以太坊运行原理笔记： 

（参考以太坊黄皮书）

那么既然是区块链，必然是从创世区块开始（Genesis），创世区块有一个最初的原始状态，通过交易，状态逐步改变至最终的状态，也就是理解为基于交易的状态机。（黄皮书中定义）。交易是状态改变的桥梁。

挖矿是为争夺记账权，且获得奖励。那么挖矿作为状态转换函数来实现。 

以太坊挖矿者在区块链状态中获取随机数据，计算一些从区块链最后的N个区块中随机选择的交易，然后返回结果散列。 

先来看看以太坊的挖矿流程：

每一个区块中，通过区块头来生成一个seed，这个seed称为种子，种子只和当前的区块有关。

种子产生一个16MB的伪随机缓存。

基于上述的缓存，那么再生成一个1GB的DAG数据集。缓存和数据集存在依赖关系，一般来说数据集依赖缓存的某些元素，那么简单来说的话，就是只要有缓存，即可计算出数据集DAG中指定位置的元素。

矿工所做的事情，就是在数据集DAG中随机去选择元素，且对其进行散列的一个过程。就个比特币中区寻找nonce一样的模式。

那么对比比特币的挖矿，以太坊目前只需要验证者花费一定数量的缓存即可，验证指定元素的散列是不是小于某个散列值。

缓存和数据集DAG每增加30000个区块更新一次，故矿工的精力应该是在读取数据集上而不是去改变。

这种方式的优点，以太坊中的智能合约会有任何种类的计算，这样ASIC就是一个提供计算的的专门的集成电路。就类似一个全球计算机的CPU。然后挖矿中要求保存全节点完整的区块链。

以太坊在计划过度到POS机制，那么以太坊的POS机制先用V神的一段话来说明：POS协议，每个人都是“矿工”，因此，除非他们选择通过放弃以太币来违反规则，否则每个人都必须承担确认和验证交易的责任，从本质上来说，这才是去中心化的管理模式，能够提高利益相关者在网络中的参与度。

以太币：那么以太币的来源包括以下几部分：

矿前奖励：预付款给与贡献者6000万个以太币

区块的奖励：目前挖出一个区块奖励5个以太币给矿工。

叔块奖励：这个和比特币不同，矿工在挖出一个区块后，但是并不是在主链上，那么这个区块叫做叔区。如果这个叔区块在后续挖矿中作为叔区块被引用了，那么挖出这个区块的矿工获得7/8的区块奖励，也就是4.375个以太币，且另外引用这个区块的矿工获得0.15个以太币，注意，这里的引用最多两个。

比特币的总量是2100万个，每年以太币发行1800万。之前笔者文章中有提到过，这个数字货币因为密钥的丢失，所以每年的发行和意外的丢失会达到一个动态的平衡。并不是你看官方数据有多少就真正有多少在流通，这个应该能理解。

从矿工的角度来看待以太币，那么就分为三块：

挖矿的奖励，这个还是5个以太币。（固定收益）

交易的手续费，之前就有人一直在问万一哪天比特币2100万挖完之后，挖矿如何获得收益，那么交易费就是其中的一项收益，以太坊上交易都会带上交易费用，那么这个也就是矿工的一部分所得。（动态收益）

叔区块收益，上文就提到过的，这个区块如果有叔区块，那么从叔区块中获得1/32个以太币也就是0.15个以太币的收益。且每个区块至多引用两个叔区块，被引用过的区块不能再被引用。（动态收益）

以太币的单位： 

基本单位为wei，下表具体是各个比例：

单位维度个数 (wei)

wei1 wei1000

Kwei1e3 wei1000000

Mwei1e6 wei1000000000

Gwei1e9 wei1000000000000

microether1e12 wei10000000000000000

milliether1e15 wei10000000000000000000

ether1e18 wei10000000000000000000000

状态

世界状态：世界状态（state）是在地址（160位的标识符）和账户状态（序列化为RLP的数据结构）的映射。在实施过程中会映射维护在一个修改的Merkle Patricia树上。后端有一个后端数据库去维护映射，称为状态数据库。

这个结构的根节点基于密码学依赖所有内部数据的，它的hash作为整个系统状态的一个安全标识

通过改变根节点的hash来恢复一个先前的状态，因为在区块链中存储了所有这样的根节点hash值。可以恢复到特定的历史状态。

账户状态包括：

nonce：当前账户地址发出的交易数量、或者该账户创建的合约数量。

balance：账户余额。

storageRoot：保存账户存储的Merkle Patricia树的根节点256位hash，256位整数键值的Keccak 256位hash值到256位整数值的RLP编码的映射。

codeHash：该账户的EVM代码hash值，该地址接收一个消息调用时候，代码执行，创建后不可更改。 

（来自黄皮书）

交易消息

交易 

以太坊的交易最直观解释：从外部账户发送到区块链上的另一个账户的消息和签名的数据包。 

包含如下内容：

发送者的签名

接收的地址

转移的数字货币数量等内容

以太坊上的交易都是需要支付费用，和比特币以比特币来支付一定的交易费用不同，以太坊上固定了这个环节，那么这个间接理解是以太坊的一种安全防范错误，防止了大量的无意义的交易，保证一定的安全性，特别是智能合约的创建、执行、调用都需要消耗费用，那么也保证了整个系统的稳定性，防止了一些链上无意义的恶意行为。

