешевый опкод
   • Самый дорогой (без CREATE)
   • Разницу между cold и warm SLOAD

3. Рассчитайте вручную стоимость транзакции:

   • maxFeePerGas = 25 gwei, maxPriorityFeePerGas = 3 gwei
   • baseFeePerGas = 20 gwei, gasUsed = 50000
   • Сколько сожжено? Сколько получил валидатор?

Итоги

• Газ — единица вычислительной работы, решает halting problem и защищает от DoS
• EIP-1559: baseFee (сжигается, автоподстройка) + priorityFee (валидатору)
• baseFee растет при загрузке >50%, падает при <50%. Макс. изменение: 12.5% за блок
• effectiveGasPrice = min(maxFee, baseFee + priorityFee)
• Cold/warm access (EIP-2929): первый доступ к слоту/адресу дороже
• SSTORE cold (0->non-0) = 22100 gas — самая дорогая базовая операция
• Оптимизация: минимизируйте SSTORE, пакуйте переменные, используйте calldata и custom errors