一文搞懂，以太坊全流程

聲明 我不會(huì)帶你做“炒B、擼空、兌換”等任何靠虛擬資產(chǎn)發(fā)財(cái)?shù)氖虑椤Ｎ乙膊粫?huì)教你WEB3開(kāi)發(fā)，畢竟“遠(yuǎn)程”課程那么多，大家直接去報(bào)班就行。 我就是研究“合規(guī)的支付新技術(shù)”，僅此而已。

大家好，我是剛哥！

這次給大家介紹以太坊，不過(guò)以太坊比較龐大，所以這篇文章先介紹以太坊基礎(chǔ)知識(shí)與核心流程，后續(xù)再逐步介紹上層的WEB3應(yīng)用。

當(dāng)然，我的內(nèi)容會(huì)更加偏重與支付的結(jié)合。也就是WEB2.5又叫“PayFi”，因此我會(huì)沿著“跨境+WEB3+AI“的路徑來(lái)介紹“資產(chǎn)和資金”的上鏈。

好了，廢話(huà)就說(shuō)到這里，下面我們直接開(kāi)始介紹以太坊的基礎(chǔ)知識(shí)，我將從“場(chǎng)景-概念-原理”進(jìn)行“穿透式”的介紹，力求給你一個(gè)完整的視角。

【文章很長(zhǎng)，建議先收藏，然后用直接聽(tīng)】

01 以太坊-Ethereum

上篇文章介紹過(guò)，比特幣作為加密貨幣的開(kāi)創(chuàng)者，奠定了區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)。同時(shí)比特幣因?yàn)椤昂碾姟⒕徛r(jià)格高、可編程差”等方面問(wèn)題飽受詬病。

1.以太坊的誕生

在2013年有一位大神Vitalik Buterin提出了比特幣可編程性的改進(jìn)方案，由于方案比較激進(jìn)，在被比特幣維護(hù)者拒絕后，它創(chuàng)立了以太坊（Ethereum），并在2015年上線(xiàn)。

他將以太坊定義為一臺(tái)“世界計(jì)算機(jī)”，全世界鏈上的交易都可以通過(guò)它來(lái)完成結(jié)算。這相當(dāng)于“從功能手機(jī)升級(jí)到了智能手機(jī)”。

2.比特幣Vs以太坊

圖2：比特幣與以太坊比較

1）PoW-PoS：以太坊在比特幣區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)。最初采用工作量證明（PoW），但為減少能源消耗，于2020年轉(zhuǎn)向權(quán)益證明（PoS），不僅是能耗降低了99%，也使時(shí)效壓縮到12秒。

2）賬戶(hù)模型：以太坊還引入了賬戶(hù)模型，支持智能合約，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化交易，并通過(guò)以太坊虛擬機(jī)（EVM）增強(qiáng)了可編程性，支持構(gòu)建復(fù)雜的去中心化應(yīng)用。

3）L2擴(kuò)容：為提升性能，以太坊提出了L2擴(kuò)容方案，通過(guò)鏈下處理數(shù)據(jù)，提高了性能并降低了成本，L1主鏈則主要負(fù)責(zé)結(jié)算。

并且以太坊還在持續(xù)的演進(jìn)，推出了“L1信標(biāo)鏈、EOF虛擬機(jī)、新型智能合約、跨鏈交易、預(yù)言機(jī)”等創(chuàng)新技術(shù)。

02 以太坊的架構(gòu)

以太坊的愿景是成為一臺(tái)“世界計(jì)算機(jī)” (The World Computer），它將是一臺(tái)全球化、去中心化且永不宕機(jī)的計(jì)算平臺(tái)。

任何人都能在上面構(gòu)建和運(yùn)行金融應(yīng)用程序，并且無(wú)需中介參與。支撐這個(gè)愿景是它一系列的技術(shù)創(chuàng)新和持續(xù)的架構(gòu)演進(jìn)。

1.以太坊架構(gòu)-世界計(jì)算機(jī)

圖3：以太坊-世界計(jì)算機(jī)（參考自網(wǎng)絡(luò)）

1）P2P網(wǎng)絡(luò)：作為一臺(tái)面向全球用戶(hù)的去中心化“計(jì)算機(jī)”需要面臨海量的全球用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)，因此它基于P2P網(wǎng)絡(luò)，將全球上百萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)作為它的節(jié)點(diǎn)來(lái)服務(wù)全球用戶(hù)。

