发起一笔 ETH 交易的整个过程

云中雾丽
53 阅读10分钟

关键代码 在ethers中

    const tx2 = {
      to: addressWETH,
      data: param2,
      value: ethers.parseEther("0.001"),
      // to: WETH合约地址
      // data: calldata
      // value: 发送的ETH数量
      // gasLimit: 交易的gas上限
      // gasPrice: 交易的gas单价
      // nonce: 交易的nonce值
    };
    const wallet = new ethers.Wallet(privateKey, provider);
    // 发起交易，写入操作需要 wallet.sendTransaction(tx)
    const receipt1 = await wallet.sendTransaction(tx2);
    // 等待交易上链
    await receipt1.wait();

一、交易的整个流程

1. 交易创建（用户端）

  • 用户操作：用户通过钱包（如 MetaMask 或代码中的 wallet.ts）输入接收地址、转账金额（ETH 数量）以及可选的附加数据（例如智能合约调用数据）。
  • Gas 设置：用户设置 Gas 限制（Gas Limit，表示愿意支付的最大计算单位）和 Gas 价格（Gas Price 或 EIP-1559 的 Max Fee 和 Priority Fee，表示每单位 Gas 愿意支付的费用）。
  • Nonce 获取：钱包会查询用户账户当前的 nonce 值（交易计数），确保这笔交易的 nonce 是正确的（通常是当前账户的交易计数）。
  • 交易对象构建：钱包构建一个未签名的交易对象，包含字段如 to（接收地址）、value（转账金额）、gasLimit、gasPrice、nonce、data（附加数据）等。
  • 签名交易：用户使用私钥对交易进行签名，生成签名数据（r、s、v），证明这笔交易是由账户持有者发起的。

2. 交易广播（网络层）

  • 提交到节点：签名后的交易被发送到以太坊网络的一个节点（通常通过钱包连接的 RPC 端点）。
  • 交易池加入：节点验证交易的基本格式和签名后，将其加入本地交易池（Mempool），等待矿工处理。同时，节点会将交易广播给其他节点，扩散到整个网络。
  • 等待确认：交易在交易池中等待矿工挑选，矿工会优先选择 Gas 价格较高的交易。

3. 交易打包（矿工端）

  • 交易选择：矿工从交易池中选择一组交易，通常按 Gas 价格从高到低排序，确保总 Gas 消耗不超过区块 Gas 限制。
  • 区块构建：矿工将选定的交易打包进一个候选区块，同时解决工作量证明（PoW，在以太坊合并前）或通过权益证明（PoS，合并后）达成共识。
  • 交易执行：在构建区块时，矿工会在本地 EVM 上模拟执行每笔交易，计算状态变化和 Gas 消耗。

4. 交易在 EVM 中的执行流程

以太坊虚拟机（EVM）是以太坊的核心执行环境，负责处理交易和智能合约逻辑。以下是交易在 EVM 中的执行步骤：

  • 初始化：
  • EVM 加载交易数据，验证签名和 nonce 是否正确。
  • 检查发送账户是否有足够的 ETH 支付 Gas 费用（Gas Limit × Gas Price）。
  • 扣除预估的 Gas 费用（暂时从账户余额中锁定）。
  • 转账执行（如果是简单转账）：
  • 如果是普通 ETH 转账，EVM 直接更新发送者和接收者的余额状态。
  • 扣除发送者的 ETH 金额，增加接收者的 ETH 金额。
  • 智能合约执行（如果有 data 字段）：
  • 如果交易包含 data，EVM 会调用目标地址的智能合约代码。
  • 加载合约字节码，逐条执行指令（类似计算机执行程序）。
  • 每执行一步操作（如加法、存储数据）都会消耗一定的 Gas。
  • 如果调用过程中触发其他合约调用，EVM 会创建新的执行上下文，递归处理。
  • 状态更新：
  • 执行完成后，EVM 更新账户余额、存储数据等状态（写入区块链状态树）。
  • 计算实际使用的 Gas，退还未使用的 Gas 费用到发送者账户。
  • 日志和事件：
  • 如果合约执行过程中生成了事件（Event），EVM 会记录日志，供外部应用查询。
  • 结果返回：
  • EVM 返回执行结果（成功或失败），包括返回值（如果有）和使用的 Gas 量。

