以太坊核心概念介绍

不会喷火的小火龙
发布于 2025-09-08 16:08
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以太坊（Ethereum）自2015年诞生以来，逐渐成为全球最重要的区块链平台之一。它不仅仅是一个数字货币系统，更是一个支持智能合约（SmartContract）和去中心化应用（DApp）的通用计算平台。相比比特币，以太坊在设计上做出了许多突破，使其成为区块链“第二代”代表。本文将从以太坊的

以太坊（Ethereum）自 2015 年诞生以来，逐渐成为全球最重要的区块链平台之一。它不仅仅是一个数字货币系统，更是一个支持智能合约（Smart Contract）和去中心化应用（DApp）的通用计算平台。相比比特币，以太坊在设计上做出了许多突破，使其成为区块链“第二代”代表。

本文将从以太坊的核心组件、底层技术、账户模型、状态树与交易树、EVM 和 Gas 机制、以及共识机制等方面，系统性地介绍以太坊的概念与原理。

## 一、以太坊核心组件

在以太坊的设计中，几个核心概念必须被理解清楚：**以太（Ether）、账户（Account）、交易（Transaction）、区块（Block）、EVM（以太坊虚拟机）、Gas 机制**。

其中**EVM、Gas、智能合约** 是需要重点掌握的部分。

- **以太（Ether）**

以太坊的原生代币，符号为 ETH。它不仅是支付手续费和 Gas 的燃料，也是整个网络的激励工具。用户在进行转账、部署合约、调用合约时都需要支付 ETH。
- **账户（Account）**

每一个用户或合约在以太坊网络中都有唯一的账户地址。账户可以持有余额、发起交易、保存代码与存储数据。
- **交易（Transaction）**

用户操作的基本单位。转账、合约调用、合约部署，统统都以交易的形式在区块链上传播和确认。
- **区块（Block）**

所有交易被打包成区块，并通过链式结构依次链接，保证了全网的一致性和不可篡改性。
- **EVM（Ethereum Virtual Machine）**

以太坊的核心计算引擎。智能合约的代码会被编译成 EVM 字节码，在 EVM 中执行，改变区块链的状态。
- **Gas 机制**

以太坊引入了一种独特的“燃料费”机制，每一条指令都需要消耗 Gas，从而限制计算资源、防止恶意消耗。

## 二、以太坊的四大核心技术

以太坊的运行基于区块链技术，而区块链的关键要素在以太坊中也得到了完整的继承和扩展：

1. **点对点（P2P）网络**

所有节点通过 P2P 协议连接，信息传播去中心化，没有单点故障。新区块和交易通过 Gossip 协议快速广播。
2. **共识机制**

比特币依靠 PoW（工作量证明），而以太坊在 2022 年“合并”之后，切换到了 PoS（权益证明）。通过质押 ETH，验证者可以获得出块权利。PoS 更节能、更环保。
3. **账户模型**

不同于比特币的 UTXO 模型，以太坊使用**基于余额的账户模型**。一个账户只需要记录余额、代码和存储，而不需要追踪所有未花费交易输出。
4. **加密模块**

以太坊使用**椭圆曲线加密算法（secp256k1）来生成公私钥对，并通过**Keccak-256 哈希算法 来生成地址。签名机制保证交易的真实性和不可抵赖性。

除了这四大模块，以太坊还独创了**EVM**和**智能合约语言 Solidity**，使区块链具备了“世界计算机”的特性。

## 三、账户模型

以太坊的账户模型是理解其交易与状态存储的基础。

### 1. 账户分类

- **外部账户（EOA, Externally Owned Account）**
    - 普通用户的钱包
    - 由私钥控制
    - 可以主动发起交易
    - 结构简单：只有`nonce`、`balance`
- **合约账户（Contract Account）**
    - 部署在区块链上的智能合约
    - 没有私钥，不能主动发起交易
    - 只能在被外部账户调用时执行代码
    - 包含`codeHash`和`storageRoot` 用于合约逻辑与存储

