以太坊上執(zhí)行交易過程的原理解析

介紹

在本系列文章中，我們已經(jīng)討論過作為分布式計(jì)算機(jī)，以太坊是如何運(yùn)作的，以及使用者如何通過向系統(tǒng)發(fā)送交易與以太坊進(jìn)行交互（還談到交易手續(xù)費(fèi)的概念）。

在第一篇博文里，我們了解了以太坊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，還有以太坊如何通過連續(xù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的功能。

簡單來說，狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)使用當(dāng)前的狀態(tài)及交易作為輸入，計(jì)算出下一個(gè)狀態(tài)。

-以太坊狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)-

在深入了解以太坊中的節(jié)點(diǎn)如何執(zhí)行交易之前，我們先聊聊一筆交易是如何被驗(yàn)證的。

交易驗(yàn)證

在執(zhí)行交易之前，節(jié)點(diǎn)會(huì)先驗(yàn)證該交易是否滿足一些基本（固有）規(guī)則。如果連這些基本規(guī)則都通過不了，節(jié)點(diǎn)就不會(huì)執(zhí)行該交易。

這些交易的固有規(guī)則如下：

滿足 RLP 編碼格式

具備合法簽名

具備合法 nonce （與交易發(fā)送方的當(dāng)前 nonce 值相同）

執(zhí)行交易的固有成本（intrinsic cost）小于該交易設(shè)置的 gas 上限交易

發(fā)送方的賬戶余額大于等于交易所需的預(yù)付款

還有一條規(guī)則，它不屬于交易固有規(guī)則——如果一系列已準(zhǔn)備好打包到區(qū)塊中的交易，加上這條交易之后，會(huì)使得所有交易的總 Gas Limit 超過區(qū)塊的 Gas 上限，那么該筆交易就不能和那些交易一起打包到一個(gè)區(qū)塊中。

讓我們展開每一條規(guī)則，來解釋這些規(guī)則如何運(yùn)作及為何存在。

交易必須符合合規(guī)的 RLP 編碼

這條規(guī)則可能最好直觀理解。RLP?（Recursive Length Prefix，又稱為遞歸長度前綴編碼）是一種用于序列化以太坊中的對(duì)象的編碼方法；和其他方法相同，如果你不按照 RLP 對(duì)物件編碼，則無法對(duì)該物件進(jìn)行解碼，你也就無法通過數(shù)據(jù)編碼得到原始對(duì)象的信息。

該規(guī)則的目的是確保以太坊客戶端收到交易后，能夠成功解碼并執(zhí)行。

交易必須具備合法簽名

假設(shè)你的以太坊賬戶中有很多以太幣，現(xiàn)在有人試圖發(fā)起一筆交易，從你的帳戶把錢轉(zhuǎn)走以據(jù)為己有，你怎么看？你絕對(duì)不想看到有人冒充你，并偷走你的錢，這就是為什么我們需要交易簽名。

以太坊采用非對(duì)稱加密，確保只有實(shí)際控制者能夠從賬戶發(fā)起交易。與此同時(shí)，這種密碼學(xué)工具還能讓其他人驗(yàn)證該交易的確是由賬戶的實(shí)際控制者發(fā)起。

我不會(huì)展開討論?ECDSA?（以太坊選擇的非對(duì)稱密碼算法）的細(xì)節(jié)，因?yàn)槲覀冎恍枰雷罨A(chǔ)的概念就行。

在非對(duì)稱密碼學(xué)中，公鑰和私鑰是成對(duì)存在的。私鑰應(yīng)該完全保密，而公鑰可以分享給任何人；私鑰可以用來進(jìn)行簽名，這個(gè)簽名可以用對(duì)應(yīng)的公鑰加以驗(yàn)證。在以太坊上簽署一筆由你發(fā)起的交易，就相當(dāng)于為在一封你寫的信上簽名，不同之處在于密碼學(xué)簽名比手寫簽名還要難偽造得多！

