科普｜深入理解以太坊交易处理机制

本地提交，第三方应用通过调用本地以太坊节点的RPC服务提交交易；

远程同步，通过广播同步的形式，将其他以太坊节点的交易数据同步到本地节点。

交易池中数据的去向：由矿工（miner）获取并验证，用于挖矿，挖矿成功后写入区块并广播，写入后交易将从交易池中删除规范链，如果交易写入后进入分叉，交易池中的交易不会减少，然后等待重新打包。

数据结构

首先查看TxPoolConfig的配置信息：

默认配置如下：

TxPool数据结构如下：

基本配置

在分析交易执行时，我们首先需要看一些基本的配置，比如：交易手续费是否有最大上限/下限、交易池配置、交易信息检索的最大数量等。这里我们只看一些要点：

01 交易手续费

02 交易池配置

03 交易检索数量

初始化池

交易池的初始化是通过NewTxPool实现的，具体代码如下：

这里首先调用sanitize函数来验证配置参数，避免设置不合理的gas prices。

然后使用默认配置初始化交易池（ txpool ）：

然后初始化本地账户，将配置好的本地账户地址添加到交易池中：

然后创建一个更多的 gasprices 有序交易：

具体实现代码如下：

然后调用 reset 更新交易池：

reset的具体实现如下：

然后启动重组循环，以便它可以处理日志加载期间产生的请求：

scheduleReorgLoop的具体实现代码如下所示。 该函数主要用于reset和promoteExecutable的执行计划。

此时如果启用了本地事务，则从本地磁盘加载本地事务。

然后订阅相关的事务事件并启动主循环：

主循环loop的具体实现代码如下。 它是 txPool 的 goroutine，也是主事件循环。 主要用于等待和响应外部区块链事件以及各种上报和交易驱逐事件：

建立交易

交易由用户发起，使资产从一方转移到另一方，即所谓的价值转移。 我们最直观的交易构造就是通过钱包转账。 这里我们直接以eth_sendTransaction的RPC为例来分析交易的构建过程，一个eth_sendTransaction请求的例子如下：

示例参数：

from: DATA, 20 bytes - 发送交易的源地址

to: DATA, 20 bytes - 交易的目标地址，创建新合约时可选

gas: QUANTITY - 交易执行可用的gas量，可选整数，默认值90000，未使用的gas将被返还

gasPrice: QUANTITY - gas价格，可选，默认：待定

value: QUANTITY - 交易发送的数量，可选整数

data: DATA——合约编译或调用方法的签名和编码参数

nonce: QUANTITY - nonce，可选，同一个nonce可以用来重写挂起的交易

示例响应：

下面跟踪一下eth_sendTransaction这个RPC的执行过程。 这里先检查账户是否存在，再检查Nonce是否为空，然后调用SingTx进行签名操作，再调用SubmitTransaction提交交易：

SignTx的实现代码如下。 这里会继续调用SignTx进行签名操作。 我不会在这里深入。 后续的“交易签名”会详细分析：

签名后返回SendTransaction调用SubmitTransaction提交签名。 在这里，它会先检查交易费用是否足够，然后调用 SendTx 发送交易：

SendTx的具体实现如下。 这里会调用AddLocal将交易添加到交易池中。 这里不深入会有一个“Add Transaction”的分析单元模块：

然后检查接收地址是否为空，如果为空，则创建一个地址（一般在创建合约时出现），然后打印一份完整的TX详情的log，供后续人工排查分析，然后返回该地址的hash值交易：

交易入池

我们知道交易的来源有两种：一种是本地提交，一种是远程提交。 这两个的具体实现代码分别是AddLocals和AddRemotes。 这两个函数在向交易池中添加交易时使用。 这是通过调用 addTxs 实现的：

addTxs 代码如下所示：

首先会对交易进行过滤，检查是否为已知交易（即添加或广播），然后调用send函数通过secp256k1椭圆曲线验证签名（v,r,s）导出的地址, 如果 derived 失败或签名不正确，则返回错误：

然后将交易添加到交易池中（注意：这里有交易锁）

addTxsLocked的具体实现如下，它将有效的交易排队，并调用pool.add函数将交易添加到交易队列中：

add函数的具体实现如下：

在这里以太坊挖矿机制，它会先检查当前交易是否已经被知道（即是否被广播或添加到池中），如果知道，则直接丢弃：

然后识别交易是本地提交还是远程提交以太坊挖矿机制，调用函数validateTx对交易进行验证。 如果验证失败，则直接丢弃：

然后检查交易池是否已满，如果已满，则丢弃交易队列中被低估的交易。 GlobalSlots和GlobalQueue是pending和queue的最大容量：

然后判断当前交易的pending队列中是否有相同nonce值的交易。 如果存在，判断当前交易所设置的gasprice是否超过设置的PriceBump百分比。 如果超过，则替换并覆盖现有事务。 否则会返回错误，替换交易的 Gasprice 过低。 ，并将其放入队列（enqueueTx）：

调用enqueueTx后会加入到交易队列中，同时检查from账户是否为本地地址，如果是则加入到交易池的本地地址中：

enqueueTx代码如下，该函数主要是向交易队列中插入新的交易：

最后会到addTx函数，这里会调用requestPromoteExecutables函数进行交易提升请求操作，主要是将交易从队列中放入pending：

交易签名

交易签名主要通过函数SignTx实现。 首先检查钱包是否关闭，然后检查钱包账户是否包含发情交易请求的账户，然后调用SignTx进行签名处理：

SignTx的具体实现代码如下：

在验证了账户的合法性后，我们可以使用keystore通过SignTx进行签名处理，然后在这里调用LatestSignerForChainID进行签名：

然后使用私钥登录SignTx函数：

使用ECDSA（椭圆曲线加密算法）进行签名，然后返回签名结果：

交易验证

交易验证是整个交易环节中最重要的环节。 对于用户而言，交易验证是保障用户财产安全的重要手段。 对于整个以太坊来说，交易验证是保证以太坊稳定运行和可持续发展的重要途径。 ，交易验证主要发生在以下场景：