5. 区块确认和最终性

  • 区块广播：矿工完成区块构建后，将区块广播到网络，其他节点验证区块的合法性。
  • 交易确认：如果区块被网络接受，交易被认为是“已确认”。通常需要等待多个区块确认（例如 12 个区块）以确保交易不可逆。
  • 最终性：在以太坊合并后（PoS），交易在几个 epoch（周期）后达到最终性，几乎不可能被回滚。

6. 用户反馈

  • 钱包会监控区块链状态，显示交易状态（待处理、已确认、失败等）。
  • 用户可以通过区块链浏览器查看交易详情，如交易哈希、Gas 使用情况等。

执行失败的触发条件

交易执行可能失败，以下是常见的触发条件和处理方式：

  1. Gas 不足：
  • 触发：如果交易执行过程中 Gas 消耗超过 Gas Limit，EVM 会停止执行并抛出“Out of Gas”错误。
  • 结果：交易失败，状态回滚（不影响区块链状态），但已消耗的 Gas 费用不会退还，作为矿工的补偿。
  • 用户应对：增加 Gas Limit 重试交易。
  1. 余额不足：
  • 触发：发送账户没有足够的 ETH 支付转账金额或 Gas 费用。
  • 结果：交易被拒绝或失败，状态不更新。
  • 用户应对：确保账户有足够余额。
  1. Nonce 错误：
  • 触发：交易的 nonce 值与账户当前 nonce 不匹配（重复或跳跃）。
  • 结果：交易被拒绝或挂起。
  • 用户应对：检查并设置正确的 nonce 值。
  1. 智能合约逻辑错误：
  • 触发：合约代码中抛出异常（例如 require 或 assert 条件不满足）。
  • 结果：交易失败，状态回滚，但已消耗的 Gas 费用不退还。
  • 用户应对：检查合约逻辑或输入参数。
  1. 签名无效：
  • 触发：交易签名不匹配发送地址。
  • 结果：交易被节点拒绝，不进入交易池。
  • 用户应对：确保使用正确的私钥签名。
  1. 网络问题或矿工未打包：
  • 触发：Gas 价格过低，矿工未选择打包；或网络拥堵，交易长时间未确认。
  • 结果：交易长时间挂在交易池中，可能最终被丢弃。
  • 用户应对：提高 Gas 价格或使用“取消交易”（发送 nonce 相同的空交易覆盖）。
  1. 目标地址无效或合约不存在：
  • 触发：接收地址不存在或不是有效合约地址。
  • 结果：交易可能失败，具体取决于调用逻辑。
  • 用户应对：检查目标地址是否正确。

总结来说，发起一笔 ETH 交易涉及用户端创建和签名、网络广播、矿工打包、EVM 执行、区块确认等多个步骤。EVM 是核心执行环境，负责处理交易逻辑和状态更新。交易失败可能由 Gas 不足、余额不足、逻辑错误等多种原因触发，用户需要根据具体情况调整参数或逻辑。