在以太坊上，賬戶地址根據(jù)個(gè)人的公鑰來生成。當(dāng)發(fā)送一筆交易時(shí)，私鑰被用來簽署交易（還記得 v 、r 、s 這幾個(gè)包含在交易里的值嗎？），接著所有節(jié)點(diǎn)就能確定這筆交易是不是真的由關(guān)聯(lián)賬戶的私鑰所有者簽署的。

不具備合法簽名的交易沒有任何執(zhí)行的意義，因此必須有合法簽名就成了交易的固有規(guī)則之一。

交易 nonce 和賬戶 nonce 必須匹配

在以太坊中，賬戶 nonce 值代表該賬戶發(fā)送的交易數(shù)量（如果是合約賬戶，則 nonce 值指的是賬戶所創(chuàng)建的合約數(shù)量）。如果沒有 nonce ，同一筆交易可能被錯(cuò)誤地執(zhí)行多次（也就是所謂的 “重放攻擊”）。考慮到以太坊的分布式特性，不同的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)試圖把同一筆交易打包進(jìn)不同的區(qū)塊，將重復(fù)的交易上鏈。假設(shè)一筆你把錢轉(zhuǎn)給某人的交易被誤打包了兩次，導(dǎo)致你重復(fù)轉(zhuǎn)了兩次錢，你心里一定很不是滋味。

每當(dāng)用戶創(chuàng)建一筆新的交易，他們必須設(shè)置能匹配當(dāng)前賬戶 nonce 值的交易 nonce 值，當(dāng)執(zhí)行交易時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)檢查交易 nonce 是否匹配賬戶 nonce 。

如果因?yàn)槟承┰?，?dǎo)致同一筆交易被重復(fù)提交給節(jié)點(diǎn)，此時(shí)，因?yàn)橘~戶 nonce 值已經(jīng)增加，所以重復(fù)提交的交易會(huì)被視為不合法。

以太坊強(qiáng)制要求交易 nonce 值與賬戶 nonce 值匹配，這么做除了能避免重放攻擊，還能確保一筆交易只會(huì)執(zhí)行及改變狀態(tài)一次。

交易的固有成本必須小于該交易設(shè)置的 gas 上限

在前一篇博文中，我們說明了為什么使用以太坊需要付費(fèi)，以及?gas 的概念?？偟膩碚f，每一筆交易都有與之關(guān)聯(lián)的 gas ——發(fā)送一筆交易的成本包含兩部分：固有成本和執(zhí)行成本。

執(zhí)行成本根據(jù)該交易需要使用多少以太坊虛擬機(jī)（EVM）的資源來運(yùn)算而定，執(zhí)行一筆交易所需的操作越多，則它的執(zhí)行成本就越高。

固有成本由交易的負(fù)載（ payload ）決定，交易負(fù)載分為以下三種負(fù)載：

如果該交易是為了創(chuàng)建智能合約，則負(fù)載就是創(chuàng)建智能合約的 EVM 代碼

如果該交易是為了調(diào)用智能合約的函數(shù)，則負(fù)載就是執(zhí)行消息的輸入數(shù)據(jù)

如果該交易只是單純?cè)趦蓚€(gè)賬戶間轉(zhuǎn)賬，則負(fù)載為空

假設(shè) Nzeros 代表交易負(fù)載中，字節(jié)為 0 的字節(jié)總數(shù)；Nnonzeros 代表交易負(fù)載中，字節(jié)不為 0 的字節(jié)總數(shù)?？梢酝ㄟ^下列公式計(jì)算出該交易的固有成本（黃皮書 6.2 章，方程式 54、55 和 56）：

固有成本 =?Gtransaction + Gtxdatazero * Nzeros + Gtxdatanonzero * Nnonzeros + Gtxcreate

在黃皮書的附錄 G 中，可以看到一份創(chuàng)建和執(zhí)行交易的相關(guān)成本的費(fèi)用表。與固有成本相關(guān)的內(nèi)容如下：

