以太坊区块链交易优化：蒙特卡洛方法与Gasprice预测

区块链：研究与应用3（2022）100074研究文章以太坊区块链Arnaud Laurenta，*，Luce Brotcornea，Bernard Fortza，baINRIA Lille Nord-Europe，40 Avenue Halley，Lille，59000，Franceb布鲁塞尔自由大学A R T I C L E I N F O关键词：定价区块链以太坊优化GaspriceEtherMonte-CarloA B S T R A C T在区块链中，交易费用由用户决定交易被快速处理的可能性随着费用水平的增加而在本文中，我们研究了以太坊区块链中的交易费用优化问题。这个问题包括确定用户应该支付的最低价格，以便在给定的时间内以给定的概率处理其交易为了实现这一目标，我们定义了一种基于蒙特卡洛方法的新解决方案，以预测在给定时间限制内挖掘交易的概率实际数据的数值结果突出了结果的质量1. 介绍2008年，中本聪（Satoshi Nakamoto，化名）推出了第一个数字现金技术，它没有支持或内在价值，也没有集中的发行人或控制者：比特币。该技术是基于区块链原理的加密货币的第一个实现五年后，VitalikButerin提出了一种基于区块链的新技术：以太坊[1]。这项技术背后的想法是通过开发一个内置完全边缘化的图灵完备编程语言的区块链来增强比特币。 这种区块链现在在世界各地被用于支持分散的应用程序。区块链是一个基于交易的系统。在以太坊中，平均每15秒就会创建一个新的区块并添加到主链中。这些块包含影响系统状态的新验证的事务。这些区块是由矿工创建的，他们是系统中的参与者 在大多数区块链中，用户设定他们愿意支付给矿工的价格，作为选择交易的激励。 根据用户支付的金额，在被挖掘之前等待的区块数量可能会有很大的不同。本文的目的是为以太坊的用户提供一种方法来预测最低费用（gasprice），以便他们的交易将在合理的时间内被挖掘为了做到这一点，我们提出了一种预测和优化方法，以确定用户在给定的时间限制T内，以给定的概率α，为其交易支付的最低天然气价格。在第2节中，我们首先定义了以太坊区块链操作：系统中的区块创建和交易接受第3节对以太坊区块链中与用户交易成本相关的工作进行了简要的文献回顾接下来，我们在第4节中定义了天然气价格优化问题，并在第5节中定义了一个用于计算挖掘概率的确定性数学模型，假设交易在时间0是已知 在第6节中，我们描述了一个基于Monte-Carlo方法和二分搜索算法的算法来解决天然气定价问题。 在第7节中，数值结果提供了实际数据的预测方法。最后，我们得出一些结论，我们的方法的性能2. 以太坊区块链本节专门介绍以太坊区块链的定义这种区块链被提议用作加密货币的支持，并支持分散的应用程序。我们参考Ref。[2]对于所有区块链的分类，作者对其架构和协议进行了分类。2.1. 以太坊操作以太坊区块链是一个分散的交易分类账没有实体控制区块链，只有参与者参与其增长和完整性。根据工作量证明协议，系统不能被任何用户入侵、修改或关闭区块链中的交易是外部用户与系统交互一种货币，其单位被称为代币，* 通讯作者。电子邮件地址：arnaud. inria.fr（A. Laurent）。https://doi.org/10.1016/j.bcra.2022.100074接收日期：2021年5月6日;接收日期：2022年1月31日;接受日期：2022年3月6日2096-7209/©2022作者。出版社：Elsevier B.V.代表浙江大学出版社。