一文搞懂，以太坊全流程

聲明 我不會帶你做“炒B、擼空、兌換”等任何靠虛擬資產發財的事情。我也不會教你WEB3開發，畢竟“遠程”課程那么多，大家直接去報班就行。 我就是研究“合規的支付新技術”，僅此而已。

大家好，我是剛哥！

這次給大家介紹以太坊，不過以太坊比較龐大，所以這篇文章先介紹以太坊基礎知識與核心流程，后續再逐步介紹上層的WEB3應用。

當然，我的內容會更加偏重與支付的結合。也就是WEB2.5又叫“PayFi”，因此我會沿著“跨境+WEB3+AI“的路徑來介紹“資產和資金”的上鏈。

好了，廢話就說到這里，下面我們直接開始介紹以太坊的基礎知識，我將從“場景-概念-原理”進行“穿透式”的介紹，力求給你一個完整的視角。

【文章很長，建議先收藏，然后用直接聽】

01 以太坊-Ethereum

上篇文章介紹過，比特幣作為加密貨幣的開創者，奠定了區塊鏈的基礎。同時比特幣因為“耗電、緩慢、價格高、可編程差”等方面問題飽受詬病。

1.以太坊的誕生

在2013年有一位大神Vitalik Buterin提出了比特幣可編程性的改進方案，由于方案比較激進，在被比特幣維護者拒絕后，它創立了以太坊（Ethereum），并在2015年上線。

他將以太坊定義為一臺“世界計算機”，全世界鏈上的交易都可以通過它來完成結算。這相當于“從功能手機升級到了智能手機”。

2.比特幣Vs以太坊

圖2：比特幣與以太坊比較

1）PoW-PoS：以太坊在比特幣區塊鏈的基礎上進行了多項改進。最初采用工作量證明（PoW），但為減少能源消耗，于2020年轉向權益證明（PoS），不僅是能耗降低了99%，也使時效壓縮到12秒。

2）賬戶模型：以太坊還引入了賬戶模型，支持智能合約，實現自動化交易，并通過以太坊虛擬機（EVM）增強了可編程性，支持構建復雜的去中心化應用。

3）L2擴容：為提升性能，以太坊提出了L2擴容方案，通過鏈下處理數據，提高了性能并降低了成本，L1主鏈則主要負責結算。

并且以太坊還在持續的演進，推出了“L1信標鏈、EOF虛擬機、新型智能合約、跨鏈交易、預言機”等創新技術。

02 以太坊的架構

以太坊的愿景是成為一臺“世界計算機” (The World Computer），它將是一臺全球化、去中心化且永不宕機的計算平臺。

任何人都能在上面構建和運行金融應用程序，并且無需中介參與。支撐這個愿景是它一系列的技術創新和持續的架構演進。

1.以太坊架構-世界計算機

圖3：以太坊-世界計算機（參考自網絡）

1）P2P網絡：作為一臺面向全球用戶的去中心化“計算機”需要面臨海量的全球用戶訪問，因此它基于P2P網絡，將全球上百萬臺計算機作為它的節點來服務全球用戶。

2）鏈上交易：每一個節點又是一個完整的“中心化”L1基礎設施，負責交易與合約的處理，完成交易受理、合約計算、創建/存儲區塊、共識投票/驗證等處理，最終實現交易的不可逆。

3）上鏈/下鏈：以太坊不僅鏈上是開放的，還能與鏈下WEB2進行數據訪問與存儲?！邦A言機”可以實現“數據上鏈”，IPFS實現海量“數據存儲”，并且它們都可以通過加密簽名機制來實現數據的不可篡改。

