以太坊是如何運作的？ （二）
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以太坊有一個非常重要的概念是費用的概念。因在以太坊網絡上交易而消耗的計算都會產生費用，正所謂天下沒有免費的午餐。支付的費用以“gas”來計算。
gas是用於衡量特定計算所需費用的單位。 gas價格是你願意花費在每單位gas上的Ether總量，用“gwei”來衡量。 “Wei”是Ether的最小單位，1^018 Wei代表1 Ether。 1gwei是1,000,000,000Wei。
每次交易，交易發送人（轉賬人）都會設置gas的limit和gas價格。 gas價格和gas limit代表了發送人願意為交易支付的最大數量的Wei。例如，我們假設發送人設置gas limit是50,000，gas價格是20gwei。這意味著交易發送者願意支付最多50,000*20gwei=1,000,000,000,000,000Wei，也就是0.001Ether用來執行該交易。
請記住，gas limit代表了交易發送人願意支付的最大費用。如果他們的賬戶餘額可以覆蓋這個最大值，就不會有問題。交易結束時，發送人會收到未被使用的gas資金退款，並按最初價格交易。
如果交易發送人沒有提供足夠的gas來執行交易，交易會用光gas，並且該交易無效。在這種情況下，交易過程中止，發生的任何狀態更改都會被逆轉，這樣交易會結束，並回到交易前的以太坊狀態。此外，還會記錄交易失敗，顯示什麼交易試圖發起並在哪裡失敗。同時，既然在用光gas之前，機器已經花費了努力進行計算，邏輯上來說，這些花費的gas不會再退還給交易發送人。
gas資金到底去哪裡了？交易發送人花費的所有gas資金都被發送到“受益人”地址，這通常是礦工的地址。既然礦工花費努力來計算和驗證交易，礦工收取gas費用作為獎勵。
通常，交易發送人願意支付的gas價格越高，礦工從交易中獲得價值越大。因此，礦工也會選擇價格高的交易。這樣，礦工自由選擇他們願意驗證的交易。為了引導交易發送者設置gas價格，礦工可以選擇宣傳他們會執行交易的最低gas價格。
gas不僅用於支付計算步驟，也用於支付存儲費用。存儲所需的總體費用跟使用32字節的最小倍數成正比。
存儲的費用有一些細微差別。比如，既然不斷增加的存儲增大了所有節點的以太坊狀態數據庫的大小，那麼有動機來保持小的數據存儲量。因此，如果交易具有可以清除存儲中的條目的步驟，則免除執行該操作的費用，並且為了釋放存儲空間還可以退還費用。
以太坊運行的一個重要方面是網絡執行的每個操作都同時受到每個全節點的影響。然而，在以太坊虛擬機上的計算步驟是非常昂貴的。
因此，以太坊智能合約最適用於簡單任務，例如運行簡單的商業邏輯或驗證簽名和其他加密對象，而不是更加複雜的用途，如文件存儲、郵件、機器學習等，這些會給網絡帶來壓力。徵收費用可以防止用戶過度使用網絡。
以太坊是圖靈完備的語言。簡言之，圖靈機是能夠模擬任何計算機算法的機器。這允許循環，並使以太坊容易受到停頓問題的影響，這個問題讓你無法確定程序是否會無限運行下去。如果沒有費用，惡意行為者能夠輕易嘗試破壞網絡，方式是通過在交易中執行無限循環卻不用擔心成本。因此，費用可以保護網絡免受惡意攻擊。你可能會想，“為什麼我們還需要為存儲付費？” 好吧，就像計算一樣，以太坊網絡上的存儲也有成本，整個網絡不得不為此承受負擔。
我們注意到以太坊是基於交易的狀態機。換言之，發生在不同賬戶之間的交易推動著以太坊的全球狀態從一個狀態轉換到另外一個狀態。
在最基本的意義上，交易是加密簽名的指令，它由外部賬戶生成，并序列化，然後提交到區塊鏈上。有兩類交易：消息調用和合約創建（即創建新的以太坊合約的交易）。
所有交易包含如下部分，無論其類型如何：
Nonce（隨機數）：交易發送人發送的交易數量的計數。
Gasprice：交易發送人願意為執行交易所需的每單位gas支付的Wei的數量。
Gaslimit：交易發送人願意為執行交易支付的最大gas數量。數量是設置並預付的，在任何計算完成之前確定。
To：接收人的地址。如是創建合約的交易，合約賬戶地址還不存在，所以使用的是空值。
Value：從發送人轉移到接收人的Wei總量。在創建合約的交易中，這個值作為新創建合約賬戶的初始餘額。