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表区块链：研究与应用杂志主页：www.journals.elsevier.com/blockchain-research-and-applicationsA. Laurent等人区块链：研究与应用3（2022）1000742与每个区块链相关联。这些代币可以通过交易进行转移，比如比特币区块链中的比特币或以太坊中的以太币。一个单位的以太被称为一个Wei，十亿个Wei是GWei。交易总是从一个帐户发送，并与其他帐户交互。经典账户被称为“Ex永远拥有的账户“，由一个人或一群人拥有。它们的特征在于令牌余额、私钥和公钥。私钥用于创建签名，以确保交易由帐户所有者发送 每笔交易都与一个nonce相关联，该nonce对应于同一个账户先前发送的交易数量。正如其名称所示，区块链是一个区块链。每个区块包含由影响系统状态的参与者（称为矿工）验证的交易区块只能包含交易：结构良好，包含所有需要的字段（发件人地址，收件人地址，值发送，签名，与令牌余额大于交易所需金额（发送的值加上交易费用）的发送者账户相关联;使得由相同账户发送的具有较低随机数的其他交易在块中（可能是当前的块）。由于后两个原因之一而无法处理的事务将保留在待处理事务列表中。每个区块都包含链中前一个区块的哈希码如果有人试图修改链中的一个区块，链就会被破坏，它会被区块链中的所有参与者拒绝 图 1描述了区块链的一部分。在固定的时间间隔内，矿工通过选择要包含在区块链中的交易来创建一个区块。 他们可以根据区块大小限制内的标准选择任何有效的交易，具体取决于区块链的实现。一个矿工每开采一个区块就可以获得两个奖励第一个是固定的，不依赖于区块中的交易第二个是区块中包含的交易费用交易费用由发送者确定只有一个矿工被选择来创建链接到区块链的下一个区块选择下一个矿工的协议被称为“工作量证明（PoW）”。每个矿工必须找到一个哈希码低于给定目标的区块。该目标取决于系统的哈希能力，以保持找到有效块的平均时间在10到19秒之间。 这个过程是无记忆的，这意味着找到有效块的概率不会随着时间而改变。因此，块的时间分布遵循泊松定律[3]。第一个创建有效区块的矿工将其发送给其他用户，他们验证区块的有效性并将其添加到自己的链中。2.2. 智能合约和气体机制以太坊区块链的主要特性依赖于内置的完全开放的几乎图灵完备的编程语言，称为坚固。这个功能允许我们创建通常被称为“智能合约”的东西。该术语最早由Nick Szabo [4]引入，旨在“将协议与用户界面相结合，以正式化和保护计算机网络上的关系”。智能合约这个名字现在主要用于描述在区块链中执行的自动计算。例如，“如果满足条件，在给定日期向某人发送10个令牌”。在以太坊中，智能合约存储在“合约账户”中当这样的账户接收到一笔交易时，可能会有一些数据，合约的代码就会被执行。智能合约的概念为区块链运营管理带来了新的问题如果无限循环在智能合约中运行，矿工在运行它时会被调用合约的交易比其他交易消耗更多的资源，而且矿工在运行它之前不知道交易以太坊中引入了气体机制来防止这些问题。 发送交易的行动成本最低21000天然气。合同中的每一项操作都有一个预定的天然气成本（见图1）。 2）。为了防止无限循环的执行，每笔交易都对可以消耗的gas数量有限制。这个值称为gaslimit，由发送事务的用户设置矿工执行交易，直到合约结束或当他们耗尽汽油时。当合约的天然气耗尽时，交易的影响被取消，但费用支付给矿工。程序在自然结束之前停止的可能性，将Solidity归类为几乎图灵完备的编程语言。由于并不总是能够预测交易的天然气消耗量，用户通常会高估天然气限制，以确保交易将被执行。支付给矿工的费用取决于消耗的天然气量，并与资源消耗量挂钩天然气价格是图二、以太坊中操作的gas成本[5]。Fig. 1. 区块链。