一文搞懂，以太坊全流程

声明 我不会带你做“炒B、撸空、兑换”等任何靠虚拟资产发财的事情。我也不会教你WEB3开发，毕竟“远程”课程那么多，大家直接去报班就行。 我就是研究“合规的支付新技术”，仅此而已。

大家好，我是刚哥！

这次给大家介绍以太坊，不过以太坊比较庞大，所以这篇文章先介绍以太坊基础知识与核心流程，后续再逐步介绍上层的WEB3应用。

当然，我的内容会更加偏重与支付的结合。也就是WEB2.5又叫“PayFi”，因此我会沿着“跨境+WEB3+AI“的路径来介绍“资产和资金”的上链。

好了，废话就说到这里，下面我们直接开始介绍以太坊的基础知识，我将从“场景-概念-原理”进行“穿透式”的介绍，力求给你一个完整的视角。

【文章很长，建议先收藏，然后用直接听】

01 以太坊-Ethereum

上篇文章介绍过，比特币作为加密货币的开创者，奠定了区块链的基础。同时比特币因为“耗电、缓慢、价格高、可编程差”等方面问题饱受诟病。

1.以太坊的诞生

在2013年有一位大神Vitalik Buterin提出了比特币可编程性的改进方案，由于方案比较激进，在被比特币维护者拒绝后，它创立了以太坊（Ethereum），并在2015年上线。

他将以太坊定义为一台“世界计算机”，全世界链上的交易都可以通过它来完成结算。这相当于“从功能手机升级到了智能手机”。

2.比特币Vs以太坊

图2：比特币与以太坊比较

1）PoW-PoS：以太坊在比特币区块链的基础上进行了多项改进。最初采用工作量证明（PoW），但为减少能源消耗，于2020年转向权益证明（PoS），不仅是能耗降低了99%，也使时效压缩到12秒。

2）账户模型：以太坊还引入了账户模型，支持智能合约，实现自动化交易，并通过以太坊虚拟机（EVM）增强了可编程性，支持构建复杂的去中心化应用。

3）L2扩容：为提升性能，以太坊提出了L2扩容方案，通过链下处理数据，提高了性能并降低了成本，L1主链则主要负责结算。

并且以太坊还在持续的演进，推出了“L1信标链、EOF虚拟机、新型智能合约、跨链交易、预言机”等创新技术。

02 以太坊的架构

以太坊的愿景是成为一台“世界计算机” (The World Computer），它将是一台全球化、去中心化且永不宕机的计算平台。

任何人都能在上面构建和运行金融应用程序，并且无需中介参与。支撑这个愿景是它一系列的技术创新和持续的架构演进。

1.以太坊架构-世界计算机

图3：以太坊-世界计算机（参考自网络）

1）P2P网络：作为一台面向全球用户的去中心化“计算机”需要面临海量的全球用户访问，因此它基于P2P网络，将全球上百万台计算机作为它的节点来服务全球用户。

2）链上交易：每一个节点又是一个完整的“中心化”L1基础设施，负责交易与合约的处理，完成交易受理、合约计算、创建/存储区块、共识投票/验证等处理，最终实现交易的不可逆。

3）上链/下链：以太坊不仅链上是开放的，还能与链下WEB2进行数据访问与存储。“预言机”可以实现“数据上链”，IPFS实现海量“数据存储”，并且它们都可以通过加密签名机制来实现数据的不可篡改。