2）鏈上交易：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)又是一個(gè)完整的“中心化”L1基礎(chǔ)設(shè)施，負(fù)責(zé)交易與合約的處理，完成交易受理、合約計(jì)算、創(chuàng)建/存儲(chǔ)區(qū)塊、共識(shí)投票/驗(yàn)證等處理，最終實(shí)現(xiàn)交易的不可逆。

3）上鏈/下鏈：以太坊不僅鏈上是開(kāi)放的，還能與鏈下WEB2進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)與存儲(chǔ)。“預(yù)言機(jī)”可以實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)上鏈”，IPFS實(shí)現(xiàn)海量“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”，并且它們都可以通過(guò)加密簽名機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改。

正是依托于這種“去中心化基礎(chǔ)設(shè)施”，以太坊構(gòu)建了一個(gè)“全球共享的計(jì)算平臺(tái)”，從而支撐了多樣化WEB3應(yīng)用的發(fā)展。

2.以太坊流程-世界狀態(tài)機(jī)

如何讓全球幾百萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)步調(diào)一致的處理每一筆交易，以太坊給出的方案是“世界狀態(tài)機(jī)”。

它通過(guò)區(qū)塊鏈“拍快照”的方式，讓全球服務(wù)器共同記錄處理結(jié)果，只要完成共識(shí)機(jī)制，全球服務(wù)器上的“狀態(tài)就一致”了。

大白話(huà)理解就是，“世界狀態(tài)機(jī)，把過(guò)程拍成快照，然后只看最新的結(jié)果”。

圖4：世界狀態(tài)機(jī)

它的處理過(guò)程如下：

1）交易驅(qū)動(dòng)賬戶(hù)：賬戶(hù)的余額變動(dòng)都是通過(guò)交易來(lái)驅(qū)動(dòng)。

2）區(qū)塊快照存證：以太坊會(huì)把每次交易結(jié)果、賬戶(hù)余額拍個(gè)快照存在區(qū)塊鏈上。

3）共識(shí)達(dá)成一致：只要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)成共識(shí)，這個(gè)狀態(tài)就不可撤銷(xiāo)了。

下一筆新的交易在原有的賬戶(hù)余額上生成一個(gè)快照，然后繼續(xù)進(jìn)行全網(wǎng)共識(shí)，以太坊就是通過(guò)這種方式完成幾百萬(wàn)用戶(hù)同時(shí)的在線(xiàn)交易處理。

03 以太坊基礎(chǔ)知識(shí)

我們知道比特幣的交易模型是“交易+UTxO”，它只是一個(gè)簡(jiǎn)單的記賬系統(tǒng)，不適合處理復(fù)雜的邏輯。

以太坊為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的目的，“賬戶(hù)和交易”模型就必須重新設(shè)計(jì)。

1.以太坊交易模型

以太坊采用了一套非常復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)它的交易模型，為了便于大家理解和比較，我們先來(lái)看下它和傳統(tǒng)銀行的賬戶(hù)交易模型有什么區(qū)別。

1.1 傳統(tǒng)的賬戶(hù)交易

傳統(tǒng)銀行賬戶(hù)交易必須具備“客戶(hù)賬戶(hù)、內(nèi)部賬戶(hù)、交易明細(xì)、回單憑證”這幾項(xiàng)數(shù)據(jù)，才能提供適應(yīng)復(fù)雜交易場(chǎng)景和流程的支付體驗(yàn)。

并且傳統(tǒng)銀行要基于客戶(hù)實(shí)名來(lái)處理賬戶(hù)交易，那公開(kāi)在互聯(lián)網(wǎng)的“匿名賬戶(hù)”又該如何交易呢？

圖6：銀行中心化賬戶(hù)交易 1.2 以太坊交易模型

以太坊的交易模型與“傳統(tǒng)交易模型”非常相似，它也有賬戶(hù)（外部賬戶(hù)、內(nèi)部賬戶(hù)）、交易、收據(jù)等信息。但作為“去中心化”設(shè)計(jì)，他也有很多的不同。

圖7：以太坊的交易模

1）無(wú)賬戶(hù)流水，它無(wú)需賬戶(hù)流水，因?yàn)槿ブ行幕~戶(hù)不存儲(chǔ)歷史記錄，節(jié)省存儲(chǔ)空間，歷史交易可通過(guò)應(yīng)用層技術(shù)如“The Graph”查詢(xún)。