●●●●●A. Laurent等人区块链：研究与应用3（2022）1000743以太币（Ethereum token）由用户为他们的交易所使用的每单位气体确定交易费用由以下公式给出：费用<$4燃气价格×燃气消耗量（1）为了使每个区块的收入最大化，矿工通常会增加区块中天然气价格最高的交易。请注意，矿工的gasprice下限是他们在其区块中接受交易的最低gasprice值。区块的Gaslimit是该区块中包含的所有交易可以消耗的最大气体量。如果区块中交易消耗的gas总和高于其gaslimit，则该区块无效。一个区块的gaslimit值可以通过矿工的投票进行很小的百分比变化。3. 相关工作在本节中，我们将简要回顾有关以太坊用户费用的论文。以太坊黄皮书[5]是以太坊区块链及其操作的规范Antonopoulos和Wood [6]的工作为理解和使用以太坊区块链提供了指南。 Miller [7]提出了激励矿工、客户和网络合作使以太坊区块链发挥作用的机制。我们首先关注与天然气价格机制相关的主要论文许多论文涉及以太坊智能合约;例如，Grechet al.[8]定义了以太坊智能合约中耗尽漏洞的检测方法对于类似的问题，Albert et al.[9]定义了一种方法，通过计算智能合约的天然气消耗上限来避免智能合约的天然气不足漏洞。Marescotti等人[10]还提出了一种算法来计算最坏情况下智能合约的确切气体消耗量Atzei等人[11]列出了以太坊区块链在智能合约中的潜在合同消耗的气体取决于它的实现：Chen et al.[12]分析了智能合约的天然气成本，并确定了导致天然气过度消费他们还提供了一个工具来自动检测合同字节码中的这些错误模式。以太坊是一个不断发展的系统，其中一个EIP（以太坊改进提案）涉及天然气价格机制：EIP-15591。有人提议减少交易费的 波 动 此EIP的 目 标 是 在交易中用 两 个不 同 的 值 （ BASEFEE 和PREMIUMFEE）替换gasprice值。 目前，这一提议仍在进行中，尚未选择在以太坊区块链中部署的日期。Chen等人[13]提出了一种新的动态方法来确定操作的gas成本，以避免定价过低的gas成本导致DoS攻击。其他研究集中在天然气价格机制。Weber等人[14]在比特币和以太坊中分析了交易的承诺以及交易在系统中卡住 他们统计分析了天然气价格对交易确认时间的影响。他们表明，当天然气价格较高时，延迟时间较短，但没有发现交易的确认时间与交易的天然气限额之间存在任何相关性。他们还尝试通过发送另一个具有相同随机数和更高天然气价格的交易来取消交易当初始天然气价格较低时，取消交易的机会较高一些论文研究了影响交易处理时间的因素，如Pierro和Rocha [15]。他们指出，影响交易的主要因素是待处理交易列表的大小，而这个值在很大程度上取决于每分钟挖掘的区块数量这第二个相关性仅仅是由于遵循泊松定律的块创建的方差de Azevedo Sousa等人[16]一个分析显示费用与交易待决时间之间并不存在相关性。 这个令人惊讶的结果肯定与作者没有撤回在事件之前无法处理的交易（优先级，缺乏令牌，......）有关。 Donmez和Karaivanov [17]研究了不同因素与区块链中记录的开采交易中使用的天然气价格中位数之间的相关性。他们表明，区块利用率与区块天然气价格中值高度相关。关于比特币区块链，Easley et al.[18]研究了费用对矿工、用户和区块大小限制的影响他们表明，收费确保了系统的可持续性。Ricci等[19]提出了一个排队模型来描述添加到比特币区块链的交易的延迟。Koops[20]提出将比特币交易的验证时间的预测问题建模为Cra m'er-Lundbe rg过程。最后，还有一些工具可以提供对用户应该用来广播其交易的天然气价格的预测，例如ETH Gas Sta- tion2。