关于以太坊的nonce值

nonce在区块链中是一个非常重要的概念，从比特币到以太坊都有nonce的身影。

在比特币中，nonce主要用于调整pow挖矿的难度，而在以太坊中，除了调整挖矿难度外，在外部账户的每笔交易中也都存在一个nonce。这个nonce是一个连续的整数，在每个账户发送交易时所产生，其主要设计目的是为防止双花。

web3中的sendTransaction方法，官方文档是这样写的：

https://web3js.readthedocs.io/en/1.0/web3-eth.html#sendtransaction

sendTransaction
web3.eth.sendTransaction(transactionObject [, callback])
Sends a transaction to the network.

Parameters
Object - The transaction object to send:
from - String|Number: The address for the sending account. Uses the web3.eth.defaultAccount property, if not specified. Or an address or index of a local wallet in web3.eth.accounts.wallet.

to - String: (optional) The destination address of the message, left undefined for a contract-creation transaction.
value - Number|String|BN|BigNumber: (optional) The value transferred for the transaction in wei, also the endowment if it’s a contract-creation transaction.

gas - Number: (optional, default: To-Be-Determined) The amount of gas to use for the transaction (unused gas is refunded).

gasPrice - Number|String|BN|BigNumber: (optional) The price of gas for this transaction in wei, defaults to web3.eth.gasPrice.

data - String: (optional) Either a ABI byte string containing the data of the function call on a contract, or in the case of a contract-creation transaction the initialisation code.

nonce - Number: (optional) Integer of a nonce. This allows to overwrite your own pending transactions that use the same nonce.

每笔交易nonce值的各个情况

可以看到，在构建交易时，有一个可选的nonce参数，可以覆盖在交易池中的，pending列表中相同nonce的交易。

接下来我会在Geth搭建的私有链来进行以下实验，来看看不同情况下nonce对应的交易会怎样：

• 相同nonce下的两笔交易
• 不连续nonce下的交易
• 不具体指定nonce的交易

首先下方命令看到地址0xfa8d4ded7fe1fec96c1b10443bea261195f233bb的总交易数是2，也就是说，nonce数值已累加到2（nonce值从0开始），新的交易nonce值将是3。

> eth.getTransactionCount("0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302")
3

接下来指定nonce为3，创建一笔交易，如下可看到，交易成功，并被打包到了3485668区块中。

> web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "3000000000000000000", nonce: "3"})
"0x497c21a80d821634116d96ca8f40a70bcb7013b4d11019d75b522fa1b46a82d7"

> eth.getTransaction("0x497c21a80d821634116d96ca8f40a70bcb7013b4d11019d75b522fa1b46a82d7")
{
  blockHash: "0xc1aad9012d8bfc34a5003d73f7507bfe562cba306223d81f0050476ca698a455",
  blockNumber: 3485668,
  from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302",
  gas: 21000,
  gasPrice: 1000000000,
  hash: "0x497c21a80d821634116d96ca8f40a70bcb7013b4d11019d75b522fa1b46a82d7",
  input: "0x",
  nonce: 3,
  r: "0xddde68ee95d14273b1b45ce6df5a40bd079357cb7eb1281d7edebb88799ed554",
  s: "0x7584f6cd4e8cad3c3691ca3ec1d671c9096f7aca61386665baaec481e937f8cc",
  to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2",
  transactionIndex: 0,
  type: "0x0",
  v: "0x539bb",
  value: 3000000000000000000
}

如果此时我在发送一笔交易，并指定nonce还是3，运行结果如下所示。

会看到此时交易报错，提示“nonce too low”

> web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "3000000000000000000", nonce: "3"})
Error: nonce too low
	at web3.js:6347:37(47)
	at web3.js:5081:62(37)
	at :1:25(13)

按照nonce的规则，接下来的新交易nonce值应该是4，我现在跳过4，直接指定nonce值为5，会发生什么，如下所示。

>  web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "3000000000000000000", nonce: "5"})
"0x8e8967d1c6122006d199f375f96e9100c8810b2c97848a1006b2eba14c54a8d9"

可以看到，返回了交易hash，我们查看该笔交易，发现blockNumber为null，并没有加入到区块中，如下所示：

> eth.getTransaction("0x8e8967d1c6122006d199f375f96e9100c8810b2c97848a1006b2eba14c54a8d9")
{
  blockHash: null,
  blockNumber: null,
  from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302",
  gas: 21000,
  gasPrice: 1000000000,
  hash: "0x8e8967d1c6122006d199f375f96e9100c8810b2c97848a1006b2eba14c54a8d9",
  input: "0x",
  nonce: 5,
  r: "0x6499ec326d5d9f1e5035fc4e7612b1e52c0c1bc60baf6f4068eaf790afe03f70",
  s: "0x2e66b705148769b3e394dc8f9e6be9ad597c7144aaafdb5894e5ac8ce46a39bb",
  to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2",
  transactionIndex: null,
  type: "0x0",
  v: "0x539bb",
  value: 3000000000000000000
}

