了解以太坊交易是如何生成並在網絡中廣播的
交易是以太坊區塊鏈（或任何類似的區塊鏈）的核心。在與以太坊區塊鏈進行交互之時，你是在執行交易並更新其狀態。你有沒有想過要了解當你在以太坊執行交易之時到底發生了什麼？讓我們通過一則交易例子來解答這一問題。本文包括如下內容。
以太坊交易的端到端遍歷，即從你的瀏覽器/控制臺出發進入以太坊網絡，然後再回到你的瀏覽器/控制
了解當你使用 Metamask 或 Myetherwallet 等插件，而非運行自己的節點之時，交易是如何進行的
如果你比較偏執多疑，不信任任何插件，想自己執行交易，該怎麼做？
本文讀者需要對以太坊及其組成部分，如帳戶、gas 和合約等具備基礎性了解。關於這些概念的詳細解釋可以參見這篇文章。如果你是一個不熟悉以太坊的開發者，這篇文章或許對你很有幫助。你也可以從這篇文章中學習如何構建簡單的分布式應用。如果你已經有過執行交易的親身經歷，本文對你的意義會更大。例如，可以是將一些以太幣發送給另一個人或合約的交易。再比如，還可以是在與分布式應用進行交互的情況下，如果你在這個網站上買了一些代幣，這就是一筆交易。如果你為一位候選人投票，這也是一筆交易。
一. 以太坊交易的端到端綜述讓我們以下列合約調用為例，並遍歷該函數調用/交易是如何執行及永久存儲在區塊鏈上的整體流程。點擊此處可了解整個合約。從較高層次來說，這是一個投票合約，其中你可以預置一些候選人在選舉中進行角逐，任何人都能為他們投票。這些投票將會記錄在區塊鏈上。
Voting.deployed().then(function(instance) { instance.voteForCandidate('Nick', {gas: 140000, from: web3.eth.accounts[0]}).then(function(r) { console.log("Voted successfully!") })})
假設你在自己的計算機上本地運行了一個以太坊客戶端（Geth 或 Parity），你的計算機連接到了某個以太坊網絡（測試網絡或是主網），你有權訪問該合約地址和 ABI，從而執行該交易。
如果你構建過分布式應用，應該對上述代碼並不陌生。這是一個名為「Voting（投票）」的合約，已經部署在了區塊鏈上。我們以該合約為例，執行一個叫作 voteForCandidate 的函數，輸入候選人的姓名、該交易的gas上限和執行該交易的帳戶。從名稱中可以看出，該函數能夠用來為候選人投票，選票記錄在區塊鏈上。在下文，我們將嘗試解構該調用，了解你在執行該 javascript 函數時會發生的一切。
1. 構建原始交易對象如下圖所示，voteForCandidate 函數調用首先被轉化成了原始交易（rawTxn）。Web3js庫被用來構建原始交易對象。
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'};
讓我們試著了解下該原始交易對象中的所有欄位，以及它們是如何設置的。
nonce（隨機數）：每個以太坊帳戶都有一個叫做 nonce 的欄位，來記錄該帳戶已執行的交易總數。Nonce 的值隨著每個新交易的執行不斷增加，這能讓網絡了解執行交易需要遵循的順序。Nonce 也被用來進行重放保護。
gasPrice（gas價格）：即你願為該交易支付的每單位 gas 的價格。如果你正在主網上執行交易，ETH Gas Station上正好有一個網站，你可以參照其建議為你的交易設定 gas 價格，以便交易在一定時間內成功執行。Gas 價格目前以 GWei 為單位，其範圍是0.1->100+Gwei。下文會進一步介紹 gas 價格及其影響。
gasLimit（gas上限）：即你願為該交易支付的最高 gas 總額。該上限能確保在出現交易執行問題（比如陷入無限循環）之時，你的帳戶不會耗盡所有資金。一旦交易執行完畢，剩餘所有 gas 會返還至你的帳戶。