正是依托于這種“去中心化基礎設施”，以太坊構建了一個“全球共享的計算平臺”，從而支撐了多樣化WEB3應用的發展。

2.以太坊流程-世界狀態機

如何讓全球幾百萬臺計算機步調一致的處理每一筆交易，以太坊給出的方案是“世界狀態機”。

它通過區塊鏈“拍快照”的方式，讓全球服務器共同記錄處理結果，只要完成共識機制，全球服務器上的“狀態就一致”了。

大白話理解就是，“世界狀態機，把過程拍成快照，然后只看最新的結果”。

圖4：世界狀態機

它的處理過程如下：

1）交易驅動賬戶：賬戶的余額變動都是通過交易來驅動。

2）區塊快照存證：以太坊會把每次交易結果、賬戶余額拍個快照存在區塊鏈上。

3）共識達成一致：只要在規定時間內達成共識，這個狀態就不可撤銷了。

下一筆新的交易在原有的賬戶余額上生成一個快照，然后繼續進行全網共識，以太坊就是通過這種方式完成幾百萬用戶同時的在線交易處理。

03 以太坊基礎知識

我們知道比特幣的交易模型是“交易+UTxO”，它只是一個簡單的記賬系統，不適合處理復雜的邏輯。

以太坊為了實現計算機的目的，“賬戶和交易”模型就必須重新設計。

1.以太坊交易模型

以太坊采用了一套非常復雜的數據結構來設計它的交易模型，為了便于大家理解和比較，我們先來看下它和傳統銀行的賬戶交易模型有什么區別。

1.1 傳統的賬戶交易

傳統銀行賬戶交易必須具備“客戶賬戶、內部賬戶、交易明細、回單憑證”這幾項數據，才能提供適應復雜交易場景和流程的支付體驗。

并且傳統銀行要基于客戶實名來處理賬戶交易，那公開在互聯網的“匿名賬戶”又該如何交易呢？

圖6：銀行中心化賬戶交易 1.2 以太坊交易模型

以太坊的交易模型與“傳統交易模型”非常相似，它也有賬戶（外部賬戶、內部賬戶）、交易、收據等信息。但作為“去中心化”設計，他也有很多的不同。

圖7：以太坊的交易模

1）無賬戶流水，它無需賬戶流水，因為去中心化賬戶不存儲歷史記錄，節省存儲空間，歷史交易可通過應用層技術如“The Graph”查詢。

2）無狀態設計，以太坊采用無狀態設計，不記錄賬戶和交易狀態，只保存交易結果收據，狀態流轉通過共識機制實現。

3）智能合約交易，以太坊通過智能合約控制交易，而非獨立的交易模塊。這些區別使得以太坊的賬戶和區塊鏈結構更易于理解。

2.以太坊賬戶結構

以太坊把他的賬戶定義為“Account State”（賬戶狀態），這也說明它保存的是賬戶的快照，最新的余額永遠都保存在你最后一筆交易所發生的區塊中，具體結構如下。

圖8：以太坊賬戶結構 1）賬戶數據要素

• 匿名的地址：由于以太坊是匿名交易，所以，對于客戶擁有的賬戶，它通過一個“私鑰控制的地址”來指向賬戶。

• noce：用來記錄賬戶更新的次數。

• balance：用來記錄賬戶最新的余額。單位是Wei，是ETH的1/十億；

• codeHash（使用合約）：只有在合約賬戶中才有值。它存放合約代碼編輯后的字節碼，EVM虛擬機會根據這個字節碼去加載合約的代碼進行處理。

• storageRoot（適用合約）：它是合約數據的根節點，其實合約也是存放在一棵Merkle Tree中的，這個我們在后面介紹。

以太坊整個賬戶結構非常簡潔，最大的特點就是支持智能合約。所以它的賬戶類型包含以下兩種；

• 外部賬戶EOA(Externally owned account)：被私鑰控制且沒有任何代碼與之關聯。

• 合約賬戶CA(Contract account)：被它們的合約代碼控制且有代碼與之關聯。

圖9：外部賬戶與合約賬戶 3.區塊鏈（MPT）

經過了這些鋪墊之后，終于要介紹以太坊的區塊鏈賬本了。因為，以太坊的區塊鏈結構要比特幣復雜了好幾倍。不過也不用擔心，我們知道它干什么用就行了。

以太坊的區塊鏈稱為MPT（Merkle Patricia Trie，默克爾-帕特里夏-字典樹），從名字看就知道很復雜，其實，它就是一棵用來存儲“賬戶狀態、交易和收據”信息的“復雜的Merkle Tree”。

圖11：以太坊MPT樹 1）擴展的區塊頭：

顯著的特點是增加了關于“賬戶、交易、收據”的三個根節點，并根據以太坊的PoS和Gas機制新增了一些字段。整個區塊鏈使用了“Hash鏈”結構，將所有區塊連接起來。

2）以太坊中的四棵MPT樹

• 狀態樹 (State Trie）：存儲所有賬戶信息（余額、Nonce、代碼哈希、存儲根）。

• 交易樹 (Transactions Trie）：存儲當前區塊的所有交易。

• 收據樹 (Receipts Trie）：存儲交易執行后的結果（Gas 使用情況、日志等）。

• 存儲樹 (Storage Trie）：每個智能合約賬戶都有獨立的一棵存儲樹，用來存放合約變量。

這幾棵樹中任何信息修改，都需要重新生成一個區塊并共識，否則就會因為Hash值的雪崩效應造成整條鏈的分叉。

4.智能合約

以太坊的智能合約（Smart Contract）是一種存儲在區塊鏈上的自動化執行程序。這里的“智能”不是“人工智能”，而是“可編程、自動化”的意思。它可以無需第三方介入，就能實現點對點的自動化交易。