Gtransaction = 21,000 Wei

Gtxcreate = 32,000 Wei

Gtxdatazero = 4 Wei

Gtxdatanonzero = 68 Wei (在伊斯坦布爾升級(jí)時(shí)會(huì)改為 16 wei)

當(dāng)我們了解固有成本是什么，就能理解為什么一旦交易的固有成本高于 Gas 限制，則該交易就會(huì)被視為非法。Gas Limit 規(guī)定了一筆交易在執(zhí)行時(shí)，能夠消耗掉的 Gas 上限；如果還沒開始執(zhí)行該交易前，我們就知道它的固有成本高于 Gas 上限，那我們就沒有理由執(zhí)行這筆交易。

交易發(fā)送方的賬戶余額必須大于等于交易所需的預(yù)付款

交易預(yù)付款指的是在交易執(zhí)行前，從交易發(fā)送方賬戶，預(yù)先扣除的 Gas 數(shù)量。

我們可以通過下面的公式算出交易預(yù)付款：

預(yù)付款 = gasLimit * gasPrice + value

一筆交易的 Gas Limit，指的是交易發(fā)送方愿意花在執(zhí)行該交易上的 Gas 最大值；Gas Price 指的是每一單位 Gas 的單價(jià)；交易 Value 指的是發(fā)給消息接收者的 Wei 的數(shù)量（例如轉(zhuǎn)賬金額），或是投入要?jiǎng)?chuàng)建的合約中的準(zhǔn)備金。如果要進(jìn)一步了解什么是 Gas ，以及為什么執(zhí)行交易要耗費(fèi) Gas，可以看我們前一篇博文。

因?yàn)榻灰最A(yù)付款在交易執(zhí)行前就會(huì)先扣除，所以一旦交易發(fā)送方的賬戶余額少于預(yù)扣額，這筆交易就沒有執(zhí)行的必要了。

交易的 Gas Limit 必須小于等于區(qū)塊的 Gas 上限

這條規(guī)則不屬于固有規(guī)則，不過這是節(jié)點(diǎn)在選擇要打包的交易時(shí)，需要遵守的基本要求。區(qū)塊 Gas 上限是能夠 “裝在” 該區(qū)塊中的交易所用總 Gas 數(shù)的上限。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)在選擇要打包的交易時(shí)，節(jié)點(diǎn)必須確保加入這筆交易后，區(qū)塊里的交易所用總 Gas 數(shù)不會(huì)超過區(qū)塊 Gas 上限。對(duì)于要被打包的交易來說，其 Gas Limit 加上其他交易的 Gas Limit 總和，必須小于等于區(qū)塊 Gas 上限。當(dāng)然，如果有一筆交易不能被打包進(jìn)入當(dāng)前區(qū)塊，它還是有機(jī)會(huì)被后面的區(qū)塊打包的。

執(zhí)行交易

驗(yàn)證完交易之后，是時(shí)候執(zhí)行它了。在以太坊中，執(zhí)行交易會(huì)改變狀態(tài)——好幾筆交易被打包進(jìn)一個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊就相當(dāng)一個(gè)交易列表；當(dāng)交易被順序執(zhí)行后，會(huì)輸出新的合法狀態(tài)。

交易按照以下步驟執(zhí)行：

將發(fā)送者賬戶 nonce 值加 1

從發(fā)送者賬戶扣除交易預(yù)付額（ gasLimit * gasPrice ）

確定該交易能夠用于執(zhí)行的 gas 值（gasLimit - intrinsic cost）

執(zhí)行該交易包含的操作（轉(zhuǎn)賬、調(diào)用或創(chuàng)建智能合約）

通過 SELFDESTRUCT 和 SSTORE 函數(shù)對(duì)發(fā)送者退款

退還交易發(fā)送者任何未使用的 gas

向受益人賬戶（通常屬于挖出包含該交易的區(qū)塊的礦工）轉(zhuǎn)入挖礦收益

增加發(fā)送者賬戶的 nonce 值

每當(dāng)發(fā)送一筆交易，發(fā)送者賬戶 nonce 就會(huì)增加。這個(gè)操作在交易執(zhí)行之初就會(huì)完成，如果交易執(zhí)行失敗，則賬戶 nonce 值回滾。