这个预言机使用最后200个区块来预测在给定时间段内要挖掘的交易的最低gasprice值这种统计方法仅基于开采区块的历史因此，如果交易等待列表变得拥挤，预测将不会被中断，直到所需的天然气价格在接下来的区块中上升 如果用户发送了大量具有高gasprice值的交易，也会发生同样的事情。Pierro等人[21，22]研究了ETH加油站和以太链预言的可靠性 ETH Gas Station声称有2%的误差幅度，他们的研究表明，这个误差幅度实际上在4%到28%之间，这取决于用户所期望的速度。已经提出了一种机器学习方法来预测交易确认时间[23]。预测是统计上“最接近“交易的未来采矿日期的日期有一个类似的目标，刘等人。[24]提出了一种基于机器学习回归的天然气价格预测方法，旨在找到下一个区块的最低交易天然气价格作者将随机森林和多层感知与以太坊加油站预测进行了比较，随机森林方法给出了最佳预测。Werner等[25]研究了最优天然气价格数据的每日季节性。 他们提出了一种深度学习的价格预测方法，由一个紧急参数参数化，代表用户的意愿。Carl和Ewerhart [26]还研究了以太坊中天然气价格的海洋性。他们提出了一个季节性自回归综合移动平均来预测阈值汽油价格的每小时中位数。最近发表的一些作品预测了一个gasprice进行交易。Mars等人。[27]旨在预测下一段时间内将在区块中添加的交易的最低天然气价格。天然气价格是基于Prophet模型和深度学习模型（如长短期记忆（LSTM）和门控递归单元（GRU））确定的同样，Chuang和Lee [28]通过依赖不同的方法解决了相同的问题更准确地说，他们使用贝叶斯方法来预测将被添加到下一个最后，连战和苏[29]提供了一个可定制的预测框架，但没有提出预测方法。据我们所知，没有一篇论文同时讨论了预测的三个特征，例如天然气的价格（见表1），期望的时间段以及在这段时间内被开采的概率大多数关于天然气价格预测的论文都是为了在合理的时间内提供一个交易天然气价格的低值由于天然气价格越高，被开采的概率就越高，因此不可能将这些方法相互比较。在本文中，我们的目标是提供一种预测最低天然气价格的可配置方法，确保在给定的时间段内以给定的概率挖掘交易1https://github.com/ethereum/EIPs/blob/master/EIPS/eip-1559.md。2https://ethgasstation.info/。A. Laurent等人区块链：研究与应用3（2022）10007442þ表1不同文学神谕的比较方法考虑待处理的事务列表考虑气体限制可配置的时间可配置的成功概率ETH加油站没有没有速度指示器没有参考文献[23日]是的没有没有没有参考文献[24日]没有是的没有没有参考文献[25日]没有没有速度指示器没有参考文献[27日]没有没有是的没有我们的方法是的是的是的是的4. 天然气定价问题本文研究的问题包括确定最低的gaspricegptr，使得在时间限制T内以至少α的概率将事务tr添加到块。我们将在时间T之前将事务tr添加到块中的事件命名为：Vtr（T）。该事件发生的概率为P（Vtr（T我们的目标是确定最低的天然气价格，使此概率高于α。要被挖掘，交易μ必须是有效的，其前身precμ已经被添加到一个区块中，并且被找到下一个区块的矿工m2M选择的transactionprecμ是同一账户在μ之前发送的最后一笔交易为了系统的一致性，交易必须按照发送的顺序进行处理（见2.1节）。矿工根据几个标准选择交易μ例如它的gaspricegpμ，它的gaslimitglμ或它的nonce。最常用的策略是根据天然气价格进行排名，同时尊重对随机数的优先约束。为了避免交易支付不足，矿工们对他们愿意接受的天然气价格设定了一个下限（见图3）。