以太坊区块链架构,构建去中心化应用的基石

账户模型（Account Model）：

• 以太坊采用的是账户模型，这与比特币的UTXO模型不同，账户分为两类：
  • 外部账户（EOA, Externally Owned Account）：由用户通过私钥控制，类似于比特币中的地址，可以发送交易、持有以太币（ETH）。
  • 合约账户（Contract Account）：由智能代码控制，没有私钥，其行为由接收到的交易或消息触发，并包含存储和代码。
• 这种模型使得状态管理和交易执行更为直观,合约可以主动响应和发起交易。

以太坊虚拟机（EVM, Ethereum Virtual Machine）：

• E是以太坊的核心,是一个图灵完备的虚拟机，运行在以太坊网络的每个节点上，它的主要职责是执行智能合约的字节码（Bytecode）。
• 隔离性：EVM被设计为沙箱环境，确保智能合约的执行不会影响到宿主节点或其他合约的安全性。
• 确定性：所有节点对同一输入的智能合约执行必须产生完全相同的输出，这是区块链共识和一致性的基础。
• Gas机制：为了防止无限循环或恶意消耗网络资源，EVM引入了Gas机制，每执行一条操作码都会消耗一定量的Gas，Gas由交易发起者支付，这有效限制了计算资源的使用，并激励矿工/验证者打包交易。

状态树（State Trie）与Merkle Patricia Trie：

• 以太坊的状态（所有账户的余额、 nonce、代码、存储等）被存储在一个被称为“状态树”的Merkle Patricia Trie（MPT）数据结构中。
• MPT：结合了Merkle Tree和Patricia Trie的优点，能够高效地存储和检索键值对，并支持快速的状态验证和同步，状态树的根哈希（State Root）被包含在每个区块头中，确保了状态的完整性和一致性。
• 除了状态树,还有交易树（Transactions Trie）（存储区块中的交易）和收据树（Receipts Trie）（存储交易执行后的结果，如日志、 gas消耗等），它们的根哈希也存储在区块头中。

共识机制（Consensus Mechanism）：

• 以太坊最初采用的是工作量证明（PoW, Proof of Work）共识机制，与比特币类似，通过矿工竞争记账权来保证网络安全。
• 为了提高能源效率和可扩展性,以太坊正在向权益证明（PoS, Proof of Stake）转型，这一转型通过“合并”（The Merge）已于2022年9月完成，在PoS下，验证者通过质押ETH来获得创建新区块和验证交易的权利，并根据其质押份额和表现获得奖励或惩罚，PoS大大降低了能耗，并为未来的分片等扩展技术奠定了基础。

交易与消息（Transactions and Messages）：

• 交易：由外部账户（EOA）发起，是状态改变的唯一方式，它包含发送者、接收者、值（ETH数量）、数据（调用合约的输入）、Gas限制、Gas价格、签名等信息。
• 消息（或内部交易）：由一个合约账户发送给另一个合约账户，用于触发合约间的交互，消息不能由EOA直接发起，只能由合约执行产生，这使得复杂的合约间协作成为可能。