從發(fā)送者賬戶扣除交易預(yù)付額

我們會(huì)從發(fā)送者賬戶余額里扣除交易預(yù)付額，這個(gè)機(jī)制很簡單——由發(fā)送者為自愿付出的執(zhí)行交易成本（gasLimit * gasPrice）付費(fèi)。

計(jì)算可用于執(zhí)行交易的 gas

交易的 gas 總額（gas limit）扣掉固有成本后，剩下的就是可用于執(zhí)行交易的 gas 。

執(zhí)行該交易所包含的操作

執(zhí)行交易還涉及 EVM 的操作列表，其中唯一完全不需要 EVM 操作的交易——就是普通轉(zhuǎn)賬。

每一項(xiàng) EVM 操作都有對(duì)應(yīng)的 gas 成本；在交易執(zhí)行過程中，每做了一項(xiàng) EVM 操作，就會(huì)從可用 gas 中扣掉對(duì)應(yīng)的 gas 成本。直到下列兩種情況中的一種出現(xiàn)才停止：

可用 gas 被耗盡，執(zhí)行失敗

執(zhí)行結(jié)束后可用 gas 還有剩，或是剛好為零

通過 SELFDESTRUCT 和 SSTORE 函數(shù)對(duì)發(fā)送者退款

在以太坊中，SELFDESTRUCT 操作碼用于銷毀不再需要的智能合約。每銷毀一個(gè)合約，執(zhí)行者能夠收取 24,000 Wei 。

同樣的，當(dāng)使用 SSTORE 操作碼寫入 0 （有效刪除值）的時(shí)候，操作者每寫入一個(gè) 0 ，就能收取 1500 Wei 。

關(guān)于退款，有件有趣的事情是，退款也有上限。該上限確保礦工可以算出執(zhí)行交易所需的計(jì)算時(shí)間的上界。（更多關(guān)于 gas 費(fèi)用和退款的詳細(xì)說明，可以在以太坊的設(shè)計(jì)合理性一文中找到）。

還有一個(gè)重點(diǎn)是，必須在交易所包含的操作都執(zhí)行結(jié)束后，才會(huì)進(jìn)行退款。因此任何應(yīng)該返還的 gas 都不會(huì)被交易執(zhí)行過程所消耗，從而避免了可能出現(xiàn)的永遠(yuǎn)不會(huì)耗盡 gas 的交易。

退還交易發(fā)送者任何未使用的 gas

如果用于交易的預(yù)付款超過交易所使用的 gas，則發(fā)送方有權(quán)在執(zhí)行交易后收回剩余的 gas。

向受益人賬戶支付礦工費(fèi)用

執(zhí)行交易所使用的所有 Gas 被視為交易手續(xù)費(fèi)，由礦工獲得。這種機(jī)制激勵(lì)礦工持續(xù)出塊，并在網(wǎng)絡(luò)安全層面永續(xù)合作。

結(jié)語

在本文中，我們?cè)敿?xì)討論了交易的驗(yàn)證及執(zhí)行（黃皮書第 6 章內(nèi)容）。在第 7 、8 章會(huì)介紹更多類型的交易（合約創(chuàng)建及調(diào)用），我后會(huì)繼續(xù)更新關(guān)于這幾個(gè)章節(jié)的博文。

我相信，想要徹底了解交易驗(yàn)證及執(zhí)行的細(xì)節(jié)，最好的方法就是閱讀隨便一個(gè)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的以太坊客戶端源碼。作為?Besu?的貢獻(xiàn)者，我很熟悉它的實(shí)現(xiàn)，所以我建議即使你不是非常精通 Java ，你還是可以看看它的源碼。
責(zé)任編輯；zl