以太坊交易的生命周期

区块链资讯区块网2018-04-07 20:10:46  阅读 -评论 0  阅读原文

了解以太坊交易是如何生成并在网络中广播的

以太坊交易的生命周期

交易是以太坊区块链(或任何类似的区块链)的核心。在与以太坊区块链进行交互之时,你是在执行交易并更新其状态。你有没有想过要了解当你在以太坊执行交易之时到底发生了什么?让我们通过一则交易例子来解答这一问题。本文包括如下内容。
1.以太坊交易的端到端遍历,即从你的浏览器/控制台出发进入以太坊网络,然后再回到你的浏览器/控制
2.了解当你使用 Metamask 或 Myetherwallet 等插件,而非运行自己的节点之时,交易是如何进行的
3.如果你比较偏执多疑,不信任任何插件,想自己执行交易,该怎么做?
本文读者需要对以太坊及其组成部分,如账户、gas 和合约等具备基础性了解。关于这些概念的详细解释可以参见这篇文章。如果你是一个不熟悉以太坊的开发者,这篇文章或许对你很有帮助。你也可以从这篇文章中学习如何构建简单的分布式应用。如果你已经有过执行交易的亲身经历,本文对你的意义会更大。例如,可以是将一些以太币发送给另一个人或合约的交易。再比如,还可以是在与分布式应用进行交互的情况下,如果你在这个网站上买了一些代币,这就是一笔交易。如果你为一位候选人投票,这也是一笔交易。


一. 以太坊交易的端到端综述
让我们以下列合约调用为例,并遍历该函数调用/交易是如何执行及永久存储在区块链上的整体流程。点击此处可了解整个合约。从较高层次来说,这是一个投票合约,其中你可以预置一些候选人在选举中进行角逐,任何人都能为他们投票。这些投票将会记录在区块链上。
Voting.deployed().then(function(instance) {
instance.voteForCandidate('Nick', {gas: 140000, from: web3.eth.accounts[0]}).then(function(r) {
console.log("Voted successfully!")
})
})

以太坊交易的生命周期

假设你在自己的计算机上本地运行了一个以太坊客户端(Geth 或 Parity),你的计算机连接到了某个以太坊网络(测试网络或是主网),你有权访问该合约地址和 ABI,从而执行该交易。
如果你构建过分布式应用,应该对上述代码并不陌生。这是一个名为“Voting(投票)”的合约,已经部署在了区块链上。我们以该合约为例,执行一个叫作 voteForCandidate 的函数,输入候选人的姓名、该交易的gas上限和执行该交易的账户。从名称中可以看出,该函数能够用来为候选人投票,选票记录在区块链上。在下文,我们将尝试解构该调用,了解你在执行该 javascript 函数时会发生的一切。
1.构建原始交易对象
如下图所示,voteForCandidate 函数调用首先被转化成了原始交易(rawTxn)。Web3js库被用来构建原始交易对象。
txnCount = web3.eth.getTransactionCount(web3.eth.accounts[0])
var rawTxn = {
nonce: web3.toHex(txnCount),
gasPrice: web3.toHex(100000000000),
gasLimit: web3.toHex(140000),
to: '0x633296baebc20f33ac2e1c1b105d7cd1f6a0718b',
value: web3.toHex(0),
data: '0xc7ed014952616d6100000000000000000000000000000000000000000000000000000000'
};