我们将LGP（gp）定义为下一个区块的矿工接受gasprice大于或等于gp的交易的概率。每个区块都有一个可以被它包含的所有交易消耗的gas的限制BL。块的创建遵循参数λ的泊松定律[3]。在时间0处，先前广播且尚未添加到区块的n个交易是已知的，其gaspricegpμ和其gaslimitglμ，μ2{1，交易μ的气体消耗值gcμ是未知的，直到μ被添加到块中并进行处理。 这就是为什么在将交易μ添加到块之前，矿工会考虑最大可能的消耗，由gaslimit glμ给出。在持续时间T的时段期间，广播若干事务μ{n1，这些未来的交易是未知的，但可以根据历史数据预测为了做到这一点，已验证的区块V的集合、这些区块中的交易U的集合以及未决交易W的集合是已知的。目标函数是在事件Vtr（T）的概率P（Vtr（T））大于或等于α的约束下最小化新交易tr的gaspricegptr，导致以下问题：mingptr（ 2）PVtrT≥α（ 3）这个问题的难点在于概率P（Vtr（T））的计算如果我们可以计算P（Vtr（T））的固定值的单一变量gptr，找到最佳的天然气价格值是简单的二进制搜索算法，如6.3节所述。在下面的部分中，我们将介绍两种计算固定gptr值的P（Vtr（T））的方法。第一个假设事务的处理顺序是确定的。这意味着所有矿工都以相同的顺序添加交易这意味着：所有矿工都遵循相同的策略。在时间0和时间T之间，矿工没有收到任何交易。只有当所有在矿工应用的策略中具有更好排名的交易都已经在一个区块中时，才能将交易添加到区块对于第二种方法，我们引入了问题的不确定性。 为了模拟未知的未来广播的交易，我们考虑了一组SC方案。每个场景sc描述了一组潜在的未来在这个模型中，交易的处理顺序图三. 收集的矿工的天然气价格下限分布示例，以GWei为单位。●●●A. Laurent等人区块链：研究与应用3（2022）1000745¼-¼2.≤FB（g c）¼。i-kgcσi<$glσjtrk ½ 1k！tr;k1jj 1表2在整个论文中经常使用的符号。μA交易tr需要定价T预测考虑的时间段α用户要求在时间T之前挖掘出事务trVtr（T）事件我们还引入了以下变量：P（Wμ，b）事务μ1，.的概率N在等待添加到块B的等待列表中。P（Aμ，b）添加交易μ1，.，N在一个块中二氮化硼第一个交易σ1被添加到第一个区块的概率由下式给出：P（Vtr（T））交易tr在周期T内被挖掘的概率glμ交易的Gas极限μPAσ1;1 公司简介公司简介中国（4）gcμ交易消耗的气体μgpμ交易价格μBL一个区块中可消耗的气体极限precμ同一用户在μλEX在T个单位时间内开采的预期区块数V已验证块的集合U已验证区块W挂起事务n未决事务N在时间段TT0用于提取集合U、V和W的过去时间段W0在时间段T内广播的事务集，在等待中添加假设概率FB和LGP是独立的，因此这些概率的乘积就是第一个任务被添加到第一个块中的概率。考虑交易1的gas限制，因为矿工此时还不知道该交易的gas消耗对于所有交易σj，在区块1中被挖掘的概率取决于σ阶的第j1个交易。填充块函数还必须考虑已经添加到块1的事务的gas消耗。该概率由下式给出：. X！列表σA交易FB（gc）如果gc≤BL，则函数等于1，否则等于0PAσj;1 公司简介j-1gci¼1σiglσj×LGPgpσj（5）LGP（gp）下一个挖矿的矿工接受gaspricegpWμ，b事件Aμ，b事件c.在T SC如果交易tr在场景sc中的时间段T期间被添加到块，则X sc等于1，否则为0Bμ，sc场景sc中交易μ的广播日期dα交易tr被挖掘的概率大于αrdmtr将事务tr添加到块如果预测日期大于事务tr的实际开采日期，则Ytr等于1，否则等于对于块b≥2，事务μ仍在等待列表中的概率P（Wμ，b）由下式给出：PWσj;11（6）P<$Wσj;b<$$>P<$Wσj;b-1<$-P<$Aσj;b-1<$;b≥2（7）对于块b>2，必须考虑先前挖掘的块来计算交易σj留在块b中的概率。