透过Gas Station Network（GSN）打造更好的DApp开发与入门体验

前一篇文章Meta Transactions如何改变DApp付费生态介绍了Meta Transactions解决了一般使用者无法支付gas，因而被DApp拒于门外的困境，但依然有许多问题可以更好地解决。

其中最主要的问题就是Relayer 的中心化存在单点故障问题（Single Point of Failure, SPoF），可能是Relayer 因为某种原因无法工作或关闭，或是资料因审查而被刻意拒绝上链，缺乏公正性。

这次介绍的Gas Station Network 算是Meta Transactions 的进阶版，更复杂但也解决了上述的问题。

GSN也不是新概念，2018年底以色列公司TabooKey提案EIP-1613 Gas Stations Network，同样是透过Relayer来代替使用者支付Gas。

该协议相容于EIP-1077: Gas relay for contract calls，提供一个公开的管道（智能合约），来注册与管理Relay节点，任何节点都能加入Gas Station Network以避免单点故障（SPoF）。并有经济激励的机制，透过抵押、奖励与处罚来抑制恶意的Relay节点，鼓励Relayer做一个好人。

知名的以太坊开发工具OpenZeppelin也提供支持，与TabooKey一起提供了成套的开源工具tabookey-gasless（已更名为openeth-dev/gsn），包含RelayHub、RelayRecipient等合约，用docker包装好的RelayServer以及Web Client 。

GSN 中的角色

Relay

• GSN 网路中的节点，由志愿者提供
• 有意成为Relay 的志愿者须提前在RelayHub 注册并抵押ether，若正确完成中继会收到来自RelayHub 的奖励，若恶意攻击则会被没收抵押
• Relay 管理者需确保有足够ether 来代替DApp 使用者支付Gas，若ether 不足则会变成非活跃状态，不会被Client 所选择
• 发送RelayAdded和RelayRemoved事件让RelayClient监听以获取Relays列表

RelayServer

• 提供Relay 功能的伺服器，提供API 介面让RelayClient 可以发送请求

RelayHub

• 智能合约，维护一份Relays 列表让Client 查询
• 虽然Relay 先支付了Gas，但当中继完成后RelayHub 会退回Relay 先代垫的费用避免Relay 亏损，因此RelayHub 才是实际支付Gas 的角色
• 在Relay支付Gas前会先检查RelayHub.balances[recipient]，确认DApp开发者有存入足够资金在RelayHub中以备支付Gas
• 在上链前会验证资料，正确就提供奖励给Relay，错误则没收抵押
• 不同DApp可以共用同一个RelayHub，以太坊主网上的RelayHub位在0xD216153c06E857cD7f72665E0aF1d7D82172F494。
• RelayHub 也可自行部署，但自行部署的RelayHub 无法共享已存在的Relays

RelayRecipient

• 每个支援GSN 的DApp 都需要继承RelayRecipient，提供了与RelayHub 沟通的介面
• 部署DApp 前需指定RelayHub 的位址

RelayClient

• 自带Web3 的客户端套件，会向RelayHub 查询可用的Relay 列表，再透过http 或whisper 等协定发送请求
• 若Relay 拒绝上链，Client 会在数秒后更换一个Relay 再试一次

实现方法

假设我们要开发一款领养猫咪的DApp，使用者要透过专属前端（Web or App）来发送领养的请求，最终在DApp 的合约中记载领养的猫咪，并于前端的UI 呈现。

步骤

1. 志愿者架设RelayServer以运行Relay节点，节点必须先在RelayHub注册并抵押Ether
2. Client到RelayHub查询可用的Relays列表
3. 由于RelayHub没有直接提供public或query方法可供查询，所以必须找出过去曾触发RelayAdded事件的地址再过滤掉也触发RelayRemoved事件的地址，并持续监听这两个事件以持续获得最新的Relays列表
4. Client选择一个资金充足且活跃的节点，用本机端的私钥将资料与指令签名送达Relay，RelayServer会提供API介面给Client呼叫，若该Relay没有回应则在数秒后选择另一个Relay
5. 估算开发者储值在RelayHub的金额是否足够，足够则先支付Gas发送交易，将Client签名后的资料转发给RelayHub
6. RelayHub会检查是否来自已经注册的Relay，然后验证签名正确则上链
7. 若验证正确，RelayHub会提供奖励给Relay，并归还Relay先行代垫的Gas费用；但若验证失败，RelayHub会没收Relay之前抵押的Ether作为处罚
8. Client 透过Web3 得知猫咪已经被领养成功，显示在UI 上

以上是简化过的步骤，完整的流程请参考文件EIP-1613 Gas Stations Network

为什么GSN 是更好的解决方案

避免攻击与审查

RelayServer 若要发起攻击可能会付出极大的代价（没收抵押），因此Relay 会倾向忠实地中继Client 欲上链的资料而不去恶意窜改。

若RelayServer 选择性忽略请求，Client 等待数秒后没收到回应，就可以更换一个RelayServer 再尝试发送请求。

若这种行为一再发生，有疑虑的RelayServer 就会无人使用，达到避免审查的效果，改善集中式Relayer 可能不够公正的问题。

去中心化

曾听一位DApp 开发者提及他在Ethereum 上开发DApp 的窘境，他知道许多Layer 2 解决方案包括Meta Transactions 可以有效改善DApp 的效能与UX，但他不愿意采用，因为目前多数的Layer 2 服务都是中心化的。

类似的价值冲突其实存在于许多区块链信仰者的心中，但GSN 去中心化的设计提供给每位开发者一个不受监管的网路，更符合区块链价值，并透过奖励持续维持运作。

避免开发者跑路或单点故障

去中心化的网路也可以避免暂时性的单点故障（SPoF）或是开发者停止维护造成的使用者权益损失。

由于Relay 的经营者与DApp 开发者并无直接的利益关系，即便DApp 开发团队倒闭，Relay 还是会继续为其他DApp 服务，只要有至少一台Relay 持续营运，使用者就能藉由GSN 继续使用DApp ，不过可能要透过别的方法储值到RelayHub。

共享经济

要成为Relay 不需要审查，只要下载开源程式码就可以部署RelayServer 开始赚以太币，而由众多Relays 组成的网路公平地提供给所有DApps 使用。

开发者将营运经费存进RelayHub 的帐户中，而志愿者提供伺服器经营Relay 节点收费，未来需要云端计算资源不再只能从AWS、GCP 或Azure 中做选择，也可以考虑由GSN 所提供的共享网路。

标准介面

GSN 由OpenZeppelin、TabooKey、Portis、Pillar、Groundhog、Ethereum Foundation、MetaCartel 与Burner Wallet 等多家公司、基金会组成联盟支持，制定出标准介面与框架，并提供从前端到合约完整的套件支援。

开发Meta Transactions 的DApp 不再需要从头开始写一堆程式码，也不需要自行架设伺服器，而且任何一个支援GSN 的DApp Browser 都可以开启使用GSN 的DApp，提供使用者更多弹性与选择。

结论

GSN 是个完整解决方案，同时兼顾了去中心化与避免审查等Meta Transactions 可能会有的缺点，而且有数家公司、基金会与众多以太坊支持者拥护。

但用GSN 也不是没有缺点，因为使用RelayHub 合约的关系，DApp 必需继承RelayRecipient 才能使用，也就是说目前大家熟悉的DApp 像是CryptoKitties 都无法马上套用，但若是GSN 能成为主流，也许未来会有更多DApp 基于GSN 的框架而开发。