二、Nonce 在以太坊交易流程中的作用

在以太坊中，nonce（即“number used once”的缩写）是一个非常重要的概念，用于确保交易的安全性和顺序。它的作用主要体现在以下几个方面：

  1. 防止重放攻击：
  • 每笔交易都有一个唯一的 nonce 值，这个值是由发送账户（地址）生成的递增数字。
  • 网络会检查交易的 nonce 是否与账户当前的 nonce 值匹配。如果不匹配，交易会被拒绝。
  • 这样可以防止恶意用户重复发送同一笔交易（即重放攻击），因为相同的 nonce 只能使用一次。
  1. 确保交易顺序：
  • nonce 是一个连续的整数，通常从 0 开始，每发送一笔交易就增加 1。
  • 以太坊网络按照 nonce 的顺序处理交易。如果一个账户发送了多笔交易，网络会等待 nonce 较小的交易先被处理，然后再处理 nonce 较大的交易。
  • 如果发送了一笔 nonce 较高的交易，而之前的 nonce 交易尚未完成，后面的交易会被挂起，直到前面的交易被确认。
  1. 账户状态管理：
  • nonce 实际上是账户状态的一部分，存储在区块链上。
  • 每当账户发送一笔交易，账户的 nonce 值就会增加 1，这确保了交易的唯一性和顺序性。
  1. 离线签名中的作用：
  • 在离线签名场景中，正确管理 nonce 尤为重要。因为离线环境无法实时查询区块链状态，所以需要提前知道或估算正确的 nonce 值。
  • 如果 nonce 值设置错误（例如重复使用旧的 nonce 或跳过某个值），交易可能会被拒绝或卡住。

nonce 的获取和管理是通过 getNonce 方法实现的

private async getNonce(address: string, network: Network): Promise<number> {
  try {
    const provider = new ethers.JsonRpcProvider(network.rpcUrl);
    return await provider.getTransactionCount(address, "pending");
  } catch (error) {
    console.error("获取nonce失败:", error);
    throw new Error("无法获取交易nonce，请检查网络连接");
  }
}
  • 作用：getNonce 方法通过连接到指定网络的 RPC 端点（network.rpcUrl），查询给定地址（address）的当前交易计数（即 nonce 值）。参数 "pending" 表示获取包括待处理交易在内的最新 nonce 值。
  • 使用场景：在创建未签名交易时（createUnsignedTransaction 方法中），会调用此方法来获取最新的 nonce 值，并将其赋值给交易对象（transaction.nonce）。
  • 错误处理：如果获取 nonce 失败（例如网络连接问题），方法会抛出错误，提示用户检查网络连接。

离线签名中 nonce 管理的注意事项

在离线签名中，nonce 管理尤为重要，因为无法实时查询区块链状态。以下是一些关键注意事项：

  1. 提前获取并保存 nonce 值：
  • 在离线签名之前，建议在有网络连接时获取最新的 nonce 值，并将其存储在安全的地方。
  • 如果有多笔交易需要签名，应记录每一笔交易的 nonce 值，确保它们按顺序递增。
  1. 避免 nonce 重复或跳跃：
  • 重复使用相同的 nonce 会导致交易被拒绝，因为以太坊网络会认为这是重放攻击。
  • 如果 nonce 值跳跃（例如跳过某个值），后续交易可能会被挂起，直到缺失的 nonce 交易被处理。
  1. 离线环境下的 nonce 估算：
  • 如果完全离线，可以基于之前记录的 nonce 值进行递增估算。但需要注意，如果之前有未完成的交易，这种估算可能导致 nonce 错误。
  • 一种策略是预留一定范围的 nonce 值，并在后续联网时验证这些值是否正确。
  1. 会话管理中的 nonce 跟踪：
  • 在代码中，OfflineSigningSession 对象管理着一组未签名和已签名的交易。建议在会话中跟踪 nonce 值，确保会话内的交易按顺序分配 nonce。
  • 如果会话中包含多笔交易，应确保它们的 nonce 值连续递增。
  1. 错误处理和用户提示：
  • 如果因 nonce 错误导致交易失败，应向用户提供清晰的错误信息，说明可能的原因（例如 nonce 重复或跳跃）。
  • 建议提供手动设置 nonce 的选项，允许用户在必要时更正值。
  1. 与在线环境的同步：
  • 在离线签名完成后，回到在线环境时，应验证所有签名交易的 nonce 值是否与区块链状态一致。
  • 如果发现 nonce 冲突，需重新生成交易并重新签名。

总结来说，nonce 是以太坊交易流程中的一个关键字段，用于防止重放攻击、确保交易顺序以及维护账户状态的完整性。在离线签名中，需要特别注意 nonce 的管理，以确保生成的交易能够被网络接受。

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