以太坊工作原理之txpool详解

txpool详解

交易池txpool作为区块链系统的重要组成部分，对系统的安全性和稳定性具有重要作用。功能可归纳为：交易缓存、交易验证和交易过滤。

基本介绍

交易分类和缓存

txpool主要包含两个重要的缓冲区：pending和queue。交易在进行打包验证和p2p广播前，首先要通过txpool来进行层层验证，验证过的交易会被换存在pending和queue中，等待进一步处理。

图1: peding和queue缓冲区

其中，换存在pending中的交易可被立即处理并打包，queue中的交易是nonce-gap交易，当nonce-gap消除后，会被迁移到pending缓存中。

事件处理

交易池在符合条件下，会处理以下事件：

• report：统计交易池中pending和queue中交易数量（default 8s）
• evict：交易失效检查事件（1min），从queue中剔除3个小时前的交易，（类似挂单，超时删除）
• journal：本地交易日志（缓存pending和queue队列中属于本地的交易，白名单交易，默认存储于transactions.rlp)
• chainHeadEvent：收到新块后交易池的处理，调用reset

核心功能

交易池状态重置

1. 启动
2. 收到新块～
   

图2: 缓冲区状态重置

启动时，从本地获取当前区块状态，设置pending和queue缓冲，设置txpool状态db；收到合法块的时候，重置交易池状态到新块root，调整pending和queue缓冲区以对应新的区块高度。
注：eth按照td最大作为最长链，在交易池重置状态时需要计算old链与new链中交易的差集，并重新进行广播，重新打包。

交易入池

1. p2p网络
2. 本地节点
   

图3: 交易入池和检查

交易的来源包括p2p广播和本地节点rpc接收。当txpool接收到交易后，会对每笔交易进行一连串严格的检查，包括：

余额
nonce
交易Gas
签名
交易大小
交易value，等等

交易的升级和降级

1. Queue —> Pending
2. Pending —> Queue
   

图4: 交易升级和降级

pending和queue两个缓冲区的交易是动态调整的，比如当由于删除了某笔交易造成较大nonce从可执行状态变为不可执行状态，会导致pending中的交易迁移到queue中；当由于新添加交易消除了queue中nonce-gap交易时，queue中缓存的部分交易会迁移到pending中，变为可执行状态。

缓冲区溢出及处理

在txpool中，缓冲区不是无限的，受限于硬件设备以及出于安全性考虑，pending和queue所容纳的交易量通过一组参数/阈值进行限制：AccountSlots、GlobalSlots、AccountQueue和GlobalQueue。 其中，前两个与pending缓冲区有关，后两个用来限制queue缓冲区大小。
缓冲区溢出（交易超过阈值）的三种情况：

1. all溢出， Count(all) > GlobalSlots + GlobalQueue
2. pending溢出, Count(pending) > GlobalSlots
3. queue溢出, Count(queue) > GlobalQueue

第一种情况起因一般是有新的交易入池，后两种情况起因除了新交易入池外，还有可能是删除交易或交易替换引起的两者之间的动态调整。
对应的处理策略：

1. all溢出。新交易如果是Unpriced，拒绝；否则删除旧交易，插入新交易
2. pending溢出。建立一个关于账户交易数的优先队列，对超过交易数限额AccountSlots的账户进行惩罚，按照图5所示策略剔除交易，降低交易池负载
3. queue溢出。删除滞留在queue中最旧的交易。

图5. pending溢出交易剔除策略
说明：首先，建立一个超限额账户的优先队列；取出交易最多的两个账户（蓝色和红色），从交易最多的账户开始删除交易，直到与红色相等，如果pending仍溢出，从优先队列中取出下一个账户（紫色），重复前面的过程。
最后，如果优先队列为空，pending仍溢出，那么按照账户的取出顺序，每次删除一笔交易，直到pending内交易量小于GlobalSlots阈值。

交易过滤

1. 超时过滤
2. gas最大过滤，GasLimit
3. gasPrice过滤
4. Local白名单

local交易会被登记入pool.locals，类似一个白名单，添加交易的时候不对gasPrice进行检查。缓冲区执行交易剔除相关策略时，不删除在pools.locals中登记账户的交易