详解以太坊：整体框架

Web3世界依旧处于早期阶段，因此在研究这个领域时，不可避免地要了解很多技术层面的东西。

对于没有技术基础的行业新人来说，去理解底层技术会非常困难，然而收益却没有那么大。

就像当我们去研究黄金时，我们不需要去钻研黄金的化学分子构成，而是会研究黄金的基本属性、市场价值、流通体系等等。

因此，本系列文章将从一个产品经理的视角出发，输出“用户体验友好”的内容，尽量不去深究技术细节，而是从整体架构、运作机制、底层逻辑等层面剖析以太坊。

本文是《详解以太坊》系列文章的第一篇。

区块链技术已经过不同阶段的更迭，区块链1.0阶段是以比特币为代表的数字货币公链，如今的区块链2.0阶段则是以以太坊为代表的智能合约公链。

如果说比特币开启了区块链行业的大门，而以太坊则使得Web3世界变得更加繁荣。

比特币就是纯粹的数字货币，而以太坊是一台世界计算机平台，在这个平台上构建不同的应用和产品，使得区块链技术延伸到现实世界中的各种场景。

如今公链生态已经形成了“两超多强”的格局，“两超”就是比特币公链和以太坊公链，“多强”则包括不同应用场景的公链，比如链游生态丰富的BSC、NFT生态繁荣的Solana等等。

以太坊作为区块链2.0阶段的典型代表以及龙头，从技术角度对以太坊的底层逻辑进行深入的分析，对于我们理解如今的公链生态以及去中心化应用有非常大的帮助，同时能够把握公链未来的发展方向。

因此，本文将整体对以太坊的组成机构、交易机制、运作原理进行拆解和分析。

01 定位

所有伟大的创新都是为了解决具体的问题，以太坊也同样如此。

第一条区块链“比特币”是纯粹的支付网络，定位就是数字货币，比特币网络对数据存储的类型和规模有特殊的要求，这些要求限制了在比特币网络上运行其他应用。

因此，比特币网络不再适用于区块链技术对不同场景的扩展，对于需要更多自由度和更复杂的应用，从头开始实现一个新的区块链是唯一的选择，以太坊应运而生。

以太坊创造了一种通用区块链技术，开发者不必构建点对点网络、区块链、共识算法等基础设施，就可以开发自己的应用。

以太坊平台的目的是把这些底层组件抽象化，提供一个确定性的、安全的编程环境，用于开发和运行去中心化区块链应用程序。

因此，以太坊的主要目的不是成为数字货币的支付网络，而是成为一个应用开发平台。

以太坊上的主链币“以太币”，主要目的是作为一种效用货币来支付使用以太坊这个“世界计算机”所产生的花费。

简单说，你如果想在以太坊这个“世界计算机”上运行应用程序，就要根据你要消耗的算力来支付费用。

02 发展历程

2013年12月，以太坊创始人Vitalik分享了一份白皮书，这份白皮书勾勒了以太坊背后的思想：一个图灵完备的通用目的的区块链。

2015年7月30日，第一个以太坊区块被挖矿成功。“世界计算机”开始为全世界提供服务。

Vitalik始终认为，PoW 只会使整个网络变得越来越贵、效率越来越低，因此在确定采用 PoW 作为共识机制后，Vitalik 和他的团队立刻开始着手制定以太坊未来转向 PoS 的计划。

最终，该计划被分为了四个阶段：Frontier(新边疆)、Homestead(家园)、Metropolis(殖民大都会)、Serenity(宁静)。

（1）Frontier 的主要目的是为引入保障网络安全的矿工，它采用了比特币社区熟悉的 PoW 模型，包含一个挖以太币的接口和一些上传和执行合约的简单方式。

（2）Homestead 则主要是让以太坊网络安全、平稳地运行，比如调整挖矿激励、提供拥有图形界面的钱包等。

（3）Metropolis 会提供面向广大用户的、功能相对完整的用户界面，团队还在此次阶段发布一个 DApp 商店和几个精心设计的项目，以展示网络的能力。

（4） Serenity 阶段则会实现以太坊 PoW 向 PoS 的最终转换。

目前，以太坊正处于第四个阶段，Serenity(宁静)。

根据以太坊创始人 Vitalik 在 2021 年 12 月发布的路线图，以太坊的未来发展需要达成五个目标，分别是：

（1）The Merge：共识机制由 POW 转 POS，减少能源消耗，为之后的分片和数据优化打下基础；

（2）The Surge：分片，提升 TPS，降低 Gas，提高可扩展性；

（3）The Verge：引入 Verkle 树，优化数据存储；

（4）The Purge：简化存储，降低验证者硬盘空间性能要求，减少网络拥堵；

（5）The Splurge：一系列小升级，以保证以上升级可以平稳运行；

在2022年9月15日，以太坊的共识机制成功从PoW转向了PoS，即实现了The Merge的短期目标，后续以太坊的发展重心在于通过分片技术提升性能。

简单说，分片就是将大数据库进行分区处理，分散计算任务和存储工作负载，经过这种处理方式，每个节点不用负责处理整个网络的交易负载，只需要维护与其分区（或分片）相关的信息就可以了，这样数据的处理效率可以得到显著提升。

目前以太坊最大的痛点就是性能差、费用贵，交易处理容易堵塞，所以提升性能是其最核心的发展方向。

03 组成架构

以太坊跟其他公共区块链有很多共同点，整体可以分为四层：数据层、共识层、合约层和应用层。

1.数据层

这一层主要是区块链的密码学原理和交易机制。

区块链本质上就是一个“全球化大账本”，每个人都可以查看和记录交易信息。

因此，我们需要理解私钥、公钥、地址到底都是什么，以及它们有着怎样的关系。

只有了解了这一层，才能明白区块链的核心能力以及与传统金融体系的差别。

2.共识层

简单说，共识机制是一种激励制度，可以让区块链这个分布式系统的各个个体达成一致并维护区块链网络的正常运作。

共识机制对于区块链网络的运作方式、安全性、经济模型等至关重要。

我们了解了共识机制之后，我们就知道区块链到底是怎样运作了。

共识算法主要分为PoW和PoS，比特币最重要的创新就是PoW共识算法，但是基于以太坊自身情况的考虑，以太坊已经从PoW转为了PoS。

PoW和PoS的差异点以及各自的优势，我们后面会详细解释。

3.合约层

所谓智能合约，就是一个标准化的、自动执行的程序。

通过智能合约这种方式，开发者们可以在以太坊上开发和部署去中心化应用。

智能合约是以太坊最重要的创造，也是以太坊之所以可以成为“全球计算平台”的核心组件。

只有理解了智能合约，才能算是真正理解以太坊。

4.应用层

应用层是可以直接面向普通用户们的产品。

去中心化应用到底是什么？Web3应用和Web2应用有哪些区别？Web3应用有哪些核心构成？

只有了解了去中心化应用是什么以及不是什么，我们也才能对Web3世界中各种鱼龙混杂的项目有一个更清晰地认识。

最后

虽然在每一层中，与其他公链相比，以太坊有很多典型的差异点，但是所谓一通百通，我们通过分析以太坊的组成架构，也基本可以了解其他公链的运行原理了。

因此，后续将通过一系列的文章，对以太坊这几层组成进行详细地剖析。