介紹

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

在第一篇博文里，我們了解了以太坊的狀態(tài)轉換函數(shù)，還有以太坊如何通過連續(xù)的狀態(tài)轉換實現(xiàn)計算機的功能。

簡單來說，狀態(tài)轉換函數(shù)使用當前的狀態(tài)及交易作為輸入，計算出下一個狀態(tài)。

-以太坊狀態(tài)轉換函數(shù)-

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

交易驗證

在執(zhí)行交易之前，節(jié)點會先驗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)點就不會執(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)送方的當前 nonce 值相同）

執(zhí)行交易的固有成本（intrinsic cost）小于該交易設置的 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——如果一系列已準備好打包到區(qū)塊中的交易，加上這條交易之后，會使得所有交易的總 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象的編碼方法；和其他方法相同，如果你不按照 RLP 對物件編碼，則無法對該物件進行解碼，你也就無法通過數(shù)據(jù)編碼得到原始對象的信息。

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，從你的帳戶把錢轉走以據(jù)為己有，你怎么看？你絕對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。

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

我不會展開討論?ECDSA?（以太坊選擇的非對稱密碼算法）的細節(jié)，因為我們只需要知道最基礎的概念就行。

在非對稱密碼學中，公鑰和私鑰是成對存在的。私鑰應該完全保密，而公鑰可以分享給任何人；私鑰可以用來進行簽名，這個簽名可以用對應的公鑰加以驗證。在以太坊上簽署一筆由你發(fā)起的交易，就相當于為在一封你寫的信上簽名，不同之處在于密碼學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)個人的公鑰來生成。當發(fā)送一筆交易時，私鑰被用來簽署交易（還記得 v 、r 、s 這幾個包含在交易里的值嗎？），接著所有節(jié)點就能確定這筆交易是不是真的由關聯(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誤地執(zhí)行多次（也就是所謂的 “重放攻擊”）?？紤]到以太坊的分布式特性，不同的節(jié)點可能會試圖把同一筆交易打包進不同的區(qū)塊，將重復的交易上鏈。假設一筆你把錢轉給某人的交易被誤打包了兩次，導致你重復轉了兩次錢，你心里一定很不是滋味。

每當用戶創(chuàng)建一筆新的交易，他們必須設置能匹配當前賬戶 nonce 值的交易 nonce 值，當執(zhí)行交易時，節(jié)點會檢查交易 nonce 是否匹配賬戶 nonce 。

如果因為某些原因，導致同一筆交易被重復提交給節(jié)點，此時，因為賬戶 nonce 值已經(jīng)增加，所以重復提交的交易會被視為不合法。

以太坊強制要求交易 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，以及?gas 的概念。總的來說，每一筆交易都有與之關聯(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（EVM）的資源來運算而定，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載（ payload ）決定，交易負載分為以下三種負載：

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

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

如果該交易只是單純在兩個賬戶間轉賬，則負載為空

假設 Nzeros 代表交易負載中，字節(jié)為 0 的字節(jié)總數(shù)；Nnonzeros 代表交易負載中，字節(jié)不為 0 的字節(jié)總數(shù)?？梢酝ㄟ^下列公式計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)行交易的相關成本的費用表。與固有成本相關的內容如下：

Gtransaction = 21,000 Wei

Gtxcreate = 32,000 Wei

Gtxdatazero = 4 Wei

Gtxdatanonzero = 68 Wei (在伊斯坦布爾升級時會改為 16 wei)

當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，則該交易就會被視為非法。Gas Limit 規(guī)定了一筆交易在執(zhí)行時，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付款

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

我們可以通過下面的公式算出交易預付款：

預付款 = 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；交易 Value 指的是發(fā)給消息接收者的 Wei 的數(shù)量（例如轉賬金額），或是投入要創(chuàng)建的合約中的準備金。如果要進一步了解什么是 Gas ，以及為什么執(zhí)行交易要耗費 Gas，可以看我們前一篇博文。

因為交易預付款在交易執(zhí)行前就會先扣除，所以一旦交易發(fā)送方的賬戶余額少于預扣額，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)點在選擇要打包的交易時，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。

當節(jié)點在選擇要打包的交易時，節(jié)點必須確保加入這筆交易后，區(qū)塊里的交易所用總 Gas 數(shù)不會超過區(qū)塊 Gas 上限。對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。當然，如果有一筆交易不能被打包進入當前區(qū)塊，它還是有機會被后面的區(qū)塊打包的。

執(zhí)行交易

驗證完交易之后，是時候執(zhí)行它了。在以太坊中，執(zhí)行交易會改變狀態(tài)——好幾筆交易被打包進一個區(qū)塊，每個區(qū)塊就相當一個交易列表；當交易被順序執(zhí)行后，會輸出新的合法狀態(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（轉賬、調用或創(chuàng)建智能合約）

通過 SELFDESTRUCT 和 SSTORE 函數(shù)對發(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）轉入挖礦收益

增加發(fā)送者賬戶的 nonce 值

每當發(fā)送一筆交易，發(fā)送者賬戶 nonce 就會增加。這個操作在交易執(zhí)行之初就會完成，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付額

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

計算可用于執(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——就是普通轉賬。

每一項 EVM 操作都有對應的 gas 成本；在交易執(zhí)行過程中，每做了一項 EVM 操作，就會從可用 gas 中扣掉對應的 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)行結束后可用 gas 還有剩，或是剛好為零

通過 SELFDESTRUCT 和 SSTORE 函數(shù)對發(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。每銷毀一個合約，執(zhí)行者能夠收取 24,000 Wei 。

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

關于退款，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)行交易所需的計算時間的上界。（更多關于 gas 費用和退款的詳細說明，可以在以太坊的設計合理性一文中找到）。

還有一個重點是，必須在交易所包含的操作都執(zhí)行結束后，才會進行退款。因此任何應該返還的 gas 都不會被交易執(zhí)行過程所消耗，從而避免了可能出現(xiàn)的永遠不會耗盡 gas 的交易。

退還交易發(fā)送者任何未使用的 gas

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

向受益人賬戶支付礦工費用

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

結語

在本文中，我們詳細討論了交易的驗證及執(zhí)行（黃皮書第 6 章內容）。在第 7 、8 章會介紹更多類型的交易（合約創(chuàng)建及調用），我后會繼續(xù)更新關于這幾個章節(jié)的博文。

我相信，想要徹底了解交易驗證及執(zhí)行的細節(jié)，最好的方法就是閱讀隨便一個實現(xiàn)協(xié)議的以太坊客戶端源碼。作為?Besu?的貢獻者，我很熟悉它的實現(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。
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