to：即該函數調用被送往的地址。0x633296baebc20f33ac2e1c1b105d7cd1f6a0718b 是我們的案例中投票合約的地址。
Value（值）：即你打算發送的以太幣總量。當我們執行voteForCandidate函數時，我們根本沒有發送以太幣，因此 value 為零。如果你要執行一個交易，向另一個人或合約發送以太幣，你會需要設置 value 值。
data（數據）：讓我們來看看data欄位是如何計算出來的。
你先從 voteForCandidate(bytes32 candidate)（32位元組的候選人）的 ABI 中獲取函數籤名，並得出它的哈希值。
> web3.sha3('voteForCandidate(bytes32 candidate)')'0xc7ed014922ff9493a686391b70ca0e8bb7e80f91c98a5cd3d285778ab2e245b3'
取該哈希值的前4個字節，即：0xcc9ab267。
然後將參數『Nick』轉化為32位元組，得到52616d6100000000000000000000000000000000000000000000000000000000
將二者結合，得到數據有效載荷。
2.籤署交易如果你記得的話，你使用了web3.eth.accounts[0]來執行該交易。以太坊網絡需要知道你確實是該帳戶的所有者，從而確保其他人不能以你的名義執行該交易。要向網絡證明這點的方法是使用該帳戶的相應私鑰籤署交易。籤署過後的交易如下圖所示：
const privateKey = Buffer.from('e331b6d69882b4ab4ea581s88e0b6s4039a3de5967d88dfdcffdd2270c0fd109', 'hex')const txn = new EthereumTx(rawTxn)txn.sign(privateKey)const serializedTxn = txn.serialize()
3. 交易經由本地驗證籤署過後的交易會提交至你的本地以太坊節點。然後你的本地節點會驗證已籤名的交易，確保它真的是由這個帳戶地址籤署過的。
4. 交易被廣播至網絡已籤署交易經由你的geth/parity節點廣播至其對等節點，這些對等節點再將該交易廣播給它們的對等節點，以此類推。一旦交易被廣播至網絡，你的本地節點也會輸出該交易的id，你可以用它來追蹤你的交易的狀態。該交易id就是已籤署交易對象的哈希值。
transactionId = sha3(serializedTxn)
如果你是在公共的以太坊網絡上執行該交易的話，追蹤你的交易狀態的最佳方式是通過etherscan.io。如上圖所示，你是否注意到了有幾個節點被標記為 Etherscan 節點。Etherscan 的團隊運行了幾個節點，並將一個很棒的前端網絡應用連接到了 Etherscan上。如果你的交易被他們的節點選中，你可以在他們的網站上查看自己的待定交易。
還要記住的一點是，並非所有節點都會接受你的交易。其中一些節點可能被設置成了只接受 gas 價格超過某一最低值的交易。如果你設置的 gas 價格低於該下限，則節點會忽略你的交易。
5. 礦工節點接受交易正如圖中所示，以太坊網絡同時擁有礦工節點和非礦工節點。可能你也知道，礦工的職責是將你的交易包含到區塊上。礦工是交易池的維護者，你的交易先是被添加進交易池，再由礦工進行開始評估。
從上圖中你會注意到礦工將所有交易存儲在根據 gas 價格分類的池中。gas 價格越高，該交易就越有可能被添加進下一個區塊。這是礦工節點的常見設定（為得到更高的報酬進行優化）。不過，礦工可以將自己的節點設置成根據自己的喜好對交易進行分類（例如，他們為了幫助網絡只挖掘gas價格低的交易）。
從上圖中，你看出我們的 voteForCandidate 交易是如何沉入礦池底端的嗎？一旦所有gas價格高的交易都被挖出來包含進區塊之後，礦工將挖掘我們的交易。