交易手续费

以太坊的核心是EVM，以太坊虚拟机，那么在EVM中执行的字节码都是要支付费用。也就是经常看到的Gas、Gas limit、Gas Price这几个概念。

Gas：字面理解就是汽油，以太坊和日常的汽车一样需要Gas才能运行。Gas是一笔交易过程中计算消耗的基本单位。有一个列表可以直观看到在以太坊中操作的Gas消耗量：

操作Gas消耗具体内容

step1执行周期的默认费用。

stop0终止操作是免费的。

suicide0智能合约账户的内部数据存储空间，当合约账户调用suicide()方法时，该值将被置为null。

sha320加解密

sload20在固定的存储器中去获取

sstore100输入到固定的存储器中

balance20账户余额

create100创建合约

call20初始化一个只读调用

memory1扩充内存额外支付的费用

txdata5交易过程中数据或者编码的每一个字节的消耗

transaction500交易费用

contract creation53000homestead中目前从21000调整到53000

所以有些公司或者个人觉得区块链技术去中介化，不需要中心服务器，这种开发模式是比较便宜的，但是事实上区块链的开发不比之前的那些传统软件开发来的便宜。

Gas Price：字面理解汽油价格，这个就像你去加油站，95#汽油今天是什么价格。一个Gas Price就是单价，那么你的交易费用=Gas*Gas Price，然后以以太币来ether来支出。当然你觉得我不想支付费用，你可以设置Gas Price为0，但是选择权在矿工手中，矿工有权选择收纳交易和收取费用，那么最简单的想想很难让一个矿工去接收一个价格很低的交易吧。另外提一句，以太坊默认的Gas Price是1wei。

Gas Limit：字面理解就是Gas的限制，限制是必要的，没有限制就没有约束。这个Gas Limit是有两个意思的。首先针对单个交易，那么这个表示交易的发起者他愿意支付最多是多少Gas，这个交易发起者在发起交易的时候需要设置好。还有一个是针对区块的Gas Limit，一个单独的区块也有Gas的限制。

具体交易

以太坊上交易可以是简单的以太币的转移，同时也可以是智能合约的代码消息。列个表格看下交易的具体内容：

代码内容

from交易发起者的地址、不能为空，源头都没有不合理。

to交易接收者的地址（这个可以为空，空的时候就表示是一个合约的创建）

value转移的以太币数量

data数据字段。这个字段存在的时候表示的是，交易是一个创建或者是一个调用智能合约的交易

Gas Limit字面理解就是Gas的限制，限制是必要的，没有限制就没有约束。这个Gas Limit是有两个意思的。首先针对单个交易，那么这个表示交易的发起者他愿意支付最多是多少Gas，这个交易发起者在发起交易的时候需要设置好。还有一个是针对区块的Gas Limit，一个单独的区块也有Gas的限制。

Gas Price一个Gas Price就是单价，那么你的交易费用=Gas*Gas Price，然后以以太币来ether来支出。以太坊默认的Gas Price是1wei。

nonce用于区别用户发出交易的标识。

hash交易ID，是由上述的信息生成的一个hash值

r、s、v交易签名的三部分，交易发起者的私钥对hash签名生成。

交易分三种类型

转账：简单明了的以太坊上的以太币的转移，就和比特币类似，A向B转移一定数量的以太币。这种交易包含：交易发起者、接收者、value的数量，其余类似Gas Limit、hash、nonce都会默认生成。

智能合约创建：创建智能合约就是把智能合约部署到区块链上，那么这个时候to是一个空的字段。data字段则是初始化合约的代码。

智能合约执行：合约创建部署在区块链上，那么执行就是会加上to字段到要智能合约执行的地址，然后data字段来指定调用的方法和参数的传递。

消息

合约之间可以发生“消息”，消息是虚拟对象，不会序列化，存在于以太坊的执行环境中，消息一般包括如下：

发送者

接收者

以太币数量

可选数据字段

一个startgas

消息类似交易，但是交易是由一个合约产生，在以太坊环境中，但执行某些代码的合约的时候，在call函数时候，会产生并执行一个消息。消息触发接收方账户运行代码，理解为合约之间的互相作用。