以太坊的引擎与燃料，深入解析 DAG 计算

在区块链的世界里，以太坊以其智能合约功能和图灵完备性著称，支撑其庞大生态运转的，除了共识机制（如从 PoW 到 PoS 的转变），还有一个常常被提及但又不那么直观的概念——DAG（有向无环图）计算，尤其在以太坊从工作量证明（PoW）转向权益证明（PoS）的“合并”（The Merge）升级后，DAG 的角色和重要性发生了微妙而关键的变化，本文将深入探讨以太坊中的 DAG 计算，揭示其工作原理、作用以及在以太坊发展中的演变。

什么是 DAG？以太坊中的“特殊” DAG

我们需要明确 DAG 的基本概念，有向无环图（Directed Acyclic Graph）是一种数据结构，由一组顶点和一组有向边组成，这些边连接着顶点，且图中不存在任何从一个顶点出发经过若干边后能回到该顶点的回路（即“无环”）。

在以太坊中，DAG 并不是用来存储交易数据或状态数据的，而是有两个核心应用场景，分别与两种不同的“DAG”相关：

1. 区块的“叔叔”区块（Uncle Blocks）：在 PoW 时代，由于网络延迟等原因，多个矿工可能在相近的时间内计算出相同难度的区块，导致区块链分叉，为了鼓励矿工将“孤块”（Orphan Block）也贡献到网络中，以太坊引入了“叔叔”机制，这些“叔叔”区块及其与主链的关系，可以看作是一种 DAG 结构，用于记录那些虽然未被纳入主链但被部分确认的区块，这部分 DAG 的计算相对简单,主要涉及区块头信息的链接和引用。

2. 以太坊工作量证明（PoW）的“核心 DAG”：这是 DAG 计算最核心、也最常被讨论的部分，尤其是在“合并”之前，我们通常所说的以太坊 DAG 计算,主要指的就是这部分。

   

PoW 时代的核心 DAG：挖矿的“密码本”

在以太坊 PoW 时期，矿工们需要执行一项极其复杂的计算——哈希运算（主要是 Ethash 算法），以找到一个符合难度目标的 nonce，从而“挖出”新区块并获取奖励，而 Ethash 算法的核心，就是依赖一个巨大的、预先计算好的数据集，这个数据集就是 DAG（有时也称为“缓存”或“数据集”）。

DAG 的生成与结构

• 生成：以太坊网络规定，DAG 不是凭空产生的，而是根据一个固定的公式，从创世区块开始，每 30,000 个区块（大约 100 天，即一个“epoch”）生成一个新的 DAG，每个 epoch 对应一个唯一的 DAG。
• 大小：DAG 的体积会随着以太坊网络的成长而不断扩大，每个 DAG 由多个文件组成（在早期客户端中通常是多个 .cache 和 .dag 文件），其大小与 epoch 相关，在以太坊的早期，DAG 可能只有几 GB，但随着时间的推移，它已经增长到数十 GB,并且未来还会继续增大。
• 结构：DAG 本质上是一个巨大的、伪随机生成的数据集合，它由大量的“节点”（每个节点是一个 32 字节的单词）组成，这些节点通过特定的哈希函数相互关联，形成一个有向无环图，这种结构使得无法简单地通过预计算或存储所有可能的哈希结果来攻击网络，保证了抗 ASIC 性（尽管后来 ASIC 仍然出现）。

DAG 在挖矿中的作用

DAG 在 Ethash 挖矿中扮演着“密码本”或“查找表”的角色：

1. 哈希计算：矿工在尝试找到一个有效的 nonce 时，需要对区块头进行多次哈希运算，在这个过程中，矿工需要从 DAG 中读取数据,并将其融入到哈希计算中。
2. 内存依赖：与比特币 SHA-256 算法主要依赖计算能力不同，Ethash 算法对内存带宽和容量有很高的要求，矿工需要频繁地从 DAG 中读取数据，这使得拥有更大内存和更高内存带宽的 GPU（图形处理器）在挖矿中更具优势，从而在一定程度上抵制了 ASIC 矿机的垄断（尽管后来专门为 Ethash 设计的 ASIC 还是出现了）。
3. 动态更新：由于 DAG 每 30,000 个区块更新一次，这意味着矿工需要定期下载或更新本地的 DAG 文件，才能继续参与挖矿,这也是为什么挖矿节点通常需要较大的存储空间。