### 2. 账户结构

每个账户包含以下 4 个核心字段：

- `nonce`：账户发出的交易数，用于防止重放攻击
- `balance`：账户余额，以 Wei（10^-18 ETH）为单位
- `storageRoot`：合约账户的存储树根哈希
- `codeHash`：合约字节码的哈希值

### 3. 数据结构

以太坊为了高效存储和验证，采用了**Merkle Patricia Trie（MPT）** 数据结构。

- **状态树**：存储所有账户的状态信息
- **存储树**：用于保存每个合约的变量
- **收据树**：记录交易执行结果和日志

这种结构保证了：

- 高效检索账户信息
- 可以通过根哈希验证全网状态一致性
- 节点只需保存部分状态，也能验证交易

## 四、状态树与交易树

### 1. 状态树

状态树的叶子节点就是账户，每个账户的 key 是其地址的哈希。一个典型的账户结构：

```JSON
{
  "nonce": 10,
  "balance": 1000000000000000000,
  "storageRoot": "0xabcd...",
  "codeHash": "0x1234..."
}

```

### 2. 交易树

存储区块中的所有交易。区块头中会记录交易树的根哈希。只要对交易树进行哈希校验，就能证明该区块交易未被篡改。

### 3. 收据树

每笔交易执行完成后，EVM 会生成一个收据（Receipt），包括执行状态、Gas 消耗、事件日志等信息。

收据示例：

```JSON
{
  "status": 1,
  "cumulativeGasUsed": 21000,
  "logs": [...],
  "logsBloom": "..."
}

```

收据树的作用是**便于快速检索交易结果**，尤其是 DApp 事件触发时，可以通过布隆过滤器高效过滤相关日志。

## 五、以太坊虚拟机 EVM 与 Gas 机制

### 1. 什么是 EVM？

EVM（Ethereum Virtual Machine）是以太坊的“心脏”。

它是一个轻量级的虚拟机环境，负责执行智能合约代码，维护全网状态变更。

特点：

- **完全隔离**：合约运行在虚拟机中，互不干扰
- **确定性**：在任意节点执行同一合约，结果完全相同
- **图灵完备**：支持复杂逻辑运算，可以构建任意去中心化应用

可以把 EVM 理解成一个“去中心化的 CPU”。

### 2. EVM 的运行流程

当一个交易被广播时：

1. 读取合约代码
2. 转换为字节码
3. 逐条执行操作码
4. 修改账户状态或生成收据

### 3. Gas 机制

以太坊引入了“Gas”来衡量计算资源的消耗。

- **每条指令都有对应的 Gas 消耗**（如存储、哈希运算、发送消息等）。
- **Gas 限额（Gas Limit）**：交易执行的最大 Gas，用来避免死循环。
- **Gas 价格（Gas Price）**：用户愿意为每单位 Gas 支付多少 ETH。

交易费用公式：

`总费用 = Gas Used × (Base Fee + Priority Fee)`

其中：

- **Base Fee**（基础费）：由网络决定，执行后销毁（EIP-1559 规定）。
- **Priority Fee**（小费）：支付给区块打包者，激励其优先处理交易。

这种机制保证了：

- 网络资源不会被滥用
- 用户通过支付小费来获得更快确认
- ETH 有部分被销毁，从而具有通缩性

## 六、以太坊的共识机制：PoW 到 PoS

以太坊在早期使用**PoW（工作量证明）**，通过矿工计算哈希来争夺出块权。但这种机制能耗极大，速度有限。

在 2022 年，以太坊完成了历史性升级“**The Merge（合并）**”，正式切换为**PoS（权益证明）**。

### 1. PoS 原理

- 节点需要质押 ETH 成为验证者
- 质押数量越多，获得出块机会的概率越高
- 验证者如果作恶（如双重签名），将被惩罚并扣除保证金

### 2. 优势

- 能耗降低 99%
- 出块更快，确认更快
- 提升网络安全性和可扩展性

### 3. 叔块机制

以太坊在 PoW 时代采用了**GHOST 协议的叔块机制**：即便某些节点挖出的区块未成为主链，也能作为“叔块”获得部分奖励。这降低了算力浪费，也提高了去中心化程度。

