以太坊的区块链结构，不止是链，更是世界计算机的基石

区块链技术以其去中心化、透明和不可篡改的特性，正在深刻改变着我们对数据和价值传递的认知，在众多区块链平台中，以太坊（Ethereum）无疑占据着举足轻重的地位，它不仅仅是一个加密货币系统，更被设计为一个“世界计算机”，旨在支持去中心化应用（DApps）的运行，而支撑这一宏伟愿景的，正是其独特而强大的区块链结构，理解以太坊的区块链结构，是把握其潜力的关键。

从“链”到“树”：区块结构的革新

与比特币等主要关注价值转移的区块链不同,以太坊的区块结构更为复杂，以适应更智能的功能。

1. 区块头（Block Header）： 以太坊的区块头包含了与比特币类似的元数据，但也有所扩展和调整：

   • 父区块哈希（Parent Hash）：指向上一个区块的哈希值，形成链式结构。
   • 叔块哈希（Uncle Hashes）：这是以太坊特有的一项机制，为了解决区块链分叉时，一些孤块（或称“叔块”）被浪费的问题，以太坊允许将最近几个 generations 内的某些孤块作为“叔块”包含进当前区块，叔块可以获得部分奖励，从而提高了区块链的安全性和效率。
   • Coinbase 收款人地址（Coinbase/Creator）：区块奖励和交易手续费接收者的地址。
   • 状态根（State Root）：这是以太坊区块头中极其重要的部分，它代表了整个以太坊世界状态（World State）的默克尔帕特里夏树（Merkle Patricia Trie）的根哈希，世界状态包含了所有账户（外部账户和合约账户）的当前状态信息（余额、 nonce、代码、存储等），状态根确保了整个系统状态的完整性和可验证性。
   • 交易根（Transactions Root）：当前区块内所有交易的默克尔帕特里夏树的根哈希，这使得快速验证某笔交易是否包含在区块中成为可能。
   • 收据根（Receipts Root）：当前区块内所有交易执行后产生的收据（Receipt）的默克尔帕特里夏树的根哈希，收据包含了交易的执行结果（如是否成功、 gas 消耗、日志输出等），对于 DApps 的事件监听和状态查询至关重要。
   • 区块号（Block Number）：区块的唯一序号。
   • 时间戳（Timestamp）：区块创建的时间。
   • 难度（Difficulty）：挖矿难度的指标，用于调整出块时间。
   • 混合值（Mix Hash）：与工作量证明相关的值。
   • Nonce：与工作量证明相关的随机数。

2. 交易列表（Transactions List）： 区块体中包含了一系列的交易数据，与比特币不同，以太坊的交易更为复杂，不仅包含价值转移，还包含调用智能合约的数据，每笔交易都指定了发送方、接收方（或智能合约地址）、值、 gas 限制、 gas 价格、数据字段以及 nonce 等参数。

3. 叔块列表（Uncles List）： 如区块头所述，这里包含了被作为叔块包含进来的区块的 header 信息。

   

世界状态（World State）：以太坊的“内存”

如果说比特币的区块链是一个记录交易历史的“账本”，那么以太坊的“世界状态”则是这个“世界计算机”的当前“内存”或“快照”，它是一个持续更新的数据库，记录了以太坊网络中所有账户的实时状态。

• 账户类型：

  

  • 外部账户（EOA, Externally Owned Account）：由用户通过私钥控制的账户，类似于比特币中的地址，它可以发起交易，转移 ETH，调用智能合约。
  • 合约账户（Contract Account）：由智能代码控制的账户，它不能主动发起交易，只能响应来自外部账户或其他合约账户的交易调用，合约账户包含代码（Code）和存储（Storage）。

• 状态树（State Tree）： 世界状态通过一个默克尔帕特里夏树（Merkle Patricia Trie，一种改进的默克尔树和帕特里夏前缀树的结合）来组织，每个账户（由地址索引）的状态（余额、 nonce、代码哈希、存储根）都作为叶子节点存储在这棵树中，状态根就是这棵树的根哈希，任何账户状态的改变都会导致状态根的变化，这确保了状态的不可篡改性。

交易执行与状态转换：以太坊的“CPU”

以太坊的区块链不仅仅是记录交易,更重要的是执行交易并更新世界状态，这个过程遵循“状态转换函数”（State Transition Function）。

1. 交易（Transaction）：由外部账户发起，包含执行特定操作所需的所有信息。
2. 交易验证：网络节点验证交易的有效性（如签名正确、 nonce 匹配、 sufficient balance 等）。
3. 执行（Execution）：以太坊虚拟机（EVM）被调用，执行交易中指定的操作，如果是调用智能合约，EVM 会解析并运行合约代码。
4. 状态转换：交易执行会修改世界状态（更新账户余额、改变合约存储数据、创建新合约等）。
5. 产生收据（Receipt）：记录交易执行的结果。
6. 区块打包与确认：多个交易被打包进一个区块，矿工通过工作量证明（PoW，未来将完全转向权益证明 PoS）竞争记账权，区块被添加到区块链后，状态转换被最终确认。

默克尔帕特里夏树：高效与安全的保障

以太坊大量使用了默克尔帕特里夏树及其变种（如默克尔帕特里夏状态树、默克尔交易树、默克尔收据树）来组织数据，这种数据结构带来了显著的优势：

• 高效验证：由于数据的哈希性质，用户可以快速验证特定数据（如某笔交易、某个账户状态）是否包含在区块中，而无需下载整个区块或世界状态。
• 数据完整性：任何数据的微小改动都会导致其哈希值及所有父节点哈希值的改变，从而被轻易察觉。
• 状态同步与轻客户端：轻客户端可以通过下载状态根和部分关键节点哈希，来验证远程数据的完整性，而无需存储庞大的完整数据。

从 PoW 到 PoS：共识机制的演进

以太坊的区块链结构还体现在其共识机制的演变上,最初，以太坊采用工作量证明（PoW）共识，通过矿工竞争解决数学难题来出块和维护网络安全，PoW 能耗高、扩展性有限，为了解决这些问题，以太坊正在经历“合并”（The Merge）等重要升级，逐步转向权益证明（PoS）共识，在 PoS 下，验证者通过质押 ETH 来获得出块权和验证权，系统不再依赖算力竞争，而是基于质押者的权益和诚实行为，这一转变将深刻影响以太坊的区块链结构，使其更高效、安全和可持续。