V,r,s:用於生成簽名，該簽名可以標識交易的發送人。
Init：僅用於創建合約的交易。它是EVM代碼片段，可用來初始化新的合約賬戶。 Init只允許一次，然後被拋棄。首次運行init時，它會返回賬戶代碼的正文，這段代碼與合約賬戶產生永久關聯關係。
數據：僅用於消息調用的可選字段。它是指消息調用的輸入數據（即參數）。比如，如果智能合約充當域名註冊的服務，對合約的調用可能需要輸入字段如域名或IP地址。
在賬戶的章節，我們了解到交易，如消息調用或創建合約的交易，這些交易總是由外部賬戶啟動並提交到區塊鏈。另外一個思考的方式是，正是這些交易在外部世界和內部以太坊之間起到橋樑作用。
但這不意味著這些合約不能跟其他合約溝通。存在於以太坊狀態範圍內的合約能夠與其他同樣範圍內的合約進行對話。它們溝通的方式是通過“消息”或“內部交易”。我們可以將消息或內部交易看作與交易類似，主要區別在於它們不是由外部賬戶生成。相反，它們由合約生成。它們是虛擬對象，與交易不同，它們不會序列化並且只存在於以太坊執行環境中。
當一個合約發送內部交易到另外一個合約，接收人合約賬戶的關聯代碼就會執行。
需要注意的是，內部交易或消息並不包含gaslimit。因為gaslimit是由原始合約的外部創建者來確定的，即是一些外部賬戶。外部賬戶設置的gaslimit必須足夠高，以執行交易，這些交易包括了任何子執行，子執行也是由交易導致的。比如，合約到合約的消息。
如果，在交易和消息的鏈中，特定的消息執行耗盡了gas，消息的執行會還原，同時還原的還包括任何由執行觸發的後續消息。然而，父執行無需還原。
所有的交易組成一起進入區塊。區塊鏈包含一系列鏈接在一起的區塊。以太坊中，一個區塊包含：
區塊頭
關於區塊中包含的一組交易的信息
當前區塊的ommers的一組其他區塊頭
ommer到底是什麼？ ommer是一個區塊，它的父區塊相當於當前區塊的父塊的父塊。快速了解一下ommer用於什麼，為什麼區塊包含 ommers的塊頭？
由於以太坊的構建方式，出塊時間比其他區塊鏈更短，比如它約15秒/區塊，而比特幣的出塊時間是10分鐘/區塊。這讓它擁有更快的交易速度。然而，更短出塊時間的一個不足之處是礦工會發現有更多的競爭區塊。這些競爭區塊也稱為“孤塊”（即所挖出的區塊並沒有進入主鏈）。
ommers的目的是幫助獎勵礦工包括這些孤塊。礦工包含的ommers必須是“有效”的，意味著當前區塊的六代之內或更小範圍內。在六代之後，老舊的孤塊不再被引用，因為包括較老的交易會讓事情變複雜。
Ommer區塊獲得的獎勵比全區塊要少。儘管如此，對礦工來說，這依然有激勵，讓他們把這些孤塊包括進來，由此收穫獎勵。
讓我們回到區塊。之前提到過每個區塊都有區塊頭，它究竟是什麼？
區塊頭是區塊的一部分，包括：
parentHash：父區塊頭的哈希值（這也是讓區塊連成鏈的原因）
ommersHash：當前區塊的ommers列表的哈希值
受益人：接收挖礦費用的賬戶地址
stateRoot：狀態trie的根節點的哈希值（狀態trie存儲於區塊頭並且更方便於輕客戶端驗證狀態的任何信息）
transactionsRoot：包含區塊中列出來的所有交易的trie的根節點哈希值
receiptsRoot：包含區塊中列出來的所有交易收據的trie的根節點哈希值
logsBloom：Bloom過濾器（數據結構），它包含日誌信息
difficulty：區塊的難度級別
number：當前區塊的計數（創世區塊的區塊號是0，此後的每個後續區塊都按順序增加）
gasLimit：當前的每區塊的gaslimint
timestamp：區塊開始的unix時間戳
extraData：跟區塊相關的額外數據
mixHash：也是一個哈希值，當它結合nonce時，證明該區塊已經執行足夠的計算
nonce：也是一個哈希值，當它結合mixHash時，證明該區塊已經執行足夠的計算
注意每個區塊頭是如何包含三種trie結構：
狀態（stateRoot）
交易（transactionRoot）
收據（receiptsRoot）
這些trie結構只是之前提到過的Merkle Patricia tries。此外，以上的描述中一些術語需要澄清。
以太坊允許logs，以便於追溯各種交易和消息。合約可以通過定義“事件”來清晰生成日誌，這裡的“事件”則是想要記錄日誌。
