區(qū)塊鏈2.0以太坊的運作原理解析

本篇文章我們將接續(xù)上篇來介紹區(qū)塊鏈2.0 以太坊－ Vitalik如何在中本聰設(shè)計的比特幣架構(gòu)上進行升級與改動，透過首度揭曉的「以太坊區(qū)塊鏈架構(gòu)圖」帶大家完整認識以太坊的運作原理！

Vitalik Buterin 領(lǐng)銜設(shè)計的區(qū)塊鏈2.0 －以太坊Ethereum

How Ethereum Blockchain Work

以太坊虛擬機（EVM — Ethereum Virtual Machine ）

介紹以太坊區(qū)塊鏈架構(gòu)前必須要介紹一下「EVM 」，EVM是以太坊為了讓人人都能成為節(jié)點而創(chuàng)造的計算引擎。由于每個節(jié)點的軟硬體環(huán)境可能都不一樣，為了確保每個節(jié)能都能進行一樣的運算，于是各個節(jié)點都透過EVM 來執(zhí)行Ethereum 交易的狀態(tài)轉(zhuǎn)移與智能合約，以確保每一個節(jié)點都有相同的執(zhí)行環(huán)境。

前言完畢，緊接著我們便來一探究竟：

以太坊交易的一生

有別于比特幣的UTXO，以太坊是采用Account 的架構(gòu)。

由于以太坊多了智慧合約的設(shè)定，將會分成AB C 三個part 來做說明，

我們先從最單純的Ether 轉(zhuǎn)帳交易開始看起：

A. 單純的Ether 轉(zhuǎn)帳交易

「 單純的Ether 轉(zhuǎn)帳交易」示意圖

1. 一個使用者（EOA）欲發(fā)起一筆交易。

2. 透過錢包（管理私鑰的工具）輸入交易資訊

To：對方接收地址；

Amount：欲轉(zhuǎn)移的Ether數(shù)量；

Gas Price：單位Gas給的手續(xù)費；（參閱第5節(jié)）

Gas Limit：普通的Ether轉(zhuǎn)移交易都是21，000 Gas，不用動；

Input Data：視是否要在交易中留下文字訊息。

3. 以私鑰簽署交易。

4. 廣播「加上簽名的交易封包」至鄰近的以太坊節(jié)點們。

5. 節(jié)點接收到新交易時，會先至State Database 檢查交易發(fā)起地址是否具有足額Ether（Balance）可做轉(zhuǎn)移，若無則該交易會即刻被丟棄。

6. 若檢查后確認有足額，則該交易會被放入到Tx Pool中。

（按照Gas Price設(shè)的多寡由高至低排序）

7. 等待出塊的同時，各節(jié)點會

A.廣播接收到的交易

B.接收未在Tx Pool內(nèi)的交易

8. 礦工節(jié)點們（有在用電腦算力找nonce值，拼出塊獎勵的節(jié)點）會撈取手續(xù)費較高的交易們，進到EVM運算并更改狀態(tài)值后，將已完成運算的交易們來打包成新區(qū)塊（運算中出現(xiàn)錯誤的交易會被丟棄），隨后用電腦算力來計算nonce值。

＊注：這邊的nonce值跟前面介紹過的以太坊地址的nonce值不同（以太坊有兩個nonce：一個是挖礦的；一個是地址的交易序次。）

＊注2：運算的同時便會消耗Gas。

9. 成功找到nonce值，出塊的礦工會獲得出塊獎勵及該區(qū)塊所有打包交易給的手續(xù)費。

10. 該礦工節(jié)點將新的區(qū)塊廣播至全世界的其他節(jié)點們。

11. 其他節(jié)點同步 《8660586區(qū)塊高度（最新的區(qū)塊）》、

《State Database》、《Tx Pool》資料，繼續(xù)廣播與接收新交易。

12. 礦工節(jié)點再從Tx Pool 中撈取未出塊的交易們運算并打包成新的區(qū)塊。

以上，便是一筆以太坊交易從發(fā)送到出塊會經(jīng)歷的流程。緊接著我們來一探究竟智慧合約是如何部署的：

B. 部署智慧合約（Smart Contract）

我們在第2節(jié)其實有概略性的介紹過一次，此刻我們搭配示意圖更完整地來介紹一遍吧！

「 部署智慧合約」流程示意圖

1. 以Remix或其它開發(fā)工具撰寫完成智慧合約。

2. 將原始碼編譯為Bytecode。

3. 使用者（EOA）透過錢包（管理私鑰的工具）輸入交易資訊

To： 0x0

Amount：視是否要將Ether打入合約中

Gas Limit：按照合約繁復(fù)程度決定要設(shè)多少

Gas Price：視交易狀況及欲出塊的時間急迫性

Input Data：放入合約Bytecode

4. 以私鑰簽署交易，廣播「加上簽名的交易封包」至鄰近的以太坊節(jié)點們。

5. 節(jié)點接收到新交易時，一樣會先至State Database 檢查交易發(fā)起地址是否具有足額Ether（Balance）可做轉(zhuǎn)移（有些情況會把Ether打入合約） ，若無足額則該交易會即刻被丟棄。

