以太坊作为全球领先的智能合约平台，其核心功能之一是安全、透明地记录和执行交易，理解以太坊如何存储交易，对于把握其工作原理、安全特性以及开发者构建去中心化应用（DApps）都至关重要,本文将详细拆解以太坊交易从产生到最终存储的完整流程。

交易的诞生：发起与广播

一切始于一个用户或DApp发起一笔交易,交易包含以下关键信息：

  • 发送方地址 (Sender Address): 发起交易的账户。
  • 接收方地址 (Recipient Address): 交易的目标地址（对于合约部署，此字段可能为空）。
  • 数值 (Value): 发送的以太币数量（以wei为单位）。
  • 数据 (Data): 可选字段，包含调用合约的函数选择器和参数,或合约部署的初始化代码。
  • nonce: 发送方账户已发送的交易数量,用于防止重放攻击。
  • Gas Limit: 发送方愿意为这笔交易支付的最大 gas 量。
  • Gas Price: 发送方愿意为每单位 gas 支付的价格,决定了交易的优先级。
  • 签名 (Signature): 发送方用私钥对交易信息的签名,证明交易所有权和有效性。

交易创建后，并不会立即被打包到区块中，它会被发送到以太坊网络中的节点，节点收到交易后，会进行初步验证，例如检查签名是否有效、nonce是否正确、发送方是否有足够的以太币支付Gas费用等，验证通过的交易，会被节点放入其本地的内存池（Mempool，也称为交易池）中。

内存池（Mempool）：交易的“等候室”

内存池是每个以太坊节点维护的一个临时存储区域，用于存放尚未被打包进区块的有效交易，你可以把它想象成交易的“等候室”或“排队区”。

  • 作用：

    • 交易暂存与广播： 节点从客户端或其他节点接收到交易后，先放入Mempool，然后将其转发给网络中的其他节点,确保交易在网络上广泛传播。
    • 交易排序与筛选： 区块生产者（验证者/矿工，在PoS中称为验证者，在PoW中称为矿工）会从Mempool中选择交易来打包进下一个区块，他们通常会选择Gas Price较高、交易费更高的交易，因为这能给他们带来更多收益，交易的大小、nonce的连续性等也会影响选择。
    • 防止双花与重复： Mempool中的交易会进行去重,避免同一笔交易被多次处理。

  • 特点：

    • 临时性： Mempool中的交易只在内存中存在,节点重启后通常会清空。
    • 动态性： 交易不断进入，也不断被打包进区块或因超时、Gas Price过低等原因被丢弃。
    • 节点独立： 每个节点的Mempool内容可能略有不同,取决于它接收到的交易和自身的筛选策略。

区块打包：从“等候室”到“永久居所”

当验证者（矿工）准备创建一个新区块时，他们会从自己的Mempool中挑选交易,这个过程通常遵循以下原则：

  1. 优先级： 优先选择Gas Price高的交易,以最大化区块奖励。
  2. Gas Limit限制： 每个区块有一个Gas Limit，规定了该区块中所有交易消耗的总Gas量不能超过此限制，验证者会挑选尽可能多的高价值交易，同时不超出区块Gas Limit。
  3. Nonce顺序： 对于同一个账户，通常会按照nonce的顺序处理交易,以确保状态转换的正确性。

被选中的交易会被按照一定的顺序排列在区块体（Block Body）中，区块头（Block Header）则包含了区块的元数据，如前一区块的哈希、时间戳、难度目标（PoW中）、根哈希（Merkle Root）等。

默克尔树（Merkle Tree）：高效存储与验证的核心

以太坊区块中的所有交易并不会直接线性存储，为了提高存储效率和验证效率，以太坊使用了默克尔树（Merkle Tree）数据结构。

  1. 构建默克尔树：

    • 将区块中的每一笔交易都进行哈希运算（通常是Keccak-256）。
    • 将这些交易哈希两两配对，再对每对哈希的结果进行哈希运算,得到新的哈希值。
    • 重复上述过程，直到最后只剩下一个哈希值，这个哈希值就被称为默克尔根（Merkle Root）。
    • 默克尔根会被存储在区块头中。

  2. 默克尔树的优势：

    • 高效验证： 默克尔树允许任何人快速验证某笔交易是否包含在某个区块中，而无需下载整个区块的所有交易，只需要提供从目标交易到默克尔根的路径（默克尔证明），即可验证其真实性，这对于轻客户端（如手机钱包）尤其重要。
    • 完整性保证： 如果区块中的任何一笔交易被篡改，都会导致其哈希值变化，进而影响其父节点的哈希，最终导致默克尔根完全不同，由于区块头中的默克尔根是公开且不可篡改的,因此可以轻易检测出交易是否被篡改。
    • 数据压缩： 默克尔根代表了一整笔交易集合的“指纹”,大大减少了需要存储和验证的数据量。

链上存储：区块链的分布式账本

一旦区块被成功创建，并通过共识机制（目前是权益证明PoS，之前是工作量证明PoW）被以太坊网络中的大多数节点确认，这个区块就会被添加到以太坊的区块链上。

  • 区块链结构： 以太坊区块链是一个由众多区块按时间顺序通过哈希指针链接起来的分布式账本，每个区块都指向前一个区块,形成一条不可逆的链条。
  • 分布式存储： 区块链上的数据（包括所有交易记录）不是存储在中心服务器上，而是由以太坊网络中的成千上万个全节点共同存储和维护，每个全节点都拥有完整的区块链副本，这确保了数据的去中心化、高可用性和抗审查性。
  • 交易的最终存储： 一旦交易被打包进区块并添加到区块链中，这笔交易记录就被永久地存储在以太坊的分布式账本上了，任何人都可以通过区块链浏览器查询这笔交易的详细信息，包括发送方、接收方、金额、时间戳、所在区块等。

与状态存储的区别：交易 vs. 状态

需要注意的是，以太坊的“存储”包含两个层面：

  1. 交易数据（Transactions）： 这是指交易本身的内容，如发送方、接收方、金额、数据等，这些数据被打包进区块，通过默克尔树组织，最终存储在区块链上，它们是状态变更的“指令”。
  2. 账户状态（Account State）： 这是指每个账户（外部账户或合约账户）的当前状态，如 nonce、余额、存储在合约中的变量等，状态存储在被称为“状态树”（State Tree）的默克尔树中，位于以太坊的“世界状态”（World State）中。

交易执行会改变账户状态，当一笔转账交易执行后，发送方的余额会减少，接收方的余额会增加，这些状态变更会被记录在状态树中，而状态树的根哈希（状态根）同样存储在区块头中,用于验证状态的完整性。

以太坊存储交易的过程是一个精心设计、多层次的系统：

  1. 交易发起与广播： 用户创建交易,网络节点接收并初步验证。
  2. 内存池暂存： 有效交易进入节点的Mempool,等待被打包。
  3. 区块打包： 验证者从Mempool挑选交易,按规则组织进区块体。
  4. 默克尔树组织： 区块内交易通过默克尔树结构哈希，生成默克尔根存入区块头,确保高效验证和数据完整性。
  5. 区块链永久存储： 经共识确认的区块添加到区块链，交易数据被分布式、永久地存储在以太坊网络的全节点中。