让我们试着了解下该原始交易对象中的所有字段,以及它们是如何设置的。
nonce(随机数):每个以太坊账户都有一个叫做 nonce 的字段,来记录该账户已执行的交易总数。Nonce 的值随着每个新交易的执行不断增加,这能让网络了解执行交易需要遵循的顺序。Nonce 也被用来进行重放保护。
gasPrice(gas价格):即你愿为该交易支付的每单位 gas 的价格。如果你正在主网上执行交易,ETH Gas Station上正好有一个网站,你可以参照其建议为你的交易设定 gas 价格,以便交易在一定时间内成功执行。Gas 价格目前以 GWei 为单位,其范围是0.1->100+Gwei。下文会进一步介绍 gas 价格及其影响。
gasLimit(gas上限:即你愿为该交易支付的最高 gas 总额。该上限能确保在出现交易执行问题(比如陷入无限循环)之时,你的账户不会耗尽所有资金。一旦交易执行完毕,剩余所有 gas 会返还至你的账户。
to:即该函数调用被送往的地址。0x633296baebc20f33ac2e1c1b105d7cd1f6a0718b 是我们的案例中投票合约的地址。
Value(值:即你打算发送的以太币总量。当我们执行voteForCandidate函数时,我们根本没有发送以太币,因此 value 为零。如果你要执行一个交易,向另一个人或合约发送以太币,你会需要设置 value 值。
data(数据):让我们来看看data字段是如何计算出来的。
你先从 voteForCandidate(bytes32 candidate)(32字节的候选人)的 ABI 中获取函数签名,并得出它的哈希值。

> web3.sha3('voteForCandidate(bytes32 candidate)') '

0xc7ed014922ff9493a686391b70ca0e8bb7e80f91c98a5cd3d285778ab2e245b3'

取该哈希值的前4个字节,即:0xcc9ab267。
然后将参数‘Nick’转化为32字节,得到52616d6100000000000000000000000000000000000000000000000000000000
将二者结合,得到数据有效载荷。


2.签署交易
如果你记得的话,你使用了web3.eth.accounts[0]来执行该交易。以太坊网络需要知道你确实是该账户的所有者,从而确保其他人不能以你的名义执行该交易。要向网络证明这点的方法是使用该账户的相应私钥签署交易。签署过后的交易如下图所示:
const privateKey = Buffer.from('e331b6d69882b4ab4ea581s88e0b6s4039a3de5967d88dfdcffdd2270c0fd109', 'hex')
const txn = new EthereumTx(rawTxn)
txn.sign(privateKey)
const serializedTxn = txn.serialize()

3.交易经由本地验证
签署过后的交易会提交至你的本地以太坊节点。然后你的本地节点会验证已签名的交易,确保它真的是由这个账户地址签署过的。
4.交易被广播至网络
已签署交易经由你的geth/parity节点广播至其对等节点,这些对等节点再将该交易广播给它们的对等节点,以此类推。一旦交易被广播至网络,你的本地节点也会输出该交易的id,你可以用它来追踪你的交易的状态。该交易id就是已签署交易对象的哈希值。
transactionId = sha3(serializedTxn)

以太坊交易的生命周期

如果你是在公共的以太坊网络上执行该交易的话,追踪你的交易状态的最佳方式是通过etherscan.io。如上图所示,你是否注意到了有几个节点被标记为 Etherscan 节点。Etherscan 的团队运行了几个节点,并将一个很棒的前端网络应用连接到了 Etherscan上。如果你的交易被他们的节点选中,你可以在他们的网站上查看自己的待定交易。
还要记住的一点是,并非所有节点都会接受你的交易。其中一些节点可能被设置成了只接受 gas 价格超过某一最低值的交易。如果你设置的 gas 价格低于该下限,则节点会忽略你的交易。
5.矿工节点接受交易
正如图中所示,以太坊网络同时拥有矿工节点和非矿工节点。可能你也知道,矿工的职责是将你的交易包含到区块上。矿工是交易池的维护者,你的交易先是被添加进交易池,再由矿工进行开始评估。