還有要注意的一點是，礦池可以容納的交易數是有限的。比如，一場眾籌正在火熱進行中或是一個非常流行的分布式應用（如加密貓）橫空出世。人們提交了 gas 價格高的交易，希望礦工能最先選中他們的交易。如果 gas 價格高的交易填滿了礦池，gas 價格低的交易就會被放棄。我們的候選人 Nick 在一段時間內就別想收到任何選票了。在這種情況下，我們甚至得重新廣播我們的交易。
另一個能讓你的交易在礦池裡上升的技巧是重新提交你的交易，提高 gas 價格並維持 nonce 值不變。這樣一來，當礦工接收到新交易時，gas 價格更高的新交易會覆蓋之前的交易。如果改變了 nonce 值，重新提交的交易就會被認為是不同的交易（最後會為Nick舉行兩次投票）。這裡推薦一篇很好的文章，作者Jim McDonald 對此做出了深入的解釋。
6. 礦工節點找到一個有效區塊並將它廣播至網絡礦工最後選中了我們的交易，與其他交易一起包含進區塊。礦工只能選擇一定量的交易添加進區塊，因為以太坊已經設置了單個區塊 gas 上限，換言之，交易的所有 gas 上限總數不能超過區塊 gas 上限。你可以在 ethstats.net 上查看當前 gas 上限。
一旦礦工選擇將交易包含進區塊，這些交易將被驗證並包含進一個待處理區塊，工作量證明開始。某個礦工節點（通過解決工作量證明難題）最終會找到一個有效的區塊，並將這一區塊添加到區塊鏈上。就像經由你的本地節點廣播的原始交易會被其他節點接收那樣，礦工節點也會將這一有效區塊廣播給其他節點。
7. 本地節點接收/同步新區塊最終，你的本地節點將接收這個新區塊，並同步區塊鏈在本地的副本。一旦接收到這個新區塊，本地節點就會執行區塊裡的所有交易。
如果你使用 truffle 執行你的交易， truffle 會不斷測驗區塊鏈以求確認。一旦它發現交易被確認，就會執行 then() 區塊中的代碼，並列印（我們每個例子的）控制臺日誌函數。
二. 使用Metamask而非本地節點如果你安裝了 MetaMask 瀏覽器插件，你就能在你的瀏覽器中管理你的帳戶。密鑰只會存儲在你的瀏覽器上，因此你是唯一一個有權訪問你的帳戶和私鑰的人。當你在瀏覽器上執行交易之時，插件會將你的函數調用轉化成原始交易，並用你的私鑰籤署交易。 Metamask 運行自己的節點，並且使用這些節點來廣播你的交易（Metamask 使用的是Infura 運營的節點）。如此一來，你就沒必要運行自己的以太坊節點了。
三. 線下簽名如果你不喜歡用插件，或者擔心你的本地 geth 節點有可能受損（遭篡改），該怎麼辦呢？要解決這一問題有一個安全之策。
你是否注意到了，前兩個步驟根本不需要聯網。如果你想確保自己的交易絕對不會受到篡改，你可以使用一臺沒有聯網的計算機將這一函數調用轉換成原始交易，並使用你的私鑰籤署該交易。之後，你可以複製已籤署交易串，並使用聯網的計算機將其廣播至網絡。你可以使用 Etherscan和 Infura 等服務將你已籤署的交易廣播至網絡。
另一個安全之策是使用 Ledger 或 Trezor 等硬體錢包。這類錢包存儲了你的私鑰，而籤署交易的密鑰已經編程進了硬體本身。它們需要聯網的原因只是為了發布你的已籤署交易。
希望本文能讓你更好地理解以太坊交易的工作流程。如果發現文中有任何不當之處，請你留言，我會加以改正。
感謝 Jim McDonald為本文校對。
原文連結: https://medium.com/blockchannel/life-cycle-of-an-ethereum-transaction-e5c66bae0f6e
作者: Mahesh Murthy
翻譯&校對: 閔敏 & Elisa
本文經作者授權翻譯及再出版。作者的個人主頁：https://www.zastrin.com/
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