了解以太坊交易是如何生成并在网络中广播的

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。

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
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
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（编者注：中译本见文末《以太坊中的账户、交易、Gas和区块Gas Limit》超链接）。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!")
  })
})

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)

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。

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

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。

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
稿源：以太坊爱好者（https://ethfans.org/ajian1984/articles/849）