正是依托于这种“去中心化基础设施”，以太坊构建了一个“全球共享的计算平台”，从而支撑了多样化WEB3应用的发展。

2.以太坊流程-世界状态机

如何让全球几百万台计算机步调一致的处理每一笔交易，以太坊给出的方案是“世界状态机”。

它通过区块链“拍快照”的方式，让全球服务器共同记录处理结果，只要完成共识机制，全球服务器上的“状态就一致”了。

大白话理解就是，“世界状态机，把过程拍成快照，然后只看最新的结果”。

图4：世界状态机

它的处理过程如下：

1）交易驱动账户：账户的余额变动都是通过交易来驱动。

2）区块快照存证：以太坊会把每次交易结果、账户余额拍个快照存在区块链上。

3）共识达成一致：只要在规定时间内达成共识，这个状态就不可撤销了。

下一笔新的交易在原有的账户余额上生成一个快照，然后继续进行全网共识，以太坊就是通过这种方式完成几百万用户同时的在线交易处理。

03 以太坊基础知识

我们知道比特币的交易模型是“交易+UTxO”，它只是一个简单的记账系统，不适合处理复杂的逻辑。

以太坊为了实现计算机的目的，“账户和交易”模型就必须重新设计。

1.以太坊交易模型

以太坊采用了一套非常复杂的数据结构来设计它的交易模型，为了便于大家理解和比较，我们先来看下它和传统银行的账户交易模型有什么区别。

1.1 传统的账户交易

传统银行账户交易必须具备“客户账户、内部账户、交易明细、回单凭证”这几项数据，才能提供适应复杂交易场景和流程的支付体验。

并且传统银行要基于客户实名来处理账户交易，那公开在互联网的“匿名账户”又该如何交易呢？

图6：银行中心化账户交易 1.2 以太坊交易模型

以太坊的交易模型与“传统交易模型”非常相似，它也有账户（外部账户、内部账户）、交易、收据等信息。但作为“去中心化”设计，他也有很多的不同。

图7：以太坊的交易模

1）无账户流水，它无需账户流水，因为去中心化账户不存储历史记录，节省存储空间，历史交易可通过应用层技术如“The Graph”查询。

2）无状态设计，以太坊采用无状态设计，不记录账户和交易状态，只保存交易结果收据，状态流转通过共识机制实现。

3）智能合约交易，以太坊通过智能合约控制交易，而非独立的交易模块。这些区别使得以太坊的账户和区块链结构更易于理解。

2.以太坊账户结构

以太坊把他的账户定义为“Account State”（账户状态），这也说明它保存的是账户的快照，最新的余额永远都保存在你最后一笔交易所发生的区块中，具体结构如下。

图8：以太坊账户结构 1）账户数据要素

• 匿名的地址：由于以太坊是匿名交易，所以，对于客户拥有的账户，它通过一个“私钥控制的地址”来指向账户。

• noce：用来记录账户更新的次数。

• balance：用来记录账户最新的余额。单位是Wei，是ETH的1/十亿；

• codeHash（使用合约）：只有在合约账户中才有值。它存放合约代码编辑后的字节码，EVM虚拟机会根据这个字节码去加载合约的代码进行处理。

• storageRoot（适用合约）：它是合约数据的根节点，其实合约也是存放在一棵Merkle Tree中的，这个我们在后面介绍。

以太坊整个账户结构非常简洁，最大的特点就是支持智能合约。所以它的账户类型包含以下两种；

• 外部账户EOA(Externally owned account)：被私钥控制且没有任何代码与之关联。

• 合约账户CA(Contract account)：被它们的合约代码控制且有代码与之关联。

图9：外部账户与合约账户 3.区块链（MPT）

经过了这些铺垫之后，终于要介绍以太坊的区块链账本了。因为，以太坊的区块链结构要比特币复杂了好几倍。不过也不用担心，我们知道它干什么用就行了。

以太坊的区块链称为MPT（Merkle Patricia Trie，默克尔-帕特里夏-字典树），从名字看就知道很复杂，其实，它就是一棵用来存储“账户状态、交易和收据”信息的“复杂的Merkle Tree”。

图11：以太坊MPT树 1）扩展的区块头：

显著的特点是增加了关于“账户、交易、收据”的三个根节点，并根据以太坊的PoS和Gas机制新增了一些字段。整个区块链使用了“Hash链”结构，将所有区块连接起来。

2）以太坊中的四棵MPT树

• 状态树 (State Trie）：存储所有账户信息（余额、Nonce、代码哈希、存储根）。

• 交易树 (Transactions Trie）：存储当前区块的所有交易。

• 收据树 (Receipts Trie）：存储交易执行后的结果（Gas 使用情况、日志等）。

• 存储树 (Storage Trie）：每个智能合约账户都有独立的一棵存储树，用来存放合约变量。

这几棵树中任何信息修改，都需要重新生成一个区块并共识，否则就会因为Hash值的雪崩效应造成整条链的分叉。

4.智能合约

以太坊的智能合约（Smart Contract）是一种存储在区块链上的自动化执行程序。这里的“智能”不是“人工智能”，而是“可编程、自动化”的意思。它可以无需第三方介入，就能实现点对点的自动化交易。

