以太坊本质是一套分布式状态机,依靠以太坊虚拟机EVM、账户体系、权益证明共识以及Gas计费机制共同完成链上运算,能够自动执行智能合约,实现资产转账、去中心化应用运行等各类链上行为,区别于比特币只做简单转账脚本的底层逻辑。整个网络由遍布全球的节点共同维护,每一个节点都会同步完整的世界状态,所有交易和合约代码的执行结果必须全网节点达成一致,以此实现去中心化,没有中心化服务器管控数据与运算流程。用户提交的每一笔交易,不管是ETH转账还是调用合约,都会广播进入内存池,等待验证者选取打包进入区块,经过共识校验之后,触发EVM执行对应的逻辑,修改全局账户状态,最终固化到区块链当中。

EVM是以太坊原理的核心,它相当于运行在各个节点之上的通用计算引擎,开发者使用Solidity编写的智能合约,编译后会转化为EVM可以识别的字节码操作码,不同操作对应不同的算力消耗,简单的加减运算消耗很低,而写入合约存储这类持久化操作会消耗大量资源。以太坊把账户分为外部用户账户和合约账户两类,外部账户由私钥控制,本身不携带执行代码;合约账户内部存储字节码,收到交易触发之后就会运行合约逻辑,两类账户都记录余额、nonce计数器、存储根哈希等信息,nonce还可以用来规避同一笔交易重复提交的重放攻击。世界状态依靠默克尔帕特里夏树保存,只需要根哈希就可以校验整套账户数据没有被篡改,保障所有节点状态同步一致。

完成合并升级之后,以太坊采用权益证明PoS共识机制,记账权不再依靠算力竞争,节点需要质押32枚ETH成为验证者,网络随机选出区块提议者打包交易,其余验证者完成验证确认,恶意作恶的验证者会面临质押资产被罚没的惩罚。区块产出间隔稳定在12秒,打包完成的区块会同步给全网节点,各个节点独立复现一遍交易执行过程,核对最终状态是否匹配区块头内的根哈希,只有全部校验通过,区块才会被网络正式接纳,这套机制保证即使部分节点出现故障,整体网络依旧可以稳定运行。

Gas机制是以太坊不可缺少的经济安全底座,每一步EVM运算都需要消耗Gas,用户提交交易时需要设置Gas上限,用来限定本次交易最多允许执行多少计算步骤,避免恶意合约提交无限循环代码耗尽节点算力,阻挡网络攻击风险。EIP‑1559升级之后手续费分为基础费和小费,基础费用会根据网络拥堵程度自动浮动,这部分费用直接销毁,小费用来激励验证者优先打包交易;如果交易执行过程中Gas耗尽,合约逻辑全部回滚,但是已经消耗掉的Gas不会退回,以此补偿节点已经付出的计算资源开销。普通转账运算量小,Gas消耗偏低,而NFT铸造、DeFi多合约嵌套调用,涉及大量存储读写,会产生更高的Gas开销。