暂未被加入到区块中的交易，会被放入到交易池中（txpool），交易池里会维护两个列表，一个是待被打包的pending列表，一个是当前无法执行的交易queued列表。

从下方请求可看到0x8e8967d1c6122006d199f375f96e9100c8810b2c97848a1006b2eba14c54a8d9交易被放到了queued列表中。这是由于交易池中没有找到地址0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302为4的nonce。

当交易处于queue中时停止geth客户端，那么交易queue中的交易会被清除掉。

> web3.txpool.content.queued
{
  0xaC965f9832eFD7684BBBd7cEED5891a337bCA302: {
    5: {
      blockHash: null,
      blockNumber: null,
      from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302",
      gas: "0x5208",
      gasPrice: "0x3b9aca00",
      hash: "0x8e8967d1c6122006d199f375f96e9100c8810b2c97848a1006b2eba14c54a8d9",
      input: "0x",
      nonce: "0x5",
      r: "0x6499ec326d5d9f1e5035fc4e7612b1e52c0c1bc60baf6f4068eaf790afe03f70",
      s: "0x2e66b705148769b3e394dc8f9e6be9ad597c7144aaafdb5894e5ac8ce46a39bb",
      to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2",
      transactionIndex: null,
      type: "0x0",
      v: "0x539bb",
      value: "0x29a2241af62c0000"
    }
  }
}

新建一笔交易，设置nonce为4，如下所示。

会看到提交交易后，queued列表中nonce为5的交易也被移出，同时待打包的pending列表中，有了nonce值为4和5的交易信息。挖矿后，这两笔交易将会被写入到区块中。

> web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "6000000000000000000", nonce: "4"})
"0xd8610ad5962e88f2eaeb8fd7f18da1df978389a73b6e180cd34751dc32c1c975"


> web3.txpool.content.pending
{
  0xaC965f9832eFD7684BBBd7cEED5891a337bCA302: {
    4: {
      blockHash: null,
      blockNumber: null,
      from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302",
      gas: "0x5208",
      gasPrice: "0x3b9aca00",
      hash: "0xd8610ad5962e88f2eaeb8fd7f18da1df978389a73b6e180cd34751dc32c1c975",
      input: "0x",
      nonce: "0x4",
      r: "0xef4b52cd0a8ff5d4d119b43f2ebfbca3ed0785a19df2a90e9b9c4a9a39b07ddf",
      s: "0x191d51cca73168957d9184cd2cf09f2fd713298139e7438d71bb6c19ea606603",
      to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2",
      transactionIndex: null,
      type: "0x0",
      v: "0x539bb",
      value: "0x53444835ec580000"
    },
    5: {
      blockHash: null,
      blockNumber: null,
      from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302",
      gas: "0x5208",
      gasPrice: "0x3b9aca00",
      hash: "0x8e8967d1c6122006d199f375f96e9100c8810b2c97848a1006b2eba14c54a8d9",
      input: "0x",
      nonce: "0x5",
      r: "0x6499ec326d5d9f1e5035fc4e7612b1e52c0c1bc60baf6f4068eaf790afe03f70",
      s: "0x2e66b705148769b3e394dc8f9e6be9ad597c7144aaafdb5894e5ac8ce46a39bb",
      to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2",
      transactionIndex: null,
      type: "0x0",
      v: "0x539bb",
      value: "0x29a2241af62c0000"
    }
  }
}

那么如果当我们发起一笔交易，假设当前nonce为11，交易已经发送至节点中，但由于手续费不高或网络拥堵或nonce值过高，此交易处于queued中迟迟未被打包。

同时此地址再发起一笔交易，并且nonce值与上一个nonce值相同，用同样的nonce值再发出交易时，就会有两种情况：

如果手续费低于原来的交易就会发生异常：replacement transaction underpriced。

// 发生一笔nonce为11，gasPrice为78 gwei的交易
web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "3000000000000000000",gas:"21000",gasPrice:"78000000000",nonce: "11"})
"0x3aaf3f302464e591cca759ee72d46461c145d4496bde488bcf59c7c5643dd05d"

// 当以上交易还没有上链时，再次发生一笔nonce为11，gasPrice为75 gwei的交易,则会报错
> web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "3000000000000000000",gas:"21000",gasPrice:"75000000000",nonce: "11"})
Error: replacement transaction underpriced
	at web3.js:6347:37(47)
	at web3.js:5081:62(37)
	at :1:25(17)

如果手续费高于原来的交易，那么第一笔交易将会被覆盖。

// 发生一笔nonce为13，gasPrice为78 gwei的交易
> web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "3000000000000000000",gas:"21000",gasPrice:"78000000000",nonce: "13"})
"0x757cccf40ab253a69c3b314993ad6fad71c097d8b0e69ead2dacdb6b75e03c23"

// 当以上交易还没有上链时，再次发生一笔nonce为13，gasPrice为88 gwei的交易,发现交易成功了
> web3.eth.sendTransaction({from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302", to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2", value: "3000000000000000000",gas:"21000",gasPrice:"88000000000",nonce: "13"})
"0xab538aaded6f1232b2198b3b508b910367c73af20cfd2d0ad0117faa6b8aadaf"