2）無(wú)狀態(tài)設(shè)計(jì)，以太坊采用無(wú)狀態(tài)設(shè)計(jì)，不記錄賬戶(hù)和交易狀態(tài)，只保存交易結(jié)果收據(jù)，狀態(tài)流轉(zhuǎn)通過(guò)共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

3）智能合約交易，以太坊通過(guò)智能合約控制交易，而非獨(dú)立的交易模塊。這些區(qū)別使得以太坊的賬戶(hù)和區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)更易于理解。

2.以太坊賬戶(hù)結(jié)構(gòu)

以太坊把他的賬戶(hù)定義為“Account State”（賬戶(hù)狀態(tài)），這也說(shuō)明它保存的是賬戶(hù)的快照，最新的余額永遠(yuǎn)都保存在你最后一筆交易所發(fā)生的區(qū)塊中，具體結(jié)構(gòu)如下。

圖8：以太坊賬戶(hù)結(jié)構(gòu) 1）賬戶(hù)數(shù)據(jù)要素

• 匿名的地址：由于以太坊是匿名交易，所以，對(duì)于客戶(hù)擁有的賬戶(hù)，它通過(guò)一個(gè)“私鑰控制的地址”來(lái)指向賬戶(hù)。

• noce：用來(lái)記錄賬戶(hù)更新的次數(shù)。

• balance：用來(lái)記錄賬戶(hù)最新的余額。單位是Wei，是ETH的1/十億；

• codeHash（使用合約）：只有在合約賬戶(hù)中才有值。它存放合約代碼編輯后的字節(jié)碼，EVM虛擬機(jī)會(huì)根據(jù)這個(gè)字節(jié)碼去加載合約的代碼進(jìn)行處理。

• storageRoot（適用合約）：它是合約數(shù)據(jù)的根節(jié)點(diǎn)，其實(shí)合約也是存放在一棵Merkle Tree中的，這個(gè)我們?cè)诤竺娼榻B。

以太坊整個(gè)賬戶(hù)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔，最大的特點(diǎn)就是支持智能合約。所以它的賬戶(hù)類(lèi)型包含以下兩種；

• 外部賬戶(hù)EOA(Externally owned account)：被私鑰控制且沒(méi)有任何代碼與之關(guān)聯(lián)。

• 合約賬戶(hù)CA(Contract account)：被它們的合約代碼控制且有代碼與之關(guān)聯(lián)。

圖9：外部賬戶(hù)與合約賬戶(hù) 3.區(qū)塊鏈（MPT）

經(jīng)過(guò)了這些鋪墊之后，終于要介紹以太坊的區(qū)塊鏈賬本了。因?yàn)椋蕴坏膮^(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)要比特幣復(fù)雜了好幾倍。不過(guò)也不用擔(dān)心，我們知道它干什么用就行了。

以太坊的區(qū)塊鏈稱(chēng)為MPT（Merkle Patricia Trie，默克爾-帕特里夏-字典樹(shù)），從名字看就知道很復(fù)雜，其實(shí)，它就是一棵用來(lái)存儲(chǔ)“賬戶(hù)狀態(tài)、交易和收據(jù)”信息的“復(fù)雜的Merkle Tree”。

圖11：以太坊MPT樹(shù) 1）擴(kuò)展的區(qū)塊頭：

顯著的特點(diǎn)是增加了關(guān)于“賬戶(hù)、交易、收據(jù)”的三個(gè)根節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)以太坊的PoS和Gas機(jī)制新增了一些字段。整個(gè)區(qū)塊鏈?zhǔn)褂昧恕癏ash鏈”結(jié)構(gòu)，將所有區(qū)塊連接起來(lái)。

2）以太坊中的四棵MPT樹(shù)

• 狀態(tài)樹(shù) (State Trie）：存儲(chǔ)所有賬戶(hù)信息（余額、Nonce、代碼哈希、存儲(chǔ)根）。

• 交易樹(shù) (Transactions Trie）：存儲(chǔ)當(dāng)前區(qū)塊的所有交易。

• 收據(jù)樹(shù) (Receipts Trie）：存儲(chǔ)交易執(zhí)行后的結(jié)果（Gas 使用情況、日志等）。

• 存儲(chǔ)樹(shù) (Storage Trie）：每個(gè)智能合約賬戶(hù)都有獨(dú)立的一棵存儲(chǔ)樹(shù)，用來(lái)存放合約變量。