6. 若檢查后確認有足額，則該交易會被放入到Tx Pool中。

（按照Gas Price設(shè)的多寡由高至低排序）

7.等待出塊的同時，各節(jié)點依舊會

A.廣播接收到的交易

B.接收未在Tx Pool內(nèi)的交易

8. 礦工節(jié)點們撈取起本筆合約部署交易，進到EVM運算。

9. 將合約程式碼部署至Program Code ROM，是個部署后便不能進行更動的Read-Only Memory（唯獨記憶體）。

10.同時，智慧合約亦可以另外使用記憶體（Memory）來儲存合約所需要紀錄的資訊。例如：一個發(fā)行ERC-20 Token的智慧合約，便可以使用記憶體來紀錄各個以太坊地址所「持有Token數(shù)量」，追蹤各個地址的ERC-20 Token Balance。

11. 上方步驟完成后，便會將運算后的結(jié)果（合約地址、Gas Used）寫回到該筆交易中。

12. 礦工節(jié)點們將運算完的交易們打包成新區(qū)塊（運算中出現(xiàn)錯誤或Gas給不夠的交易會被丟棄），隨后用電腦算力來計算nonce值。

13.成功找到nonce值，出塊的礦工會獲得出塊獎勵及該區(qū)塊所有打包交易給的手續(xù)費。

14.該礦工節(jié)點將新的區(qū)塊廣播至全世界的其他節(jié)點們。

15. 其他節(jié)點同步 《8660586區(qū)塊高度（最新的區(qū)塊）》、

《State Database》、《Tx Pool》、《Contract Code ROM》、

《ERC-20 Token Balance》資料，繼續(xù)廣播與接收新交易。

16. 礦工節(jié)點再從Tx Pool 中撈取未出塊的交易們運算并打包成新的區(qū)塊。

以上，便是一筆智慧合約部署的交易從發(fā)送到出塊會經(jīng)歷的流程。

最后，我們來解析呼叫智慧合約進行操作與互動：

C. 呼叫合約進行互動

這部分我們在第2節(jié)與第4節(jié)其實也有概略性的介紹過，

此刻我們搭配示意圖，更著重在節(jié)點的部分，較完整地來介紹一遍吧！

「 呼叫智慧合約」流程示意圖

1. 透過DApp 介面或其它方式來呼叫智慧合約進行互動

2. 生成以下形式的交易格式：

To：合約地址

Amount：視是否要將Ether打入合約中

Gas Limit：按操作合約的繁復(fù)程度決定要設(shè)多少

Gas Price：視交易狀況及欲出塊的時間急迫性

Input Data：放入以hex型態(tài)表示的「要呼叫的合約function與參數(shù)」

3. 以私鑰簽署交易，廣播「加上簽名的交易封包」至鄰近的以太坊節(jié)點們。

4. 節(jié)點接收到新交易時，一樣會先至State Database 檢查交易發(fā)起地址是否具有足額Ether（Balance）可做轉(zhuǎn)移（如牽涉到） ，若無足額則該交易會即刻被丟棄。

5. 若檢查后確認有足額，則該交易會被放入到Tx Pool中。

（按照Gas Price給的多寡由高至低排序）

6. 等待出塊的同時，各節(jié)點依舊會

A.廣播接收到的交易

B.接收未在Tx Pool內(nèi)的交易

7. 礦工節(jié)點們撈取起本筆「合約操作交易」，進到EVM運算。

8. 根據(jù)合約地址撈出Program Code ROM 中的合約程式碼。

9. 依照MethodID （FuncTIon Hash） 找到合約中對應(yīng)的FuncTIon。

10. 將相關(guān)參數(shù)填入進行對應(yīng)運算。

以ERC-20 Token的Transfer FuncTIon為例，運算時便會更改相關(guān)地址的ERC-20 Token Balance。

11. 上方步驟完成后，便會將運算后的結(jié)果（新的Token Balance、Gas Used）寫回到該筆交易中。

12.礦工節(jié)點們將運算完的交易們打包成新區(qū)塊（運算中出現(xiàn)錯誤或Gas給不夠的交易會被丟棄），隨后用電腦算力來計算nonce值。

13. 成功找到nonce值，出塊的礦工會獲得出塊獎勵及該區(qū)塊所有打包交易給的手續(xù)費。

14. 該礦工節(jié)點將新的區(qū)塊廣播至全世界的其他節(jié)點們。

15. 其他節(jié)點同步 《8660586區(qū)塊高度（最新的區(qū)塊）》、

《State Database》、《Tx Pool》、《ERC-20 Token Balance》等資料，繼續(xù)廣播與接收新交易。

16.礦工節(jié)點再從Tx Pool 中撈取未出塊的交易們運算并打包成新的區(qū)塊。

以上，我們便核心地介紹完了以太坊區(qū)塊鏈的架構(gòu)。盡管有許多的技術(shù)細節(jié)我們此時并未完整交代也未深入著墨，但相信對于初學(xué)區(qū)塊鏈技術(shù)讀者來說應(yīng)該能逐步建立起區(qū)塊鏈架構(gòu)的全貌。
來源： BlockTempo動區(qū)動趨?