以太坊的智能合約運行在EVM（以太坊虛擬機）中，因此需要遵循ERC標準，它是EIP（以太坊改進提案）的一個子協議。

4.1、智能合約協議

智能合約的ERC標準（即Ethereum Request for Comments以太坊征求意見），它是專門針對應用場景推出的“通用接口標準”。

只要遵循ERC標準就能開發出“穩定幣、DeFi金融、NFT數字資產、GameFi、智能合約錢包”等熱門的創新應用。一些著名的ERC合約如下：

圖14：常用的智能合約標準 4.2、常見兼容合約項目

ERC標準其實只是一塊“樂高積木”，行業內有很多著名的項目，會把ERC合約與多種技術標準結合，形成兼容以太坊智能合約各類項目。

圖15：智能合約的行業應用

由此可見，以太坊的智能合約的應用場景是非常豐富的，具體的合約我們在后面的應用場景中再逐一介紹。下面我們來看下以太坊是如何執行智能合約的。

5.虛擬機（EVM）

EVM（Ethereum Virtual Machine，即以太坊虛擬機）是以太坊智能合約的執行環境，它被嵌入在每一個以太坊的“全節點”中來運行智能合約。

智能合約使用Solidity語言開發，當你開發完一個智能合約并完成編譯后，可以把他“部署”區塊鏈上，以太坊會給“你的合約”創建一個對應的“CA賬戶”并保存在“Account Storage”中（就是前面CA賬戶外掛的Merkle樹）。

圖16：EVM運行智能合約流程

只要用戶發送的交易請求中包含“智能合約字節碼”，EVM就會執行“你的合約”，并按照以下步驟逐步執行。

• 加載合約：EVM會根據你提供的字節碼去“CA賬戶”對應的“Account Storage”中讀取對應的智能合約，并加載到Virtual ROM中。然后通過“程序計數器”逐行讀取“合約指令”并執行。

• 扣減Gas費：在執行前會先扣減Gas費，這樣即使“你的合約”出現死循環，也會因為Gas耗盡而終止；

• 執行合約：隨后你合約指令被壓入堆棧中（Stack），并在內存中（Memory）運行，最終執行結果會被保存到“Account Storage”的數據庫中，完成出塊。

• 發送共識：合約執行完成后，會將數據數據發送到共識層打包和驗證，隨后廣播給全網完成共識。

顯然，這是一個完全自動化的精妙設計，他通過交易來驅動EVM執行合約，合約自動完成交易處理，并且通過Gas費來限制異常。整個過程全部自動化并且無需第三方介入。

04 以太坊運行原理

講了這么多基礎概念，下面我們就把以太坊一筆交易的運行流程給大家做個全流程的串聯，讓你對以太坊有個整體認識。

以太坊的核心交易流程，其實就是進行一次全網的PoS（權益證明），它的交易速度相較于比特幣要快很多。12秒就能完成驗證和出塊，隨后發布到全網由見證者投票。最終共識12.8分鐘就能完成。

圖17：以太坊核心交易流程

下面我們就以收付款人通過一筆USDT合約轉賬交易來介紹一下整個處理過程。

1）選出提議者打包（12秒）

付款人向收款人地址轉賬USDT，交易信息被發送到網絡節點的Mempool。以太坊每12秒選出一個“提出者”來打包交易。提出者處理交易、計算合約并創建區塊，然后區塊經過驗證并廣播到全網，進行共識投票。

2）上鏈驗證者投票（6.4分鐘）

網絡中的其他節點作為驗證者，確認交易并更新余額和合約狀態。他們將驗證結果簽名后廣播。大約6.4分鐘內，若超過1/3節點同意，交易就基本不可逆。

3）最終共識并獎勵（12.8分鐘）

理論上，1/3共識仍有分叉風險，因此需要更多節點投票。以太坊目標是在12.8分鐘內達到2/3共識，確保交易不會分叉，完成最終共識，參與者獲得獎勵。

顯然，以太坊這套機制在“打包排序”和“計算處理”上都限定了時間，以確保交易會被快速的處理。

你可能會問，要是有的節點沒有按時間處理完，或者處理一半掉線、宕機了怎么辦呢。其實以太坊的PoS會有一些技術機制來保障并且還會有處罰機制。這些內容我們就在下一篇《PoS權益證明》中介紹了。

講在最后

在對以太坊的學習過程中，感受最大的就是他的公開和透明性，他的資料非常完善，底層代碼、合約代碼，甚至一些項目代碼都是開源，并且還有很多的區塊鏈瀏覽器、開源錢包讓你快速的體驗產品。

當然，最重要的還有AI大模型，它在WEB3這方面知識是非常全面的。只要你有一份目標清晰的計劃（例如我的《WEB3知識地圖》），通過，“AI問答+搜索引擎+WEB3平臺體驗與實踐”，學習WEB3一點都不難。

個人感覺，由于WEB3開放與開源，加上AI的加持，他學習的難度其實比傳統的支付和金融小很多。

當然，如果有過來人帶下，那就能更加事半功倍了，希望我這篇文章能給你帶來幫助。

【參考資料】

以太坊白皮書：

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

登鏈社區-精通以太坊第二版：

https://learnblockchain.cn/article/22102

以太坊智能合約協議：

https://eips.ethereum.org/erc

【實踐網站】

以太坊瀏覽器：https://etherscan.io/

MetaMask：https://metamask.io/zh-CN

Remix：https://remix.ethereum.org/

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