等待名单，并被添加到B组。为此，我们认为|J|当区块b被挖掘时，仍在等待列表中的σ中的第一个交易的可能性。σk是等待列表中第一个事务的概率rsfα在预测日期dα之前挖掘的交易的比率而σfiK-1 并不自由如果σk是第一个仍在等待名单中的交易，为了便于阅读，我们在表2中介绍了本文中使用的符号。块的LLL等于位置k和j之间的事务所消耗的GAS。PAσb<$PjP¼5. 决定论案例j;k2k;. PJ1k-1;×LGP_（？）（八）P（Vtr（T））表示在T个单位时间的给定周期内挖掘事务tr给定其GASPRICEGPTr和具有TR2σ的交易σ的有序列表。P<$Wσj;b\Wσj-1;b<$$>P<$Wσj;b[Wσj-1;b<$-P<$Wσj-1;b<$¼PWσj;b-PWσj-1;b：（九）5.1. 概率计算我们认为每个矿工都遵循与交易相同的排序策略，并且所有交易在时间0都是已知数据由N个事务序列σ1，σ2，...，σ N组成P<$Wσj;b<$的计算需要b次运算。使用这些值，我们可以计算具有gaspricegptr的交易tr在时间T之前被添加到区块链的概率P（Vtr（T））为K其中，σj，j2{1，具有j 0 j的动作σj0<已经被添加到块中。PVTX∞ λe-λPW（10）对于每个事务μ，以下数据是已知的：glμ交易气体限额μgcμ交易消耗的气体μgpμGasprice of transactionμ.我们的目标是计算交易的概率P（Vtr（T）），在给定的T个单位时间内开采tr，给定其天然气价格gptr。需要以下附加参数λEX在T个单位时间内挖掘的块的预期数量如果gc BL，则为1;0，否则：LGP（gp）矿工的天然气价格下限的概率分布函数Eq中的概率。（10）使用泊松定律计算。这是因为在一段时间内创建的区块数量遵循泊松定律[3]。6. 随机情况上述确定性情况的主要缺点是假设所有事务及其处理顺序都是事先已知的。在本节中，我们通过一组等概率情景来模拟未来交易的到来，从而解除这些限制。这需要考虑到以下更多因素×FB在本节中，我们将介绍概率！A. Laurent等人区块链：研究与应用3（2022）1000746-2-Jj0JX¼sc1J12NscJJJsc1¼ 联系我们联系我们在时间0和T之间的交易的到达，来自同一发送方的事务之间的优先级约束，● 可以跳过不能添加到块中的交易6.1. 假设和符号用蒙特卡洛算法计算概率 该算法基于经验证的区块V的集合、这些区块中的交易U的集合以及未决交易W的集合来生成SC场景。根据第7节中给出的概率分布，每种情景都由随机抽取的数据定义。为了近似P（Vμ（T）），该算法计算每个场景的sc如果μ在时间T被添加到块，则为81;为了模拟未来交易的随机到达，我们使用一组SC不同的场景，由sc2{1，每个场景sc是Xsc¼在场景sc;中：：0，否则：由N个SC事务组成前n笔交易已经在时间0广播，而每个未来事务μ2{n∈ 1，并且然后返回广播日期Bμ，sc2[0，T]、汽油价格gpμ，sc、汽油限制glμ，sc和汽油价格gl μ，sc。耗气量gc. 对于其他事务μ2{1，PSC Xscμ，sc已经广播，天然气限制和天然气价格是相同的所有sce-narios，但消耗的气体可能会有所不同。precμ具有相同发送方账户和nonce 1的交易，必须在交易μ之前添加到块中。每个场景sc{1，● σ

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