从形式上看，Polkadot 是一个可复制的分片状态机，其中分片是平行链，而 Polkadot中继链是协议的一部分，它确保所有平行链之间的全局共识。因此，Polkadot中继链协议本身可以被视为一个可复制的状态机。在这个意义上，本节通过指定管理中继链的状态机来描述中继链协议。为此，我们说明了中继链状态，以及由中继链块中的交易分组所支配的状态转换的细节。
状态：状态是通过使用一个关联数组数据结构来表示的，该结构由（key，value）对的集合组成，每个键都是唯一的。除了key和value都必须是有限字节数之外，对key的格式和存储在key中的value没有任何前提限定。
构成中继链状态的(key, value)对排列在Merkle radix-16树中,这棵树的根可以有效识别中继链的当前状态。Merkle树还提供了一种有效的方法来产生状态中单个配对的包含证明。
为了控制状态大小，中继链状态仅用于促进中继链操作，比如质押和识别验证人。Merkle Radix树不会存储有关平行链内部操作的任何信息。
状态转换：像任何基于交易的转换系统，Polkadot的状态变化是通过执行有序的指令集，即所谓的extrinsics。这些extrinsics包括由公众提交的事务。它们涵盖了从机器状态的"外部"提供的任何数据，可以影响状态转换。Polkadot中继链分为两个主要部分，即"Runtime"和"Runtime执行环境"。状态转换功能的执行逻辑主要封装在"Runtime "中，而所有其他的通用操作，通常在现代基于区块链的复制状态机中共享，被嵌入到"Runtime执行环境"中。特别是，后者负责网络通信、区块生产和共识引擎。
Runtime 函数被编译成一个 WebAssembly 模块，并作为状态的一部分存储。 Runtime执行环境将外部信息传递给 Runtime 并与其交互以执行状态转换。通过这种方式，状态转换逻辑自身就可以作为状态转换的一部分进行升级。
Extrinsics：Extrinsics是提供给Polkadot中继链状态机以使其转换到新状态的输入数据。Extrinsics需要被存储到中继链块中，以便在状态机之间实现共识。Extrinsics分为两大类，即：交易和“inherents”，它们代表中继链块固有的数据。区块的时间戳t即为一个必须包含在每个Polkadot中继链块中的固有extrinsics示例。
交易被签名并在节点之间的网络上被广播。相比之下，inherents不会被签名，也不会被单独广播，除非它们被包含在了一个区块中。如果绝大多数验证人都认为这个inherents是有效的，那么一个区块中的inherents也会被假定为有效。中继链上的交易主要涉及中继链和Polkadot协议的整体操作，例如set code, transfer, bond, validate, nominate,vote等操作码。
中继区块生产者监听网络上所有交易消息,收到交易信息后，Runtime验证其有效性，然后有效的交易会根据其优先级和从属性被排列在队列中，并相应地被考虑包含进未来的区块中。
中继链区块格式：一个典型的中继区块由header和body组成。body由一系列extrinsics组成。
header包含父块的哈希值、块号、状态树的根、Merkle树的根（通过将extrinsics排列在merkle树中获得）以及摘要。摘要会存储来自共识引擎的辅助信息，这些信息将用来验证区块的有效性以及区块的来源，同时帮助轻客户端在无需访问状态存储的情况下验证区块。
构建中继链区块：在本节中，我们总结了由中继链验证人执行的中继链操作的各个步骤。通常，每个验证人都知道它什么时候应该生成一个块的（见4.3.1）。
同时，从包括平行链区块链哈希、转换、质押、提名或因违反协议而受到惩罚的交易都会被提交给中继链验证人。验证人验证事务的有效性并将它们存储在事务交易池中。一旦预计验证人生成区块的时间段到达，验证人就会估算出最可能被终态协议确认状态的区块，并将其设置为中继链的当前状态。然后验证人从交易池中挑选有效交易进行执行，并相应地更新其状态。验证人在区块容量允许的范围内，执行并校对尽可能多的交易，并在执行所选交易之后，附加一个中继链最新阶段的加密摘要。最后，验证人签名并发布构建的中继链区块。
收到新区块后，其他验证人会检查区块生产者对协议的遵守情况以及所包含交易的有效性，并将该区块存储在区块树中，区块树中包含了所有可能成为中继链最终状态转换的候选人区块。
同时，验证人对区块树的各个分支（见4.3.2节）进行投票，并删除掉与绝大多数验证人认定的版本相冲突的分支。这样，他们最终就中继链的状态达成了一致。