以太坊作为全球第二大区块链平台,不仅延续了比特币“去中心化、不可篡改”的核心特性，更通过“智能合约”实现了区块链从“货币工具”到“计算平台”的跨越，要理解以太坊的工作原理，需从其底层架构、共识机制、智能合约执行及网络协同四个维度展开。
核心架构：区块链+状态机+账户模型
以太坊的本质是一个“全球共享的状态机”（Global Shared State Machine），所谓“状态机”，指系统在不同时刻对应不同的“状态”，并通过特定操作从当前状态迁移到下一状态，以太坊的状态以“账户”（Account）为单位存储，账户分为两类：
- 外部账户（EOA，Externally Owned Account）：由用户私钥控制，用于发起交易、转移资产（如ETH），类似传统银行账户。
- 合约账户（Contract Account）：由智能代码控制，不能主动发起交易，只能通过接收交易触发执行，逻辑由开发者预先编写。
账户状态存储在区块链中，区块链由一系列“区块”通过密码学链接而成，每个区块包含三部分：
- 区块头：记录父区块哈希、当前区块号、时间戳、交易根、状态根、收据根等元数据（状态根”是所有账户状态的哈希值，确保数据一致性）；
- 交易列表：用户发起的转账或合约调用指令；
- 叔块（Uncle）数据：为提升安全性，纳入因网络延迟未及时上链的“孤块”，避免算力浪费。
以太坊的状态存储在Merkle Patricia Trie（MPT）数据结构中（一种结合Merkle树和前缀优化的树形结构），通过哈希值高效定位和验证账户状态，确保数据不可篡改——任何状态修改都会导致状态根变化，进而影响区块头哈希，使篡改行为可被全网迅速察觉。
共识机制：从PoW到PoS的演进
共识机制是区块链达成“分布式一致性”的核心，以太坊经历了从“工作量证明（PoW）”到“权益证明（PoS）”的变革，解决了PoW能耗高、效率低的问题。
PoW阶段（2015-2022）：算力竞争出块
在PoW下,全网节点通过“哈希运算”竞争记账权，具体流程：
- 打包交易：节点（矿工）收集待处理交易，打包成候选区块；
- 计算Nonce值：矿工不断尝试随机数（Nonce），使得区块头哈希值小于目标值（即“挖矿”）；
- 广播验证：第一个算出有效哈希的节点广播区块，其他节点验证交易有效性及哈希合规性；
- 奖励分配：验证通过后，矿工获得新发行的ETH及交易手续费作为奖励。
PoW的安全性依赖“算力 majority”，但存在“51%攻击”理论风险（控制全网超一半算力可篡改交易）及高能耗问题。
PoS阶段（2022至今）：质押验证与共识
以太坊通过“合并（The Merge）”升级转向PoS，机制核心从“算力竞争”变为“权益质押”：
- 质押（Staking）：节点（验证者）需质押至少32个ETH成为验证者，参与共识；
- 随机选择 proposer：基于质押金额、在线时长等因素，通过 RANDAO 算法随机选择验证者作为“区块提议者”，负责打包交易；
- 投票与验证：其他验证者对区块进行投票，若超过2/3质押权重通过，区块确认；若验证者作恶（如双签、离线），质押ETH将被罚没（“削减”机制）。
PoS大幅降低能耗（能耗下降约99.95%），同时通过经济激励机制提升安全性，使以太坊更可持续。
智能合约：图灵完备的“去中心化程序”
以太坊的突破性创新在于引入智能合约（Smart Contract）——一段部署在区块链上、自动执行合约条款的代码，无需第三方信任即可实现“代码即法律”。
合约部署与执行
- 编译：开发者用Solidity、Vyper等高级语言编写合约代码，编译成以太坊虚拟机（EVM）可识别的字节码；
- 部署：通过交易将字节码发送到指定合约地址，创建合约账户，合约代码及状态存储在区块链上；
- 调用：用户通过交易触发合约函数，EVM解析字节码并执行，修改合约状态（如转账、存储数据），执行结果广播至全网。
以太坊虚拟机（EVM）：合约运行的“操作系统”
EVM是以太坊的“执行引擎”，是一个沙盒化的虚拟机，所有节点独立执行相同字节码，确保结果一致，EVM特性：
- 图灵完备：支持复杂逻辑循环（如if-else、for循环），但通过“gas机制”避免无限循环；
- 隔离性：合约运行在独立环境，无法直接访问操作系统资源，仅能通过预定义接口与区块链交互；
- 确定性：相同输入必产生相同输出，避免节点执行结果分歧。
Gas机制：防止资源滥用
为避免恶意合约消耗全网计算资源,以太坊引入“Gas”概念：
- Gas单位：衡量计算资源消耗（如存储数据消耗Gas，加法运算消耗较少Gas）；
- Gas费：用户发起交易时需支付Gas费（以ETH计价），矿工/验证者优先处理Gas费高的交易；
- Gas限制：用户可设置单笔交易最大Gas消耗，防止超支；Gas费未用完的部分会退还，不足则交易失败。
Gas机制既抑制了DoS攻击,又通过市场调节实现了交易优先级的动态分配。
网络协同：节点、P2P与数据同步
以太坊是一个去中心化的P2P网络,节点通过分工协同完成交易处理、共识及数据同步。
节点类型
- 全节点：存储完整区块链数据（所有区块、交易、状态），独立验证交易和区块，是网络安全的基石；
- 轻节点：仅存储区块头，通过“简单支付验证（SPV）”证明交易有效性，适合移动设备；
- 矿工/验证者节点：参与共识竞争，打包区块或投票验证。
P2P网络
节点通过“发现协议”相互连接，形成动态网状网络，新节点加入时，通过“引导节点”获取邻居节点列表，随后广播交易、区块及状态更新，实现信息高效传播。
数据同步
新节点加入或节点离线后,需同步最新数据，以太坊采用“同步策略”：
- 快速同步：轻节点从全节点下载最新状态根及区块头，通过Merkle证明验证交易有效性，无需下载历史数据；
- 完整同步：全节点下载并验证所有历史数据，确保数据完整性。
