以太坊作为全球第二大区块链平台,其“去中心化、安全、可扩展”的特性离不开核心层的稳健支撑，以太坊核心层是整个网络的“中枢神经系统”，定义了区块链的基本规则、共识机制、数据结构和交互逻辑，确保所有节点在无需信任第三方的情况下协同工作，本文将深入解析以太坊核心层的核心组成部分，揭示其如何构建起一个可编程的去中心化生态。

区块链数据结构：区块与链的基石

以太坊核心层的基础是区块链数据结构，这决定了数据如何被记录、验证和存储，与比特币类似，以太坊由一系列按时间顺序链接的“区块”组成，但每个区块的结构和功能更为复杂：

  • 区块头：包含区块元数据，如父区块哈希（与前一区块链接）、区块号（高度）、时间戳、难度值（用于调整挖矿难度）、随机数（Nonce，挖矿解密的关键）以及状态根（后文详述）和交易根（默克尔树根哈希，用于高效验证交易完整性）。
  • 区块体：包含该区块打包的所有交易列表（Transaction List）以及收据列表（Receipt List，记录交易执行结果，如日志、事件等）。

这种结构确保了数据的不可篡改性——任何对历史区块的修改都会导致后续所有区块的哈希值变化，从而被网络拒绝。

账户模型：外部账户与合约账户的协同

以太坊采用独特的账户模型，区别于比特币的“UTXO模型”，其账户分为两类，共同构成了网络中价值与逻辑的载体：

  • 外部账户（EOA, Externally Owned Account）：由用户私钥控制的账户，类似传统银行账户，每个EOA有唯一的地址（由公钥生成），用于发送交易、转移资产（如ETH），其核心属性包括：nonce（发送交易计数，防止重放攻击）、余额（ETH数量）。
  • 合约账户（Contract Account）：由代码（智能合约）控制的账户，没有私钥，其行为由外部账户或其他合约触发执行，合约账户存储了代码（Code）和存储（Storage），可实现复杂的业务逻辑（如DeFi协议、NFT标准等）。

两类账户的协同使以太坊从简单的“价值转移网络”升级为“可编程计算机”，支撑了DApps、DeFi、DAO等复杂生态的运行。

共识机制：从PoW到PoS的演进

共识机制是区块链网络达成“交易有效性统一认知”的核心，以太坊核心层的共识机制经历了从工作量证明（PoW）到权益证明（PoS）的重大升级：

  • PoW（已退役）：早期以太坊通过“挖矿”达成共识，矿工通过计算哈希难题竞争记账权，消耗算力确保网络安全，但PoW能耗高、扩展性差，成为以太坊发展的瓶颈。
  • PoS（当前共识机制）：2022年“合并”（The Merge）后，以太坊转向PoS，形成“验证者-提议者- attestor”协同的共识体系：
    • 验证者（Validator）：质押至少32 ETH参与网络，负责验证区块、投票确认链的合法性，并获得奖励。
    • 提议者（Proposer）：从验证者中随机选择，负责打包交易生成新区块并广播。
    • attestor（见证者）：验证者对区块有效性进行投票（“ attest”），确保多数节点认可区块。
      PoS通过质押取代算力，大幅降低能耗，同时提升了网络的安全性和可扩展性，为分片等技术奠定基础。

虚拟机（EVM）：以太坊的“世界计算机”

以太坊虚拟机（EVM, Ethereum Virtual Machine）是以太坊核心层的“执行引擎”，是区块链从“数据存储”走向“逻辑计算”的关键，EVM是一个沙盒环境，确保所有智能合约在隔离、安全的环境中运行，其核心特性包括：

  • 确定性：同一输入在任何节点上执行合约，输出结果必须完全一致，避免分叉。
  • 图灵完备：支持复杂逻辑（如循环、条件判断），可编程实现任意功能。
  • Gas机制：通过消耗Gas（燃料费）限制计算资源滥用，防止无限循环攻击，确保网络公平性。

EVM不仅是以太坊的执行层,更成为跨链兼容和生态扩展的标准（如BNB Chain、Polygon等兼容EVM的链，均可复用以太坊开发者工具和生态）。

状态树与默克尔帕特里夏树（MPT）：高效数据索引

以太坊核心层通过状态树（State Tree）和默克尔帕特里夏树（MPT, Merkle Patricia Trie）实现数据的存储与高效查询，这是支撑大规模节点同步和轻客户端运行的关键技术：

  • 状态树：记录以太坊全网的“状态”，包括所有账户的余额、nonce、合约代码和存储等，每个账户的状态通过MPT组织，形成全局唯一的状态根（State Root），存储在区块头中。
  • 交易树与收据树：同样采用MPT结构，分别存储交易列表和交易执行结果（收据），通过默克尔哈希实现“证明”（Proof），允许轻客户端高效验证交易是否存在，无需下载全量数据。

MPT的设计使以太坊在保证数据完整性的同时,实现了高效的状态同步和存储优化。

交易与消息：网络交互的核心逻辑

以太坊核心层通过交易（Transaction）和消息（Message）定义节点间的交互方式：

  • 交易：由外部账户发起，包含发送者地址、接收者地址（可为合约地址）、值（转账金额）、数据（合约调用参数）、Gas限制等字段，是用户与区块链交互的直接载体。
  • 消息（或内部交易）：由合约执行时触发，用于合约间的调用（如A合约调用B合约的函数），消息是“无发送者”的虚拟交互，仅存在于EVM执行过程中，是复杂合约逻辑的基础。

交易与消息的分层设计,使以太坊既能支持简单的点对点转账，也能实现跨合约的复杂业务逻辑调用。

核心层协议的演进与未来

以太坊核心层并非一成不变,通过以太坊改进提案（EIP, Ethereum Improvement Proposal）持续迭代。

  • EIP-1559：引入基础费用（Base Fee）机制，优化Gas费定价，减少手续费波动；
  • The Merge：从PoW转向PoS，实现能耗下降99%以上；
  • The Surge（分片）：通过分片技术提升交易处理能力，目标实现10万 TPS；
  • The Verge、The Purge、The Splurge：长期规划聚焦状态存储优化、历史数据清理及进一步扩展。

这些升级确保以太坊核心层能持续适应生态需求,平衡去中心化、安全与可扩展性（“区块链不可能三角”）。