2021年以太坊DAG，扩容之路上的基石与挑战

2021年，对于以太坊而言是波澜壮阔的一年，DeFi的持续繁荣、NFT的爆发式增长以及Layer 2解决方案的兴起，都给以太坊的主网带来了前所未有的性能压力，在这一背景下， Directed Acyclic Graph（有向无环图，简称DAG）作为以太坊底层架构中一个至关重要但常被忽视的组件，其角色和意义愈发凸显，它不仅是以太坊当前工作量证明（PoW）机制顺利运行的保障，也随着以太坊向权益证明（PoS）的过渡,其未来形态和功能也引发了社区广泛的讨论。

DAG是什么？以太坊中的DAG角色

DAG是一种数据结构，由一系列顶点和边组成，其中顶点代表数据块，边代表它们之间的有向关系，且图中不存在环路，在以太坊的PoW机制中，DAG扮演着“挖矿记忆体”（Mining DAG）的核心角色。

具体而言，从第3,587,388个区块（即2017年11月16日左右，被称为“拜占庭升级”后的某个时期，更准确地说是“冰河升级”后引入DAG用于Ethash算法）开始，以太坊的每个 epoch（ epoch 长度为30,000个区块）都会生成一个新的、巨大的DAG文件，这个文件存储在矿工的硬盘上，是进行Ethash哈希运算所必需的，DAG的大小会随着时间推移而线性增长,每个epoch增加约几GB。

在PoW挖矿过程中，矿工需要访问DAG中的数据来计算“轻量级”和“重型”哈希值，DAG的设计旨在实现“ASIC抵抗”，使得内存带宽成为挖矿的关键因素，而非单纯的算力，理论上，拥有更高内存带宽的GPU在挖矿中更具优势,从而在一定程度上避免了像比特币那样被专用ASIC矿机完全垄断的局面。

2021年DAG的现状与挑战

进入2021年，以太坊DAG的增长趋势依旧强劲，随着区块高度的不断增加，DAG文件的大小持续攀升，到2021年底，单个DAG文件的大小已经增长到了数GB级别（具体大小取决于epoch）。

这一增长给矿工，尤其是使用显存较小的GPU的矿工,带来了显著挑战：

1. 存储压力：矿工需要不断更新和存储越来越大的DAG文件,对硬盘空间提出了较高要求。
2. 内存带宽瓶颈：DAG的哈希运算极度依赖内存带宽，当DAG大小超过GPU的显存容量时，GPU需要频繁从系统内存（RAM）中加载数据，而系统内存的带宽远低于GPU显存，这会导致挖矿效率大幅下降，这意味着，拥有更大显存和更高内存带宽的GPU在挖矿中更具优势,淘汰了一批老旧或低端的显卡。
3. 挖矿中心化风险？：虽然DAG的设计初衷是ASIC抵抗，但随着DAG增大，对高性能GPU的依赖客观上可能导致挖矿算力向拥有更优硬件的矿池或个人集中，引发一定的中心化担忧，相较于ASIC，GPU的普及度仍然更高,这种中心化程度相对可控。

尽管面临这些挑战，在2021年，DAG仍然是以太坊PoW机制顺利运行的基石，它确保了以太坊网络在面临日益增长的交易需求时,依然能够通过分布式算力维护网络安全和共识。

The Merge与DAG的未来：从PoW到PoS的演进

2021年，以太坊社区最重大的议题之一便是“The Merge”（合并）——即以太坊主网与信标链（Beacon Chain，PoS测试网）的合并，这一计划最终在2022年9月成功实施,标志着以太坊从PoW向PoS的全面转型。

这一转型对DAG产生了根本性的影响：

• PoW DAG的终结：随着PoW机制的废弃，用于挖矿的“Mining DAG”将不再生成和更新，这意味着矿工不再需要为了挖矿而维护庞大的DAG文件,那些因DAG增长而头疼的矿工群体也将逐渐退出历史舞台。
• PoS中的“DAG”新角色：在PoS机制下，虽然不再有传统意义上的Mining DAG，但“DAG”这一数据结构概念并未完全消失，在以太坊2.0的架构中，尤其是在分片（Sharding）的实现中，DAG或类似的数据结构可能会被用于组织和管理跨分片的数据和状态，在一些Layer 2扩容方案或未来的协议升级中，DAG也可能因其高效、并行处理数据的特性而被重新考虑和应用。