// 最后查询第一笔交易，发现查询为空
> eth.getTransaction("0x757cccf40ab253a69c3b314993ad6fad71c097d8b0e69ead2dacdb6b75e03c23")
null

// 然后查询第二笔交易，发现交易上链，nonce值为13
> eth.getTransaction("0xab538aaded6f1232b2198b3b508b910367c73af20cfd2d0ad0117faa6b8aadaf")
{
  blockHash: "0x16ae951cc721901b6abc63edfed1dcc8292f43f41aa7c6597a92fe4da08de281",
  blockNumber: 3486174,
  from: "0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302",
  gas: 21000,
  gasPrice: 88000000000,
  hash: "0xab538aaded6f1232b2198b3b508b910367c73af20cfd2d0ad0117faa6b8aadaf",
  input: "0x",
  nonce: 13,
  r: "0xfe5cd567b5c372a9187fde81bd82690423c85554d0626a64dee007793341774b",
  s: "0x3642a005f1a2c7801b8ac635fce0c7995c4d41a758cf80fef3d727506d292afe",
  to: "0x6e60f5243e1a3f0be3f407b5afe9e5395ee82aa2",
  transactionIndex: 0,
  type: "0x0",
  v: "0x539bb",
  value: 3000000000000000000
}

总结

总结一下：

• 1、以太坊中有两种nonce，一种是在区块中的nonce，主要是调整挖矿难度；一种是每笔交易中nonce。
• 2、每个外部账户（私钥控制的账户）都有一个nonce值，从0开始连续累加，每累加一次，代表一笔交易。
• 3、某一地址的某一交易的nonce值如果大于当前的nonce，该交易会被放到交易池的queued列表中，直到缺失的nonce被提交到交易池中。
• 4、地址的nonce值是一个连续的整数，设计的主要目的是防止双花。
• 5、在发生一笔交易时，如果不指定nonce值时，节点会根据当前交易池的交易自动计算该笔交易的nonce。有可能会出现节点A和节点B计算的nonce值不一样的情况。
• 6、当交易暂未上链时，可通过提高手续费的方式，覆盖同样nonce值的交易
• 7、通常情况下，覆盖掉一笔处于pending状态的交易gas price需要高于原交易的110%。

关于Nonce的保管

依赖节点

• 优点：

如果该热点账户的私钥信息等都存放在Ethereum客户端中，那么在发送交易的时候不传递nonce值，Ethereum客户端会帮你处理好此nonce值的排序。

-缺点：

当然，此方案有两个弊端。第一个是安全性无法保障（未进行冷热账户分离），第二，在热点账户下如果想覆盖掉一笔交易，需要先查询一下该交易的信息，从中获取nonce值。

自行管理nonce

优点：

通过数据库进行管理nonce，在每一次发布成功的交易都做一次++操作，并且在数据库保存对当前这笔交易的nonce保管，以方便自己追踪当前交易的nonce。

缺点：

此种方案也有限制条件。第一，由于nonce统一进行维护，那么这个地址必须是内部地址，而且发起交易必须通过统一维护的nonce作为出口，否则在其他地方发起交易，原有维护的nonce将会出现混乱。第二，一旦已经发出的交易发生异常，异常交易的nonce未被使用，那么异常交易的nonce需要重新被使用之后它后面的nonce才会生效。

注：可获取当前地址发起交易的eth_getTransactionCount 参数为地址，以及Pending或者lastest，选用pending就行， 就可以获取你当前地址的最大nonce数。 但是这种情况需要确保你中间的nonce没有中断过。

例如：

# curl -H Content-Type:application/json -X POST --data '{"jsonrpc":"2.0","method":"eth_getTransactionCount","params":["0xac965f9832efd7684bbbd7ceed5891a337bca302","pending"],"id":1}' http://127.0.0.1:8545
{"jsonrpc":"2.0","id":1,"result":"0xe"}

参考代码

https://github.com/ethereum/go-ethereum/blob/86e77900c53ebce3309099a39cbca38eb4d62fdf/core/tx_pool.go

一笔交易调用add(ctx context.Context, tx *types.Transaction)方法将交易信息加入到交易池的pending列表中，需要对交易信息进行验证，验证方法是validateTx,如下所示：

// validateTx checks whether a transaction is valid according to the consensus
// rules and adheres to some heuristic limits of the local node (price and size).
func (pool *TxPool) validateTx(tx *types.Transaction, local bool) error {
    // Heuristic limit, reject transactions over 32KB to prevent DOS attacks
    if tx.Size() > 32*1024 {
        return ErrOversizedData
    }
    ...
    // Ensure the transaction adheres to nonce ordering
    if pool.currentState.GetNonce(from) > tx.Nonce() {
        return ErrNonceTooLow
    }
    ...
}

使用GetNonce方法获取当前地址在交易池中的nonce值，如果当前交易的nonce比交易池中的nonce值小，就会报“nonce too low”的错误。