以太坊（Ethereum）作为全球第二大区块链平台，早已超越“数字货币”的范畴，成为支撑去中心化应用（DApps）、DeFi（去中心化金融）、NFTs（非同质化代币）等生态系统的底层基础设施，要理解以太坊如何运作，需从其核心架构、关键技术机制到应用逻辑逐层拆解，本文将从“区块链基础”“账户模型”“智能合约”“共识机制”“虚拟机”五大核心维度，系统解析以太坊的运作原理。

区块链基础：以太坊的“数据账本”

与比特币类似,以太坊本质上是一个去中心化的分布式账本，其核心由“区块”和“链”构成。

  • 区块结构：每个区块包含三部分关键数据：

    1. 区块头：记录前一个区块的哈希值（形成“链”的链接）、时间戳、难度目标（用于调整挖矿难度）、随机数（挖矿解出的答案）以及状态根（后文详述）和交易根（本区块内所有交易的默克尔树根哈希，用于快速验证交易完整性）。
    2. 交易列表：本区块包含的所有交易数据（如转账、合约调用等）。
    3. 叔块（Uncle）数据：以太坊特有机制，用于纳入因网络延迟未及时上链的“孤块”，提升区块安全性并减少算力浪费。

  • 链式结构：每个区块通过“父区块哈希”与前一个区块相连，形成不可篡改的链条，任何对历史区块的修改都会导致其哈希值变化，后续区块需全部重新计算，这在算力分散的以太坊网络中几乎不可能实现，从而保障数据安全性。

账户模型：统一的人与合约“身份”

与比特币的“UTXO（未花费交易输出）”模型不同，以太坊采用账户模型，将网络中的参与者分为两类：外部账户（EOA，Externally Owned Account）和合约账户（Contract Account），二者通过统一的地址标识。

  • 外部账户（EOA）：由用户私钥控制，相当于传统银行账户的“个人账户”，每个EOA有唯一地址（由公钥生成），用于发送交易、持有资产（如ETH），其核心状态包括：

    • nonce：账户发起的交易计数，防止重放攻击（如重复发送同一笔交易）；
    • 余额：账户持有的ETH数量；
    • 代码：EOA无代码，仅能发起交易。

  • 合约账户：由代码控制，相当于“自动执行程序”的账户，合约账户的地址由创建者的地址和nonce生成，其核心状态包括：

    • nonce：合约创建的交易计数；
    • 余额：合约接收的ETH；
    • 代码：部署的智能合约代码（不可修改）；
    • 存储：合约运行时产生的数据（如变量值，可读写）。

关键区别：EOA通过私钥主动发起交易，而合约账户的“行为”完全由外部账户调用其代码触发，本质上是代码逻辑的自动执行。

智能合约：以太坊的“自动执行引擎”

智能合约（Smart Contract）是以太坊的灵魂，它是一段部署在区块链上、自动执行合约条款的代码（通常用Solidity语言编写），当满足预设条件时，合约会按代码规则执行操作（如转账、数据存储），无需第三方信任。

  • 合约的生命周期：

    1. 部署：用户通过EOA发送一笔“创建交易”，将编译后的合约代码发送到以太坊网络，矿工打包交易后，合约账户被创建并分配唯一地址。
    2. 调用：用户通过“调用交易”触发合约执行，可向合约传递参数（如转账金额、函数输入）。
    3. 销毁：部分合约包含自毁函数，执行后合约代码和存储将被清除，地址变为不可用。

  • 合约的执行逻辑：合约代码运行在以太坊虚拟机（EVM）中，通过“函数调用”与外部交互，DeFi借贷合约中，用户调用“deposit”函数时，EVM会执行代码逻辑：检查用户余额是否充足→扣除用户ETH→增加合约中用户的存款份额→记录存储数据，整个过程透明、不可篡改，且由全网节点共同验证。

共识机制：从PoW到PoS的信任基石

以太坊网络由全球数万个节点共同维护,如何确保所有节点对“哪个区块有效”“交易顺序如何”达成一致？这依赖共识机制，以太坊经历了从“工作量证明（PoW）”到“权益证明（PoS）”的迭代升级。

  • PoW（已退役）：早期以太坊与比特币类似，矿工通过竞争计算哈希值（寻找满足难度目标的随机数）来争夺记账权，第一个解出难题的矿工获得区块奖励（ETH 交易费），其他节点同步验证，PoW的安全性依赖算力，但能耗高、效率低。

  • PoS（当前主流）：2022年以太坊完成“合并”（The Merge），转向PoS共识，核心逻辑是：验证者（Validator）通过质押ETH获得记账权，而非比拼算力。

    • 质押：用户质押至少32个ETH成为验证者，进入验证者池；
    • 随机选择：系统根据质押金额、质押时长等因素随机选择验证者（“验证者随机数算法，VRF”）打包区块；
    • 奖励与惩罚：验证者成功打包区块可获得奖励（ETH），若作恶（如双花、离线）则扣除质押ETH（“惩罚机制”）。
      PoS大幅降低能耗（能耗下降约99.95%），同时提升网络安全性（攻击者需质押超过1/3的ETH才可能作恶，成本极高）。

虚拟机（EVM）：智能合约的“运行环境”

智能合约的代码无法直接在计算机上运行,它需要一个“翻译官”和“执行器”——以太坊虚拟机（EVM，Ethereum Virtual Machine），EVM是以太坊的“世界计算机”，一个沙盒环境，确保所有合约代码在全网节点上以相同逻辑安全执行。

  • EVM的工作原理：

    1. 交易触发：用户调用合约时，交易数据（包括目标合约地址、函数选择器、参数等）被打包进区块；
    2. 代码加载：节点根据合约地址加载合约代码和存储数据；
    3. 字节码执行：EVM将高级语言（如Solidity）编译成的字节码拆分为“操作码”（如ADD加法、STORE存储），按顺序执行；
    4. 状态更新：执行过程中，EVM会读取/修改账户状态（如余额、存储），并生成“状态变更”；
    5. 结果反馈：执行结果（如成功/失败、返回值）同步至全网，节点更新本地状态根（区块头中的状态根即所有账户状态的哈希值，确保状态一致性）。

  • EVM的关键特性：

    • 确定性：同一输入在任何节点的EVM中执行结果相同，避免分叉；
    • 隔离性：合约运行在沙盒中，无法直接访问操作系统资源，防止恶意代码破坏网络；
    • 图灵完备：支持复杂逻辑（如循环、条件判断），可编写任意功能的智能合约。

运作全流程：一笔以太坊交易的“旅程”

结合以上核心机制,一笔完整的以太坊交易（如从EOA A向合约B发起调用）流程如下：

  1. 交易发起：用户A用私钥签名交易，包含接收方地址（合约B）、转账金额、数据（函数调用参数）、gas_limit（最大 gas 消耗）等；
  2. 广播网络：交易被广播至以太坊节点，节点验证签名、nonce、余额等；
  3. 打包区块：PoS验证者被选为打包节点，将交易纳入待打包区块；
  4. EVM执行：节点运行EVM，执行合约B的代码：读取A的余额→扣除ETH→执行合约逻辑→更新状态；
  5. 验证与上链：其他节点验证区块内交易的合法性（如gas计算、状态变更），通过后区块上链；
  6. 状态同步：全网节点更新本地状态根，交易完成。

以太坊为何能支撑复杂生态？