以太坊把区块链从单一支付账本升级为可编程的「世界计算机」:EVM 提供确定性执行,Gas 为计算定价,ERC 标准让合约像乐高一样组合,The Merge 之后由 PoS 质押守护安全。
从账本到世界计算机
比特币 Bitcoin 的脚本语言刻意非图灵完备,只能表达简单的花费条件;以太坊(Vitalik Buterin 2013 年提出,2015 年上线)换成图灵完备的通用虚拟机,任意逻辑都能编译成合约部署上链。代价是停机问题——恶意无限循环会卡死所有节点——于是用 Gas 给每步计算定价,以经济上限替代可判定性。比特币解决「价值转移」,以太坊解决「状态转移」:全局状态是全部账户余额与存储的快照,每笔交易驱动这台状态机前进一格,全体节点重放同一交易序列并得到同一结果,即达成共识(基础设施见 区块链原理)。
双账户模型
以太坊放弃 UTXO,采用账户模型(account-based):状态就是「地址 → 余额 / 代码 / 存储」的映射,直观接近银行账户,代价是并行性弱、交易依赖账户 nonce 防重放。
| EOA(外部账户) | 合约账户 | |
|---|---|---|
| 控制者 | 私钥 | 合约代码 |
| 创建 | 由公钥派生地址(哈希与数字签名) | 部署交易 |
| 主动发起交易 | 可以 | 不能,只能被调用后执行 |
| Gas 由谁付 | 自己 | 调用触发者 |
关键规则:合约永远无法自主行动,一切执行链的起点都是某个 EOA 签名的交易——所谓「自动化的预言机、定时器」,本质都是被外部交易踢进来的。EOA 的私钥即账户的全部(保管见 钱包与私钥管理);ERC-4337 与 EIP-7702 推进账户抽象,让 EOA 也能换签名算法、批量操作、代付 Gas。
EVM 执行模型
EVM(Ethereum Virtual Machine)是每个节点内置的 256-bit 栈式虚拟机:Solidity 源码编译为字节码,部署后作为合约账户的 code 存储;调用时逐条执行操作码(opcode),读写存储(SLOAD/SSTORE)、发起消息调用(CALL)、失败即 REVERT 整体回滚——状态要么全部生效,要么全不生效。
// SPDX-License-Identifier: MIT
pragma solidity ^0.8.24;
contract Counter {
uint256 public count; // 状态变量,写入链上存储
address public immutable owner; // 部署者,构造后不可变
constructor() {
owner = msg.sender; // msg.sender:本次调用的发起者
}
function increment() external {
require(msg.sender == owner, "not owner"); // 不满足即回滚
count += 1; // 写存储,消耗 Gas
}
}合约一经部署即不可篡改;升级需求靠代理模式(proxy)切换逻辑合约实现,但管理员密钥随之引入中心化风险——去中心化程度取决于治理,而非代码本身。2016 年 The DAO 被盗 360 万 ETH,以太坊硬分叉回滚账本,拒绝回滚的链成为 Ethereum Classic:「代码即法律」在现实面前让位给了社会共识。
Gas 计费
Gas 是计算与存储的计量单位,也是抗 DoS 的核心机制:交易声明 gas limit,执行耗尽即 REVERT,且已消耗部分不退。
| 操作 | 典型 Gas |
|---|---|
| 纯 ETH 转账 | 21000 |
| ERC-20 transfer | 50000–65000 |
| DEX 兑换(含路由) | 100000–200000 |
| 新存储槽写入(零→非零) | 20000 |
EIP-1559(2021 年 London 升级)将费用拆为两部分:
- base fee:协议按区块使用率自动调价(相对目标偏移、每块最多 ±1/8),全部销毁——高需求时期 ETH 净发行可为负,「最小发行量货币」叙事由此而来
- tip:付给验证者优先打包的小费,拥堵时竞价插队
ERC 标准
ERC(Ethereum Request for Comments)是接口层约定,使任意钱包、协议、链上程序都能识别并组合同一份合约——DeFi 与 NFT 生态的乐高地基。
| 标准 | 定义 | 典型应用 |
|---|---|---|
| ERC-20 | 同质化代币接口(transfer / approve / balanceOf) | 稳定币、治理代币、平台积分 |
| ERC-721 | 非同质化代币,每 tokenId 唯一 | NFT(见 NFT 与数字资产) |
| ERC-1155 | 单合约同时管理同质与非同质代币 | 游戏道具、批量转移 |
| ERC-4337 / 7702 | 账户抽象 | 智能钱包、Gas 代付 |
ERC-20 的 approve/transferFrom 两步授权是钓鱼重灾区:授权一旦给出可被随时一次性划走,闲置 allowance 应定期回收。基于这组接口,交易、借贷、衍生品全部以无需许可的合约形态在链上重组金融逻辑,即 DeFi。
The Merge 与 PoS 质押
2022 年 9 月 15 日 The Merge 落地,以太坊关闭 PoW,共识层切换至 2020 年底启动的信标链,能耗下降约 99.95%(机制对比见 共识机制):
- 验证者:质押 32 ETH 成为 validator,轮流提议区块、为区块签名作证(attestation)赚取收益,双重签名等作恶行为被罚没(slashing)
- Finality:约两个 epoch(12.8 分钟)后检查点最终确认,比比特币六区块的概率性确认更强
- 发行:PoS 增发远低于原 PoW 区块奖励,叠加 EIP-1559 销毁,长期供给趋紧
- 流动性:退出质押需排队数天,催生 stETH 等流动性质押衍生品
2023 年 Shanghai/Capella 启用质押提款;2024 年 Dencun 升级引入 blob 数据空间(EIP-4844)专供 Rollup 使用,L2 费用下降一个数量级;2025 年 Pectra 扩容 blob 并落地 EIP-7702 账户抽象。路线图分工已然明确:L1 只做结算与数据可用性层,执行交给 扩容与 Layer 2。
固有局限
- 每个节点重复执行每笔交易,吞吐天然受限,拥堵时费用飙升——这是 Rollup 路线的出发点
- MEV:区块提议者可对交易插入、重排序、截尾套利,用户在不知不觉中被收「隐形税」
- 合约漏洞不可撤销、代理升级依赖多签、罚没依赖活跃在线——工程与治理风险始终与代码风险并存