以太坊交易的生命周期


从上图中你会注意到矿工将所有交易存储在根据 gas 价格分类的池中。gas 价格越高,该交易就越有可能被添加进下一个区块。这是矿工节点的常见设定(为得到更高的报酬进行优化)。不过,矿工可以将自己的节点设置成根据自己的喜好对交易进行分类(例如,他们为了帮助网络只挖掘gas价格低的交易)。
从上图中,你看出我们的 voteForCandidate 交易是如何沉入矿池底端的吗?一旦所有gas价格高的交易都被挖出来包含进区块之后,矿工将挖掘我们的交易。
还有要注意的一点是,矿池可以容纳的交易数是有限的。比如,一场众筹正在火热进行中或是一个非常流行的分布式应用(如加密猫)横空出世。人们提交了 gas 价格高的交易,希望矿工能最先选中他们的交易。如果 gas 价格高的交易填满了矿池,gas 价格低的交易就会被放弃。我们的候选人 Nick 在一段时间内就别想收到任何选票了。在这种情况下,我们甚至得重新广播我们的交易。
另一个能让你的交易在矿池里上升的技巧是重新提交你的交易,提高 gas 价格并维持 nonce 值不变。这样一来,当矿工接收到新交易时,gas 价格更高的新交易会覆盖之前的交易。如果改变了 nonce 值,重新提交的交易就会被认为是不同的交易(最后会为Nick举行两次投票)。这里推荐一篇很好的文章(编者注:中译本见文末《科普 | 释放阻塞的以太坊交易》超链接),作者Jim McDonald 对此做出了深入的解释。
6.矿工节点找到一个有效区块并将它广播至网络
矿工最后选中了我们的交易,与其他交易一起包含进区块。矿工只能选择一定量的交易添加进区块,因为以太坊已经设置了单个区块 gas 上限,换言之,交易的所有 gas 上限总数不能超过区块 gas 上限。你可以在 ethstats.net 上查看当前 gas 上限。
一旦矿工选择将交易包含进区块,这些交易将被验证并包含进一个待处理区块,工作量证明开始。某个矿工节点(通过解决工作量证明难题)最终会找到一个有效的区块,并将这一区块添加到区块链上。就像经由你的本地节点广播的原始交易会被其他节点接收那样,矿工节点也会将这一有效区块广播给其他节点。
7.本地节点接收/同步新区块
最终,你的本地节点将接收这个新区块,并同步区块链在本地的副本。一旦接收到这个新区块,本地节点就会执行区块里的所有交易。
如果你使用 truffle 执行你的交易, truffle 会不断测验区块链以求确认。一旦它发现交易被确认,就会执行 then() 区块中的代码,并打印(我们每个例子的)控制台日志函数。

二. 使用Metamask而非本地节点

以太坊交易的生命周期


如果你安装了 MetaMask 浏览器插件,你就能在你的浏览器中管理你的账户。密钥只会存储在你的浏览器上,因此你是唯一一个有权访问你的账户和私钥的人。当你在浏览器上执行交易之时,插件会将你的函数调用转化成原始交易,并用你的私钥签署交易。 Metamask 运行自己的节点,并且使用这些节点来广播你的交易(Metamask 使用的是Infura 运营的节点)。如此一来,你就没必要运行自己的以太坊节点了。
三. 线下签名
如果你不喜欢用插件,或者担心你的本地 geth 节点有可能受损(遭篡改),该怎么办呢?要解决这一问题有一个安全之策。
你是否注意到了,前两个步骤根本不需要联网。如果你想确保自己的交易绝对不会受到篡改,你可以使用一台没有联网的计算机将这一函数调用转换成原始交易,并使用你的私钥签署该交易。之后,你可以复制已签署交易串,并使用联网的计算机将其广播至网络。你可以使用 Etherscan 和 Infura 等服务将你已签署的交易广播至网络。
另一个安全之策是使用 Ledger 或 Trezor 等硬件钱包。这类钱包存储了你的私钥,而签署交易的密钥已经编程进了硬件本身。它们需要联网的原因只是为了发布你的已签署交易。
希望本文能让你更好地理解以太坊交易的工作流程。如果发现文中有任何不当之处,请你留言,我会加以改正。
感谢 Jim McDonald为本文校对。

原文链接: https://medium.com/blockchannel/life-cycle-of-an-ethereum-transaction-e5c66bae0f6e
作者: Mahesh Murthy
翻译&校对: 闵敏 & Elisa


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