log條目包含：
日誌者的賬戶地址
一系列的主題，這些主題代表本次交易執行的不同事件
跟這些事件相關的任何數據
日誌存儲在bloom過濾器中，該過濾器以有效方式存儲無盡的日誌數據。
存儲在區塊頭的日誌來自於包含在交易收據中的日誌信息。正如你在商店購物會收到收據一樣，以太坊也會為每筆交易生成收據。正如你所期望的，每張收據都包含交易相關的一些信息。收據包含如下內容：
區塊編號
區塊哈希
交易哈希
當前交易使用的gas
當前交易執行後當前區塊所使用的累積gas
當執行目前交易創建的日誌
......等等
區塊的“難度”用於實現一致性，它可以讓驗證區塊所花費時間基本一致。創世區塊難度是131,072，此後用特別公式來計算每個區塊的挖礦難度。如果某個區塊的驗證速度快於之前的區塊，以太坊協議會增加出塊難度。
出塊難度影響nonce，這是一個哈希值，礦工必須在挖區塊時使用PoW算法計算出來。區塊難度和nonce的聯繫在數學上可以形式化為：
其中Hd是難度。
找到滿足難度閥值的nonce的唯一方法是使用PoW算法來窮盡所有可能性。找到解的期望時間跟難度成正比——難度越高，找到nonce的就越難，驗證區塊越難，這會導致驗證新區塊花費更長時間。所以，通過調整區塊的難度，協議可以控制驗證區塊需要耗費的時間。
另外一方面，如果驗證時間變長，協議就會降低難度。通過這種方式，驗證時間自我調整，以此保持一個恆定速率——平均每15秒出一個區塊。
我們來到以太坊協議中最複雜的部分之一：交易的執行。假定你發送一個交易到以太坊網絡進行處理，將以太坊的狀態轉換為包含你的交易會發生什麼？
首先，所有交易必須滿足一組初始的設置要求才能執行。這些包括：
交易必須是格式正確的RLP。 “RLP”代表“遞歸長度前綴”，是一種數據格式，它用於編碼二進制數據的嵌套數組。 RLP是以太坊用於序列化對象的格式。
有效的交易簽名
有效交易nonce。回想一下，一個賬戶的nonce是從該賬戶發送過來交易計數。為了有效，交易nonce必須等於發送者賬戶的nonce。
交易的gas limit必須等於或大於交易使用的固有gas。固有gas包括：
為執行交易預先定義的成本21,000的gas
與交易一起發送的數據的gas費用（每字節數據或代碼相當於零時則是4gas的費用，每非零字節的數據或代碼是68gas費用）
如果交易是創建合約的交易，則額外增加32,000gas
发送人的账户發送人的賬戶餘額必須有足夠的Ether覆蓋“預定”gas成本，這是發送人必須支付的。 “預定”gas成本的計算是簡單的：首先，交易的gas limit 乘以交易的gas 價格，可以得出最大的gas成本。其次，最大的成本被加入到總值中，總值是指從發送者轉移到接收者的總價值。
如果交易滿足所有以上的有效性要求，我們繼續下一步。
首先，我們從發送人的餘額中扣除預定的執行成本，並將發送人的賬戶的nonce增加1以計入當前的交易。此時，我們可以算出剩餘的gas，它們作為交易的總gas limit減去使用過的固有gas。
接下來，交易開始執行。在交易的執行過程中，以太坊跟踪“子狀態”。該子狀態是記錄交易過程中產生的信息的方法，這些信息在交易完成後被立即需要。具體來說，它包括：
自毀集：在交易完成後被拋棄的一組賬戶（如果有）
日誌系列：虛擬機代碼執行的歸檔及可索引的檢查點。
退還餘額：交易後退還給發送人賬戶的金額。還記得我們提到的以太坊存儲需要花費，並且發送人會為清理存儲而退款？以太坊會使用退款計數器來跟踪此事。退款計數器從零開始，每次合約清除存儲時會遞增。
接下來，處理交易要求的各種計算。
一旦交易要求的所有步驟都被處理完畢，假定沒有無效狀態，則通過確定要退還給發送人的未使用的gas金額來實現最終狀態。除了未使用的gas，發送人還可以從上面提到的“退款餘額”中獲得一些補貼。
一旦發送人獲得退款：
gas的Ether已經給到礦工
交易使用的gas被添加到區塊gas計數器（它跟踪區塊中所有交易使用的總gas，並在驗證區塊時有用處）
在自毀集中的所有賬戶都將被刪除（如果有的話）
最後，我們留下新的狀態和一組交易創建的日誌。現在我們已經介紹了交易執行的基礎知識，讓我們來看創建合約的交易和消息調用之間的一些區別。