這幾棵樹(shù)中任何信息修改，都需要重新生成一個(gè)區(qū)塊并共識(shí)，否則就會(huì)因?yàn)镠ash值的雪崩效應(yīng)造成整條鏈的分叉。

4.智能合約

以太坊的智能合約（Smart Contract）是一種存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的自動(dòng)化執(zhí)行程序。這里的“智能”不是“人工智能”，而是“可編程、自動(dòng)化”的意思。它可以無(wú)需第三方介入，就能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的自動(dòng)化交易。

以太坊的智能合約運(yùn)行在EVM（以太坊虛擬機(jī)）中，因此需要遵循ERC標(biāo)準(zhǔn)，它是EIP（以太坊改進(jìn)提案）的一個(gè)子協(xié)議。

4.1、智能合約協(xié)議

智能合約的ERC標(biāo)準(zhǔn)（即Ethereum Request for Comments以太坊征求意見(jiàn)），它是專(zhuān)門(mén)針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景推出的“通用接口標(biāo)準(zhǔn)”。

只要遵循ERC標(biāo)準(zhǔn)就能開(kāi)發(fā)出“穩(wěn)定幣、DeFi金融、NFT數(shù)字資產(chǎn)、GameFi、智能合約錢(qián)包”等熱門(mén)的創(chuàng)新應(yīng)用。一些著名的ERC合約如下：

圖14：常用的智能合約標(biāo)準(zhǔn) 4.2、常見(jiàn)兼容合約項(xiàng)目

ERC標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)只是一塊“樂(lè)高積木”，行業(yè)內(nèi)有很多著名的項(xiàng)目，會(huì)把ERC合約與多種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合，形成兼容以太坊智能合約各類(lèi)項(xiàng)目。

圖15：智能合約的行業(yè)應(yīng)用

由此可見(jiàn)，以太坊的智能合約的應(yīng)用場(chǎng)景是非常豐富的，具體的合約我們?cè)诤竺娴膽?yīng)用場(chǎng)景中再逐一介紹。下面我們來(lái)看下以太坊是如何執(zhí)行智能合約的。

5.虛擬機(jī)（EVM）

EVM（Ethereum Virtual Machine，即以太坊虛擬機(jī)）是以太坊智能合約的執(zhí)行環(huán)境，它被嵌入在每一個(gè)以太坊的“全節(jié)點(diǎn)”中來(lái)運(yùn)行智能合約。

智能合約使用Solidity語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，當(dāng)你開(kāi)發(fā)完一個(gè)智能合約并完成編譯后，可以把他“部署”區(qū)塊鏈上，以太坊會(huì)給“你的合約”創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的“CA賬戶(hù)”并保存在“Account Storage”中（就是前面CA賬戶(hù)外掛的Merkle樹(shù)）。

圖16：EVM運(yùn)行智能合約流程

只要用戶(hù)發(fā)送的交易請(qǐng)求中包含“智能合約字節(jié)碼”，EVM就會(huì)執(zhí)行“你的合約”，并按照以下步驟逐步執(zhí)行。

• 加載合約：EVM會(huì)根據(jù)你提供的字節(jié)碼去“CA賬戶(hù)”對(duì)應(yīng)的“Account Storage”中讀取對(duì)應(yīng)的智能合約，并加載到Virtual ROM中。然后通過(guò)“程序計(jì)數(shù)器”逐行讀取“合約指令”并執(zhí)行。

• 扣減Gas費(fèi)：在執(zhí)行前會(huì)先扣減Gas費(fèi)，這樣即使“你的合約”出現(xiàn)死循環(huán)，也會(huì)因?yàn)镚as耗盡而終止；

• 執(zhí)行合約：隨后你合約指令被壓入堆棧中（Stack），并在內(nèi)存中（Memory）運(yùn)行，最終執(zhí)行結(jié)果會(huì)被保存到“Account Storage”的數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成出塊。

• 發(fā)送共識(shí)：合約執(zhí)行完成后，會(huì)將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送到共識(shí)層打包和驗(yàn)證，隨后廣播給全網(wǎng)完成共識(shí)。

顯然，這是一個(gè)完全自動(dòng)化的精妙設(shè)計(jì)，他通過(guò)交易來(lái)驅(qū)動(dòng)EVM執(zhí)行合約，合約自動(dòng)完成交易處理，并且通過(guò)Gas費(fèi)來(lái)限制異常。整個(gè)過(guò)程全部自動(dòng)化并且無(wú)需第三方介入。