当用户完成一笔交易的签名后，需要将交易提交到区块链网络，以便尽快确认交易，而节点需要在提交交易前对交易进行验证，以确认交易的合法性。交易;

当节点收到其他节点广播的交易时，节点需要验证该交易是否合法，合法的交易将被添加到节点的交易池中；

当挖矿节点成功计算出满足要求的哈希值后，该节点会将交易池中的交易打包到区块中，打包交易时需要验证交易的合法性；

当一个节点收到一个由其他节点同步的区块时，它也需要验证这个区块中包含的交易。

交易验证由validateTx函数完成，其逻辑代码如下。 这里会检查eip2718是否启用，交易类型，然后检查交易的大小，交易转账的金额，交易的gas，交易签名的正确性，确保交易遵循Nonce订单，交易者资产是否充足，保证交易gas价格。 基本交易费用高：

交易升级

交易升级主要是指将交易放入待定列表。 该方法与add方法的区别在于add函数是将获取到的新交易插入到pending中，而PromoteExecutables是将可执行文件放入给定的账户地址列表中。 交易从队列列表中插入到pending中，检查无效交易，然后发送交易池更新事件。 实现代码如下：

这里用一个for循环遍历所有账户，升级交易。 这里首先删除队列中nonce低于账户当前nonce的所有交易：

然后移除队列中所有消费大于账户持有余额或gas大于最大gas limit的交易：

然后将队列中的所有可执行事务添加到待处理状态，其中将调用 promoteTx 方法将队列中的事务（ Txs ）放入待处理状态：

promoteTx的实现代码如下。 此函数首先将事务插入挂起队列。 如果旧交易更好（交易Gasprice大于或等于原始交易价值的110%，标准与pricebump设置有关），则删除当前交易。 这个事务，如果当前事务比旧事务好删除旧事务，则更新列表：

然后返回 promoteExecutables 函数，如果非本地账户队列小于限制（ AccountQueue ），则将其移除：

最后，记录被移除的条目并更新queuedGauge。 如果队列中该账户的交易为空，则删除该账户：

交易降级

交易降级是指当出现新区块时，打包的交易将从padding降级到queue，或者当另一笔交易的Gas price更高时，将其从padding降级到queue。 降级操作关键实现函数是demoteUnexecutables，事务降级主要发生在以下三种情况：

分叉导致Account的Nonce值下降：如果原规范链A上的交易号m花费20，已经上链，但是新规范链上的交易号m在新规范链上不在链上分叉，导致规范链上记录的交易编号m 账户的Nonce减少，因此必须将交易m回滚到交易池中，放入队列；

分叉后的缺口：这种问题一般是交易余额问题造成的。 如果原标准链上一笔交易m的费用为100，分叉后账户又发送了一笔费用为200的交易m，这会导致账户余额为原标准链上的某笔交易支付，但不一定在新的规范链上就足够了。 如果余额不足的交易是m+3，那么交易m+2和m+4之间就会出现gap，导致从m+3开始的所有交易都被降级；

分叉导致待处理交易的 nonce 值与状态的 nonce 值不同。

demoteUnexecutables的代码如下。 这里首先遍历pending list得到每个addr的最新Nonce值，然后删除Nonce小于上一次查询得到的Nonce值的交易，然后账户余额不够支付交易手续费和一些暂时无效的交易被退回。 交易，并将暂时无效的交易放入队列。 如果此时有空档，将后面的事务移到待办列表中。 如果进行上述降级，如果pending中某个addr没有交易，则该交易会被删除。 要删除的帐户：

池重置

我们可以通过reset来重置交易池，该方法具体代码如下：

如果旧块不为空且旧块不是新块的父块，则检查旧块与新块的差值是否大于64，如果超过64则不进行重组，否则获取old header和new header Block的最新更新，如果old header为null，检查新header的高度是否小于旧header的高度，然后打印log直接返回，继续不满意向下执行；

如果旧头不为空，则重组开始。 此时，如果旧链的头部区块大于新链头部区块的高度，则旧链将回滚，回收所有回滚的交易。 如果新链的头部区块大于旧链的头​​部区块，则新链会后退并回收交易。 当新链和旧链到达相同的高度时，它们会同时后退，直到找到一个共同的父节点，然后找出所有存储在discard中但没有包含在included中的交易。 值，然后将这些交易重新插入池中：

然后设置最新的世界状态，设置新链头区块的状态，然后将旧链支持的交易放入交易池：

文末总结

区块链由链式结构中相互链接的块组成。 每个区块由区块头和区块体组成。 区块体存储交易记录，因此“交易”成为链上数据的关键。 ，也是链上价值传递的主要方式。 在公链系统中，交易构建过程、交易验证、交易签名、Gas费设计等方面都存在值得考虑的安全风险。 例如：当交易手续费（GasPrice）被恶意DOS攻击，交易签名伪造，双花攻击，交易签名数据长度未验证，导致签名时节点OOM等。

本文从源代码的角度分析以太坊交易池数据结构、交易手续费设置、交易构建、交易签名、交易入池、交易验证、交易升级、交易降级、交易池重置等功能模块。 以太坊交易处理的流程和安全设计已经探索，但公链安全体系的建设还有很长的路要走，需要进一步探索。

参考链接：