## 七、以太坊与智能合约

智能合约是以太坊最具革命性的创新。它是一种部署在区块链上的自动化程序，可以根据事先设定的条件自动执行。

- 语言：Solidity
- 特点：不可篡改、自动执行、透明可信
- 应用：去中心化金融（DeFi）、NFT、DAO、区块链游戏、供应链金融等

DApp 的触发方式只有两种：

1. 交易触发（用户发起交易）
2. 消息触发（合约之间的调用）

以太坊因此成为“去中心化应用的操作系统”。

## 八、总结

以太坊不仅仅是一种加密货币，而是一个基于区块链的通用计算平台。
其核心概念包括：**账户模型、EVM、Gas、智能合约、共识机制**。

通过账户模型和状态树，它实现了全局状态的存储；

通过 EVM 和 Gas，它实现了可控的、图灵完备的计算环境；

通过 PoS，它实现了更高效和环保的共识机制；

通过智能合约，它释放了区块链的无限潜力。

未来，以太坊仍将在去中心化金融、元宇宙、Web3 应用等领域继续发挥核心作用。

本文将从以太坊的核心组件、底层技术、账户模型、状态树与交易树、EVM 和 Gas 机制、以及共识机制等方面，系统性地介绍以太坊的概念与原理。

一、以太坊核心组件

在以太坊的设计中，几个核心概念必须被理解清楚：以太（Ether）、账户（Account）、交易（Transaction）、区块（Block）、EVM（以太坊虚拟机）、Gas 机制。

其中EVM、Gas、智能合约 是需要重点掌握的部分。

以太（Ether）

以太坊的原生代币，符号为 ETH。它不仅是支付手续费和 Gas 的燃料，也是整个网络的激励工具。用户在进行转账、部署合约、调用合约时都需要支付 ETH。
账户（Account）

每一个用户或合约在以太坊网络中都有唯一的账户地址。账户可以持有余额、发起交易、保存代码与存储数据。
交易（Transaction）

用户操作的基本单位。转账、合约调用、合约部署，统统都以交易的形式在区块链上传播和确认。
区块（Block）

所有交易被打包成区块，并通过链式结构依次链接，保证了全网的一致性和不可篡改性。
EVM（Ethereum Virtual Machine）

以太坊的核心计算引擎。智能合约的代码会被编译成 EVM 字节码，在 EVM 中执行，改变区块链的状态。
Gas 机制

以太坊引入了一种独特的“燃料费”机制，每一条指令都需要消耗 Gas，从而限制计算资源、防止恶意消耗。

二、以太坊的四大核心技术

以太坊的运行基于区块链技术，而区块链的关键要素在以太坊中也得到了完整的继承和扩展：

点对点（P2P）网络

所有节点通过 P2P 协议连接，信息传播去中心化，没有单点故障。新区块和交易通过 Gossip 协议快速广播。
共识机制

比特币依靠 PoW（工作量证明），而以太坊在 2022 年“合并”之后，切换到了 PoS（权益证明）。通过质押 ETH，验证者可以获得出块权利。PoS 更节能、更环保。
账户模型

不同于比特币的 UTXO 模型，以太坊使用基于余额的账户模型。一个账户只需要记录余额、代码和存储，而不需要追踪所有未花费交易输出。
加密模块

以太坊使用椭圆曲线加密算法（secp256k1）来生成公私钥对，并通过Keccak-256 哈希算法来生成地址。签名机制保证交易的真实性和不可抵赖性。

除了这四大模块，以太坊还独创了EVM和智能合约语言 Solidity，使区块链具备了“世界计算机”的特性。

三、账户模型

以太坊的账户模型是理解其交易与状态存储的基础。

1. 账户分类

外部账户（EOA, Externally Owned Account）
- 普通用户的钱包
- 由私钥控制
- 可以主动发起交易
- 结构简单：只有nonce、balance
合约账户（Contract Account）
- 部署在区块链上的智能合约
- 没有私钥，不能主动发起交易
- 只能在被外部账户调用时执行代码
- 包含codeHash和storageRoot 用于合约逻辑与存储

