以太坊作为全球第二大区块链网络，早已超越了“比特币替代品”的范畴，而是构建了一个去中心化的“世界计算机”，它通过独特的区块链架构、虚拟机设计和共识机制，支持开发者部署智能合约、构建去中心化应用（DApps），并推动DeFi、NFT、DAO等生态的爆发，要理解以太坊如何运行，需从其核心组件——区块链基础、虚拟机执行、共识机制、账户模型以及数据存储——逐一拆解。
区块链基础：不止于“账本”，更是“状态机”
与比特币专注于记录交易不同，以太坊的核心是一个状态机（State Machine），它维护一个不断变化的“全球状态”（Global State），记录网络中所有账户的实时数据（如余额、合约代码等），这一状态通过“区块”串联成链，形成可追溯、不可篡改的历史记录。
- 区块结构：每个区块包含区块头（前一个区块的哈希、时间戳、难度值、随机数、状态根、交易根、收据根）和交易列表。“状态根”是当前全球状态的哈希值，“交易根”和“收据根”则分别对应交易列表和交易执行结果的哈希，确保数据完整性。
- 状态转换：每笔交易都会触发状态转换，用户A向用户B转账1 ETH，会更新A和B的账户余额，生成新的状态根，并将这一变更记录在区块中，以太坊的状态转换函数（
THE EVM STATE TRANSITION FUNCTION）是规范交易执行的核心逻辑，确保所有节点对状态变更达成一致。
账户模型：外部账户与合约账户的协同
以太坊的账户分为两类，它们共同构成了网络的基础单元：
- 外部账户（Externally Owned Account, EOA）：由用户私钥控制，类似于传统银行账户，每个EOA有唯一的地址（由公钥生成），可以发起交易（如转账、调用合约）、持有ETH，EOA的“状态”仅包含余额和nonce（交易计数器，防止重放攻击）。
- 合约账户（Contract Account）：由代码控制，没有私钥，其地址由创建者地址和交易nonce生成，合约账户的状态包括代码（Code）和存储（Storage），存储是合约内部的“变量空间”，用于持久化数据（如DeFi协议中的用户存款记录）。
两类账户的交互是以太坊运行的核心：EOA通过交易触发合约账户的代码执行，而合约账户的执行结果可能进一步改变其他账户的状态。
以太坊虚拟机（EVM）：智能合约的“运行引擎”<
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如果说区块链是“硬件”，那么以太坊虚拟机（EVM）就是运行智能合约的“操作系统”，EVM是一个去中心化的、图灵完备的虚拟机，部署在以太坊网络的每个全节点中，负责执行所有智能合约代码（目前以Solidity语言为主）。
- 执行环境：当一笔交易调用合约时，EVM会在全节点中创建一个“执行上下文”，包含发送者地址、接收者地址、Gas限制、交易数据等参数，EVM通过“堆栈”（Stack）处理临时数据，“内存”（Memory）存储执行过程中的临时变量，“存储”（Storage）持久化合约数据（读写速度较慢但永久保存）。
- Gas机制：为防止无限循环攻击和资源滥用，EVM引入了Gas概念，每笔交易执行都需要消耗Gas（计算复杂度越高，Gas消耗越大），发送者需在交易中预付Gas费用（以ETH支付），如果执行过程中Gas耗尽，交易会回滚，但已消耗的Gas不会退还（作为对验证者的激励），Gas机制确保了EVM的“图灵完备性”不会变成“无限计算陷阱”。
- 字节码执行：智能合约代码（如Solidity）会被编译成EVM能理解的字节码（Bytecode），EVM通过操作码（Opcode）逐行执行这些字节码。
ADD操作码实现加法，SSTORE操作码将数据写入合约存储，CALL操作码则调用其他合约。
共识机制：从PoW到PoS的演进
以太坊网络需要一种机制，让所有节点对“哪个区块是合法的”达成一致，这便是共识机制，以太坊的共识机制经历了两次重大升级：
- PoW（工作量证明，2015-2022）：早期以太坊与比特币类似，通过“挖矿”达成共识，矿工通过哈希运算竞争解决数学难题（寻找符合难度值的随机数），第一个解决的矿工获得记账权并获得区块奖励，PoW确保了安全性，但能耗高、交易速度慢（仅15 TPS）。
- PoS（权益证明，2022至今）：通过“合并”（The Merge）升级，以太坊转向PoS，验证者（Validator）需质押至少32 ETH参与网络共识，网络根据质押金额、质押时间等因素分配“出块权”，验证者验证区块并投票，若出现恶意行为（如双花），质押的ETH将被罚没，PoS能耗降低99%以上，同时提升了可扩展性（分片技术将进一步增强TPS）。
数据存储：Merkle Patricia Trie与数据完整性
以太坊的全球状态、交易数据和收据数据均通过Merkle Patricia Trie（MPT）结构存储，这是一种结合了Merkle树和Patricia Trie的高效数据结构，确保数据可快速检索且不可篡改。
- 状态树（State Trie）：存储所有账户的状态（余额、nonce、代码哈希、存储根），每个账户是树中的一个节点，通过账户索引定位。
- 交易树（Transactions Trie）：存储区块中的交易列表，每笔交易是树中的一个节点，通过交易索引定位。
- 收据树（Receipts Trie）：存储交易执行结果（如是否成功、日志数据），用于DApps查询历史交易状态。
当数据变更时，MPT会重新计算根哈希（状态根、交易根、收据根），并写入区块头，任何数据的微小篡改都会导致根哈希变化，其他节点通过验证根哈希即可快速识别区块是否合法。
交易生命周期：从发起上链到执行确认
一笔以太坊交易的完整流程，展现了各组件的协同工作：
- 交易发起：用户通过钱包（如MetaMask）用私钥签名交易，指定接收者地址、金额、Gas限制、Gas价格等参数，发送到以太坊网络。
- 交易广播：交易被发送到邻近节点，节点通过验证（签名、余额、nonce等）后广播到全网。
- 交易打包：验证者（PoS）或矿工（PoW）从交易池中选取交易，打包成区块，并通过共识机制竞争出块权。
- 区块执行：全节点收到区块后，逐笔执行其中的交易：EOA交易直接更新账户余额，合约交易则由EVM执行合约代码，消耗Gas并更新状态。
- 状态确认：区块被添加到链上后，全球状态更新，交易完成（通常需要6个区块确认，确保不可篡改）。
以太坊的演进：从“世界计算机”到“模块化区块链”
为解决性能瓶颈（高Gas费、低TPS），以太坊正在进行多次升级：
- Layer 2扩容：通过Rollup（如Optimism、Arbitrum）将交易计算放到链下，仅将结果提交到链上，大幅降低Gas费并提升TPS。
- 分片技术（Sharding）：将区块链分割成多个“分片”，每个分片处理部分交易和数据，并行处理以提升网络整体吞吐量（预计在2024年左右通过“Dencun”升级落地）。
- Verkle树：未来将替代MPT，用更高效的数据结构存储状态，减少节点存储压力，进一步提升可扩展性。
以太坊的运行是一个精密的系统工程：区块链提供去中心化的数据基础，EVM实现智能合约的可靠执行，共识机制确保网络安全性，账户模型与数据存储支撑复杂应用逻辑，从PoW到PoS，从Layer 1到Layer 2，以太坊正在通过持续演进，向“更高效、更安全、更易用”的去中心化网络迈进，最终构建一个无需信任中介的数字世界，理解其底层逻辑，不仅是对区块链技术的探索,更是对下一代互联网基础设施的洞察。