以太坊的智能合约运行在EVM（以太坊虚拟机）中，因此需要遵循ERC标准，它是EIP（以太坊改进提案）的一个子协议。

4.1、智能合约协议

智能合约的ERC标准（即Ethereum Request for Comments以太坊征求意见），它是专门针对应用场景推出的“通用接口标准”。

只要遵循ERC标准就能开发出“稳定币、DeFi金融、NFT数字资产、GameFi、智能合约钱包”等热门的创新应用。一些著名的ERC合约如下：

图14：常用的智能合约标准 4.2、常见兼容合约项目

ERC标准其实只是一块“乐高积木”，行业内有很多著名的项目，会把ERC合约与多种技术标准结合，形成兼容以太坊智能合约各类项目。

图15：智能合约的行业应用

由此可见，以太坊的智能合约的应用场景是非常丰富的，具体的合约我们在后面的应用场景中再逐一介绍。下面我们来看下以太坊是如何执行智能合约的。

5.虚拟机（EVM）

EVM（Ethereum Virtual Machine，即以太坊虚拟机）是以太坊智能合约的执行环境，它被嵌入在每一个以太坊的“全节点”中来运行智能合约。

智能合约使用Solidity语言开发，当你开发完一个智能合约并完成编译后，可以把他“部署”区块链上，以太坊会给“你的合约”创建一个对应的“CA账户”并保存在“Account Storage”中（就是前面CA账户外挂的Merkle树）。

图16：EVM运行智能合约流程

只要用户发送的交易请求中包含“智能合约字节码”，EVM就会执行“你的合约”，并按照以下步骤逐步执行。

• 加载合约：EVM会根据你提供的字节码去“CA账户”对应的“Account Storage”中读取对应的智能合约，并加载到Virtual ROM中。然后通过“程序计数器”逐行读取“合约指令”并执行。

• 扣减Gas费：在执行前会先扣减Gas费，这样即使“你的合约”出现死循环，也会因为Gas耗尽而终止；

• 执行合约：随后你合约指令被压入堆栈中（Stack），并在内存中（Memory）运行，最终执行结果会被保存到“Account Storage”的数据库中，完成出块。

• 发送共识：合约执行完成后，会将数据数据发送到共识层打包和验证，随后广播给全网完成共识。

显然，这是一个完全自动化的精妙设计，他通过交易来驱动EVM执行合约，合约自动完成交易处理，并且通过Gas费来限制异常。整个过程全部自动化并且无需第三方介入。

04 以太坊运行原理

讲了这么多基础概念，下面我们就把以太坊一笔交易的运行流程给大家做个全流程的串联，让你对以太坊有个整体认识。

以太坊的核心交易流程，其实就是进行一次全网的PoS（权益证明），它的交易速度相较于比特币要快很多。12秒就能完成验证和出块，随后发布到全网由见证者投票。最终共识12.8分钟就能完成。

图17：以太坊核心交易流程

下面我们就以收付款人通过一笔USDT合约转账交易来介绍一下整个处理过程。

1）选出提议者打包（12秒）

付款人向收款人地址转账USDT，交易信息被发送到网络节点的Mempool。以太坊每12秒选出一个“提出者”来打包交易。提出者处理交易、计算合约并创建区块，然后区块经过验证并广播到全网，进行共识投票。

2）上链验证者投票（6.4分钟）

网络中的其他节点作为验证者，确认交易并更新余额和合约状态。他们将验证结果签名后广播。大约6.4分钟内，若超过1/3节点同意，交易就基本不可逆。

3）最终共识并奖励（12.8分钟）

理论上，1/3共识仍有分叉风险，因此需要更多节点投票。以太坊目标是在12.8分钟内达到2/3共识，确保交易不会分叉，完成最终共识，参与者获得奖励。

显然，以太坊这套机制在“打包排序”和“计算处理”上都限定了时间，以确保交易会被快速的处理。

你可能会问，要是有的节点没有按时间处理完，或者处理一半掉线、宕机了怎么办呢。其实以太坊的PoS会有一些技术机制来保障并且还会有处罚机制。这些内容我们就在下一篇《PoS权益证明》中介绍了。

讲在最后

在对以太坊的学习过程中，感受最大的就是他的公开和透明性，他的资料非常完善，底层代码、合约代码，甚至一些项目代码都是开源，并且还有很多的区块链浏览器、开源钱包让你快速的体验产品。

当然，最重要的还有AI大模型，它在WEB3这方面知识是非常全面的。只要你有一份目标清晰的计划（例如我的《WEB3知识地图》），通过，“AI问答+搜索引擎+WEB3平台体验与实践”，学习WEB3一点都不难。

个人感觉，由于WEB3开放与开源，加上AI的加持，他学习的难度其实比传统的支付和金融小很多。

当然，如果有过来人带下，那就能更加事半功倍了，希望我这篇文章能给你带来帮助。

【参考资料】

以太坊白皮书：

https://ethereum.org/zh/whitepaper/

登链社区-精通以太坊第二版：

https://learnblockchain.cn/article/22102

以太坊智能合约协议：

https://eips.ethereum.org/erc

【实践网站】

以太坊浏览器：https://etherscan.io/

MetaMask：https://metamask.io/zh-CN

Remix：https://remix.ethereum.org/

【加我入群，注明"所属行业+地点"】

不炒币、不空投、不兑换、没代理