以太坊，作为一个全球去中心化的计算平台，其核心在于能够安全、可靠地执行用户发起的交易，并更新整个网络的状态，而驱动这一切动态变化的核心机制，便是“账户状态转换”，理解这一概念，如同理解了以太坊引擎每一次跳动的脉搏,是掌握其工作原理的关键。

什么是状态？

在以太坊中，“状态”指的是在特定时间点，整个以太坊网络中所有账户信息的总和，你可以将其想象成一张巨大的、分布式的电子表格，记录了网络中每一个账户的实时数据，这张“表格”存储在以太坊的底层——以太坊虚拟机（EVM）所能访问的数据库中，即世界状态树（World State Tree）。

每个账户在以太坊中都有四种基本属性：

  1. 余额（Balance）：账户拥有的以太币（ETH）数量，以“wei”为单位（1 ETH = 10^18 wei）。
  2. Nonce：一个递增的计数器，对于外部账户（EOA），它代表该账户已发送的交易数量；对于合约账户,它代表该账户已创建的合约数量。
  3. 代码（Code）：仅合约账户拥有，是一段智能合约的字节码,定义了合约的行为逻辑。
  4. 存储（Storage）：仅合约账户拥有，是一个持久化的键值对数据库,用于存储合约运行过程中需要持久化的数据。

什么是状态转换？

“状态转换”指的是当一笔交易被网络确认并执行后，以太坊的世界状态如何从一种状态（S_old）转变为另一种新状态（S_new），这个过程是确定性的——给定相同的初始状态（S_old）和相同的交易，无论在哪个节点上执行，最终得到的新状态（S_new）都将完全一致。

状态转换函数可以抽象地表示为：S_new = U(S_old, T)

  • S_old 是交易执行前的世界状态。
  • T 是被执行的交易。
  • U 是状态转换函数,即EVM执行交易的过程。
  • S_new 是交易执行后的世界状态。

状态转换的详细步骤：一笔交易的旅程

一笔交易从被创建到最终导致状态转换,主要经历以下几个关键步骤：

  1. 交易广播与验证：

    • 交易由发送者的外部账户（EOA）创建,并通过节点广播到以太坊网络。
    • 网络中的每个节点在将其纳入内存池（mempool）待处理前，会进行基本验证，包括：
      • 签名是否有效。
      • 发送者的Nonce是否与当前状态中的Nonce匹配。
      • 发送者的余额是否足够支付交易费用（Gas Fee）。
      • Gas Limit是否合理等。

  2. 交易执行（EVM的核心作用）：

    • 当一个区块被挖出后，区块中的交易按顺序被挑选出来,由每个节点的EVM逐个执行。

    • EVM会根据交易类型（如转账、合约部署、合约调用）执行相应的操作,以下是几种常见交易类型导致的状态转换：

    • a. 转账交易（发送ETH）：

      1. 更新发送者账户：
        • 发送者的余额减少（发送者余额 = 发送者余额 - 交易金额 - Gas费用）。
        • 发送者的Nonce增加1（发送者Nonce = 发送者Nonce 1）。
      2. 更新接收者账户：
        • 接收者的余额增加（接收者余额 = 接收者余额 交易金额）。
        • 接收者的Nonce保持不变（除非接收者也是合约账户且该转账触发了fallback函数，但这属于更复杂的情况）。

    • b. 部署合约交易：

      1. 更新发送者账户：
        • 发送者的余额减少支付Gas费用。
        • 发送者的Nonce增加1。
      2. 创建新的合约账户：
        • 在世界状态树中创建一个新的合约账户。
        • 该合约账户的初始余额通常为0（除非在构造函数中接收ETH）。
        • 该合约账户的Nonce初始值为1。
        • 该合约账户的Code字段被设置为编译后的智能合约字节码。
        • 合约账户的存储初始为空。
        • 合约的创建者地址被记录。

    • c. 调用合约交易：

      1. 更新发送者账户：
        • 发送者的余额减少支付Gas费用。
        • 发送者的Nonce增加1。
      2. 执行合约代码：
        • EVM根据交易中指定的合约地址,找到对应的合约代码和存储。
        • EVM从合约代码的指定入口点（通常是0）开始执行,并将交易数据作为输入参数。
        • 在执行过程中，合约可能会读取和修改自身的存储，甚至创建新的合约（这将进一步触发状态转换）。
        • 执行过程中会消耗Gas，如果Gas耗尽，交易会回滚，状态不会改变（除了扣除发送者已消耗的Gas费用）。
      3. 更新合约账户：
        • 如果合约执行成功,合约的存储可能被修改。
        • 合约的余额可能发生变化（如果发送了ETH或合约转发了ETH）。
        • 合约的Nonce保持不变（除非是创建新合约）。

  3. 状态提交与区块确认：

    • 当一个区块中的所有交易都执行完毕后，该区块中的所有状态变更（即S_new相对于S_old的差异）会被打包，并通过共识机制（如工作量证明PoW或权益证明PoS）得到网络共识。
    • 一旦区块被确认，它就被永久添加到区块链上，其对应的新状态（S_new）就成为以太坊网络最新的、公认的全球状态。

状态树与Merkle Patricia Trie

为了高效地存储和验证庞大的状态数据，以太坊使用了Merkle Patricia Trie（MPT）数据结构，特别是世界状态树、交易树和收据树。

  • 世界状态树：根节点包含了所有账户状态的哈希值。
  • Merkle Proof：由于所有数据都组织成Merkle树，任何节点都可以提供一个“证明”（Proof），来验证某个特定账户的状态是否包含在当前的全球状态中，而无需下载整个状态数据库,这极大地提高了轻客户端的效率和安全性。