解密以太坊记账，从交易到状态的世界计算机账本

区块链技术的核心在于“记账”，即以一种去中心化、不可篡改的方式记录和验证信息，作为全球第二大区块链平台，以太坊的记账机制与比特币等早期区块链有着显著的不同，它不仅仅记录简单的转账交易，更致力于构建一个“世界计算机”，记录更复杂的逻辑和状态变化，以太坊区块链究竟是如何记账的呢？本文将为您详细解析。

记账的基本单元：不仅仅是交易

在以太坊中,记账的基本单元是交易（Transaction），但这里的“交易”含义更为广泛，它不仅仅指代代币（如ETH）的转移，还包括：

1. 价值转移：最常见的ETH转账，从一个账户发送到另一个账户。
2. 合约交互：调用智能合约的函数，例如在去中心化交易所（DEX）进行交易、在NFT市场铸造作品等。
3. 合约创建：部署新的智能合约到以太坊网络上。

每笔交易都包含发送者地址、接收者地址（或合约代码）、交易值（以“wei”为单位，1 ETH = 10^18 wei）、数据字段（用于携带调用合约的参数等）、 gas限制、gas价格、nonce（发送者发送的交易序号，防止重放攻击）等关键信息。

记账的核心流程：从交易打包到确认

以太坊的记账过程是一个分布式、多节点协作完成的复杂流程，大致如下：

1. 交易发起与广播： 用户通过钱包或其他客户端创建一笔交易，使用其私钥对交易进行签名，然后将其广播到以太坊网络中的各个节点。

2. 交易池（Mempool）： 接收到交易的节点会将该交易暂存本地的“交易池”中，节点会根据一定的规则（如gas价格高低、交易优先级等）对交易池中的交易进行排序和筛选。

3. 打包区块（Block Mining/Building）：

   

   • 矿工/验证者（Miners/Validators）：以太坊目前正从工作量证明（PoW）转向权益证明（PoS），在PoS机制下，负责打包区块并验证交易的是质押ETH的验证者。
   • 选择交易：矿工/验证者从自己的交易池中选择一系列交易（通常是gas价格较高或优先级较高的交易）进行打包，他们会计算这些交易的总gas消耗，确保不超过区块的gas限制（目前约为3000万gas）。
   • 执行交易与状态变更：这是以太坊记账的核心环节，对于选中的每一笔交易，虚拟机（EVM）会按照指令执行：
     • 如果是简单的ETH转账,则更新发送者和接收者的账户余额状态。
     • 如果是调用智能合约,EVM会加载合约代码，执行合约函数中的逻辑，这可能涉及读取和写入多个账户的状态（如合约存储、余额变化等），甚至创建新的合约。
   • 状态根（State Root）：在执行完区块中的所有交易后，整个以太坊网络的状态（包括所有账户余额、合约存储、代码等）会被计算出一个唯一的、加密安全的“状态根”，类似于所有状态的“指纹”，这个状态根会记录在区块头中。
   • 交易根（Transactions Root）：区块中所有交易的哈希值也会被计算出一个“交易根”。
   • 收据根（Receipts Root）：每笔交易执行后会产生一个收据（Receipt），记录了交易执行的结果（是否成功、gas使用量、日志等），所有收据的哈希值也会计算出一个“收据根”。
   • 生成区块头：区块头包含了前一个区块的哈希（链的连接）、区块号、时间戳、难度（PoW）或随机数（PoS）、gas限制、状态根、交易根、收据根、矿工/验证者地址等信息。

4. 区块广播与验证： 矿工/验证者将打包好的区块广播到网络中，其他节点会收到这个新区块，并独立验证以下内容：

   • 区块头中的各项信息是否正确。
   • 区块中的每一笔交易是否有效（签名是否正确、nonce是否匹配、发送者是否有足够余额支付gas等）。
   • 区块中的所有交易是否按照规则执行,状态变更是否正确，最终计算出的状态根、交易根、收据根是否与区块头中的一致。

5. 链的延长与确认： 如果大多数节点验证通过该区块，则会将该区块添加到自己的区块链副本中，形成“最长有效链”，新区块一旦被足够多的后续区块确认（通常称为“区块确认数”，如6个确认），其包含的交易记录就被视为不可篡改，记账完成。

以太坊记账的独特之处：状态与智能合约

与比特币仅记录UTXO（未花费交易输出）的账本状态不同，以太坊的记账核心是状态（State）的记录与变迁。

1. 世界状态（World State）： 以太坊维护一个不断变化的“世界状态”，它是一个数据结构，记录了区块链在某个特定时间点所有账户的信息，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，包含余额、nonce等信息。
   • 合约账户（Contract Account）：由智能代码控制，包含余额、nonce、合约代码和存储（Storage）。

2. 状态变迁函数（State Transition Function）： 以太坊的记账可以看作是一个状态变迁函数：Y = S(TX)，其中S是当前状态，TX是交易，Y是执行交易后的新状态。

   • 输入：当前状态S和待处理交易TX。
   • 过程：EVM执行TX的指令，可能涉及读取和修改状态。
   • 输出：新的状态Y。 每个新区块的加入，都是对前一个区块状态的更新和确认。

3. Gas机制： 为了防止恶意交易或错误代码消耗过多网络资源导致网络瘫痪，以太坊引入了Gas机制，Gas是衡量交易执行过程中计算资源消耗的单位，每笔交易都需要支付一定数量的Gas费用，作为矿工/验证者的报酬，Gas价格由市场供需决定，用户可以通过提高Gas价格来加速交易被确认，Gas限制则用户设定的单笔交易愿意消耗的最大Gas量，防止交易成本失控。

4. 智能合约的“记账”： 智能合约是以太坊记账能力的核心扩展，合约代码一旦部署，就成为区块链的一部分，当用户与合约交互时，EVM会执行合约代码，可能：

   • 读取状态：从合约存储中读取数据（不消耗Gas，但消耗读取量限制）。
   • 写入状态：修改合约存储或创建新的日志（消耗大量Gas）。
   • 调用其他合约：触发其他合约的执行。 这些操作都会被记录在区块链上，成为不可篡改的“历史记录”。

从PoW到PoS：记账方式的演进

以太坊正经历从工作量证明（PoW）到权益证明（PoS）的“合并”（The Merge）升级，这一升级对记账机制产生了深远影响：

• 记账角色变化：从“矿工”（通过算力竞争记账权）变为“验证者”（通过质押ETH数量和时长获得记账权）。
• 能源效率：PoS不再需要大量算力，极大地降低了能耗。
• 安全性：PoS通过经济激励（质押奖励）和惩罚机制（slashing，即削减质押ETH）来确保验证者诚实记账。
• 区块生产：在PoS下，验证者会被随机选择来提议新区块，并由其他验证者进行投票验证，过程更加去中心化和高效。

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