2. 账户结构

每个账户包含以下 4 个核心字段：

nonce：账户发出的交易数，用于防止重放攻击
balance：账户余额，以 Wei（10^-18 ETH）为单位
storageRoot：合约账户的存储树根哈希
codeHash：合约字节码的哈希值

3. 数据结构

以太坊为了高效存储和验证，采用了Merkle Patricia Trie（MPT） 数据结构。

状态树：存储所有账户的状态信息
存储树：用于保存每个合约的变量
收据树：记录交易执行结果和日志

这种结构保证了：

高效检索账户信息
可以通过根哈希验证全网状态一致性
节点只需保存部分状态，也能验证交易

四、状态树与交易树

1. 状态树

状态树的叶子节点就是账户，每个账户的 key 是其地址的哈希。一个典型的账户结构：

{
  "nonce": 10,
  "balance": 1000000000000000000,
  "storageRoot": "0xabcd...",
  "codeHash": "0x1234..."
}

2. 交易树

存储区块中的所有交易。区块头中会记录交易树的根哈希。只要对交易树进行哈希校验，就能证明该区块交易未被篡改。

3. 收据树

每笔交易执行完成后，EVM 会生成一个收据（Receipt），包括执行状态、Gas 消耗、事件日志等信息。

收据示例：

{
  "status": 1,
  "cumulativeGasUsed": 21000,
  "logs": [...],
  "logsBloom": "..."
}

收据树的作用是便于快速检索交易结果，尤其是 DApp 事件触发时，可以通过布隆过滤器高效过滤相关日志。

五、以太坊虚拟机 EVM 与 Gas 机制

1. 什么是 EVM？

EVM（Ethereum Virtual Machine）是以太坊的“心脏”。

它是一个轻量级的虚拟机环境，负责执行智能合约代码，维护全网状态变更。

特点：

完全隔离：合约运行在虚拟机中，互不干扰
确定性：在任意节点执行同一合约，结果完全相同
图灵完备：支持复杂逻辑运算，可以构建任意去中心化应用

可以把 EVM 理解成一个“去中心化的 CPU”。

2. EVM 的运行流程

当一个交易被广播时：

读取合约代码
转换为字节码
逐条执行操作码
修改账户状态或生成收据

3. Gas 机制

以太坊引入了“Gas”来衡量计算资源的消耗。

每条指令都有对应的 Gas 消耗（如存储、哈希运算、发送消息等）。
Gas 限额（Gas Limit）：交易执行的最大 Gas，用来避免死循环。
Gas 价格（Gas Price）：用户愿意为每单位 Gas 支付多少 ETH。

交易费用公式：

总费用 = Gas Used × (Base Fee + Priority Fee)

其中：

Base Fee（基础费）：由网络决定，执行后销毁（EIP-1559 规定）。
Priority Fee（小费）：支付给区块打包者，激励其优先处理交易。

这种机制保证了：

网络资源不会被滥用
用户通过支付小费来获得更快确认
ETH 有部分被销毁，从而具有通缩性

六、以太坊的共识机制：PoW 到 PoS

以太坊在早期使用PoW（工作量证明），通过矿工计算哈希来争夺出块权。但这种机制能耗极大，速度有限。

在 2022 年，以太坊完成了历史性升级“The Merge（合并）”，正式切换为PoS（权益证明）。

1. PoS 原理

节点需要质押 ETH 成为验证者
质押数量越多，获得出块机会的概率越高
验证者如果作恶（如双重签名），将被惩罚并扣除保证金

2. 优势

能耗降低 99%
出块更快，确认更快
提升网络安全性和可扩展性

3. 叔块机制

以太坊在 PoW 时代采用了GHOST 协议的叔块机制：即便某些节点挖出的区块未成为主链，也能作为“叔块”获得部分奖励。这降低了算力浪费，也提高了去中心化程度。

七、以太坊与智能合约