“合并”之后：DAG 计算的角色转变

2022 年 9 月，以太坊完成了“合并”升级，正式从 PoW 转向 PoS，这一转变对 DAG 计算产生了深远的影响：

1. 核心 DAG 不再用于挖矿：在 PoS 机制下，验证者不再通过执行复杂的 Ethash 哈希运算来竞争出块权，而是根据其质押的 ETH 数量和时间等因素来获得出块机会，那个巨大的、用于 PoW 挖矿的核心 DAG，不再被验证者节点用于共识过程，这意味着，运行一个完整的以太坊验证者节点，理论上不再需要下载和存储这个庞大的 DAG 文件。

2. “DAG”的遗留与新“DAG”的出现：

   • 历史数据与“叔叔”区块：尽管核心 DAG 不再用于共识，但以太坊的历史数据，包括过去的区块状态和交易记录，仍然需要被存储和访问，这些历史数据中可能包含了“叔叔”区块的信息，这部分 DAG 的概念依然存在，但对于普通用户和验证者来说,其直接计算需求大大降低。
   • 新 PoS 机制下的“DAG”：有趣的是，在 PoS 机制下，出现了一个新的、与验证者相关的“DAG”——验证者 DAG，这个 DAG 是在验证者注册时生成的，包含了验证者的相关信息（如公钥、 withdrawal credentials 等），它虽然也叫 DAG，但其规模和生成方式与 PoW 时代的核心 DAG 完全不同，主要用于验证者身份的标识和管理,而不是用于计算竞争。

3. 对矿工和普通用户的影响：

   • 矿工：对于曾经的 Ethash “合并”意味着他们无法再通过挖矿获取区块奖励，尽管存在一些试图利用剩余算力进行“ETC”（以太坊经典）挖矿或其他替代链挖矿的情况，但核心 DAG 的持续增长对这些矿工的存储和硬件成本仍然是挑战。
   • 普通用户/轻节点：对于只运行轻钱包或不需要同步全历史的用户来说，DAG 的影响进一步减小，他们可以通过节点服务商或其他方式获取所需数据，而无需本地存储庞大的 DAG。
   • 全节点/验证者：对于需要运行全节点或成为验证者的用户，PoS 时代降低了硬件门槛（尤其是对大内存的要求）,使得更多普通用户有机会参与网络的安全维护。

DAG 计算的意义与未来展望

回顾以太坊 DAG 计算的发展,我们可以看到其在不同阶段的重要意义：

• PoW 时代：DAG 是以太坊 PoW 共识机制的基石，它通过巨大的内存需求，在一定程度上增强了网络的去中心化程度（通过普及 GPU 挖矿），并为网络提供了抗 ASIC 攻击的能力（尽管效果有限）,它也是以太坊安全性和不可篡改性的一部分。
• PoS 时代：DAG 的角色发生了转变，从共识的核心参与者变为历史数据的一部分，并催生了新的验证者 DAG，这一转变降低了参与网络维护的硬件门槛,进一步推动了以太坊的去中心化和可访问性。

展望未来，随着以太坊继续发展，例如分片（Sharding）的引入，数据存储和访问的方式还将继续演变，DAG 作为一种高效的数据结构，是否会在以太坊的某个层面（如跨分片通信、数据可用性证明等）找到新的应用场景，值得我们持续关注，但可以肯定的是，那个曾经驱动以太坊挖矿引擎的庞大核心 DAG,将逐渐成为以太坊发展史上一个重要的里程碑。

以太坊的 DAG 计算从 PoW 时代的“核心引擎”演变为 PoS 时代的“历史印记”与“新身份标识”，其角色的转变深刻反映了以太坊共识机制的演进和网络发展的战略方向，理解 DAG,有助于我们更深入地把握以太坊的技术脉络和未来走向。