04 以太坊運(yùn)行原理

講了這么多基礎(chǔ)概念，下面我們就把以太坊一筆交易的運(yùn)行流程給大家做個(gè)全流程的串聯(lián)，讓你對(duì)以太坊有個(gè)整體認(rèn)識(shí)。

以太坊的核心交易流程，其實(shí)就是進(jìn)行一次全網(wǎng)的PoS（權(quán)益證明），它的交易速度相較于比特幣要快很多。12秒就能完成驗(yàn)證和出塊，隨后發(fā)布到全網(wǎng)由見(jiàn)證者投票。最終共識(shí)12.8分鐘就能完成。

圖17：以太坊核心交易流程

下面我們就以收付款人通過(guò)一筆USDT合約轉(zhuǎn)賬交易來(lái)介紹一下整個(gè)處理過(guò)程。

1）選出提議者打包（12秒）

付款人向收款人地址轉(zhuǎn)賬USDT，交易信息被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的Mempool。以太坊每12秒選出一個(gè)“提出者”來(lái)打包交易。提出者處理交易、計(jì)算合約并創(chuàng)建區(qū)塊，然后區(qū)塊經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并廣播到全網(wǎng)，進(jìn)行共識(shí)投票。

2）上鏈驗(yàn)證者投票（6.4分鐘）

網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)作為驗(yàn)證者，確認(rèn)交易并更新余額和合約狀態(tài)。他們將驗(yàn)證結(jié)果簽名后廣播。大約6.4分鐘內(nèi)，若超過(guò)1/3節(jié)點(diǎn)同意，交易就基本不可逆。

3）最終共識(shí)并獎(jiǎng)勵(lì)（12.8分鐘）

理論上，1/3共識(shí)仍有分叉風(fēng)險(xiǎn)，因此需要更多節(jié)點(diǎn)投票。以太坊目標(biāo)是在12.8分鐘內(nèi)達(dá)到2/3共識(shí)，確保交易不會(huì)分叉，完成最終共識(shí)，參與者獲得獎(jiǎng)勵(lì)。

顯然，以太坊這套機(jī)制在“打包排序”和“計(jì)算處理”上都限定了時(shí)間，以確保交易會(huì)被快速的處理。

你可能會(huì)問(wèn)，要是有的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有按時(shí)間處理完，或者處理一半掉線(xiàn)、宕機(jī)了怎么辦呢。其實(shí)以太坊的PoS會(huì)有一些技術(shù)機(jī)制來(lái)保障并且還會(huì)有處罰機(jī)制。這些內(nèi)容我們就在下一篇《PoS權(quán)益證明》中介紹了。

講在最后

在對(duì)以太坊的學(xué)習(xí)過(guò)程中，感受最大的就是他的公開(kāi)和透明性，他的資料非常完善，底層代碼、合約代碼，甚至一些項(xiàng)目代碼都是開(kāi)源，并且還有很多的區(qū)塊鏈瀏覽器、開(kāi)源錢(qián)包讓你快速的體驗(yàn)產(chǎn)品。

當(dāng)然，最重要的還有AI大模型，它在WEB3這方面知識(shí)是非常全面的。只要你有一份目標(biāo)清晰的計(jì)劃（例如我的《WEB3知識(shí)地圖》），通過(guò)，“AI問(wèn)答+搜索引擎+WEB3平臺(tái)體驗(yàn)與實(shí)踐”，學(xué)習(xí)WEB3一點(diǎn)都不難。

個(gè)人感覺(jué)，由于WEB3開(kāi)放與開(kāi)源，加上AI的加持，他學(xué)習(xí)的難度其實(shí)比傳統(tǒng)的支付和金融小很多。

當(dāng)然，如果有過(guò)來(lái)人帶下，那就能更加事半功倍了，希望我這篇文章能給你帶來(lái)幫助。

【參考資料】

以太坊白皮書(shū)：

https://ethereum.org/zh/whitepaper/

登鏈社區(qū)-精通以太坊第二版：

https://learnblockchain.cn/article/22102

以太坊智能合約協(xié)議：

https://eips.ethereum.org/erc

【實(shí)踐網(wǎng)站】

以太坊瀏覽器：https://etherscan.io/

MetaMask：https://metamask.io/zh-CN

Remix：https://remix.ethereum.org/

【加我入群，注明"所屬行業(yè)+地點(diǎn)"】

不炒幣、不空投、不兌換、沒(méi)代理