比特币和以太坊区块链架构对比分析（下）

前言，与上篇相比，第二篇主要总结了以太坊的区块链架构，同时结合与比特币架构的差异进行对比分析。

1. 以太坊区块链架构及要素

以太坊的架构基于比特币，但同时将区块链作为可编程的分布式信用基础设施，支持智能合约应用。 与仅由虚拟货币支持的比特币区块链相比，它得到了显着优化和改进。 基本结构和元素如下图所示：

相对于比特币的提升主要体现在以下几个方面

1.前端部分

包括去中心化应用、智能合约开发工具、JS框架的引入，主要解决比比特币更复杂的应用场景或新领域开发，重点支持智能合约。 这部分内容会在后续的智能合约开发文章中进行讲解，这里不再赘述。

这里只是简单的说一下DApp。 DApp 由智能合约和客户端代码组成。 它的架构类似于传统的Web应用程序，但这里智能逻辑部分运行在区块链上，客户端代码运行在专门的浏览器Mist中。 . 相对于传统钱包简单的支付业务，它是为设计复杂的去中心化应用而引入的。

2.账户

以太坊引入了账户的概念，可以分为两种：1）外部拥有账户（EOA），也就是一般意义上的用户账户； 2）合约账户（Contract），这是一个特殊的可编程账户，是一个代码和数据的集合，由代码控制，由EOA账户激活。

如何理解所有外部账户和合约账户的基本区别？

EOA 账户可以创建并使用自己的私钥来签署交易并向另一个 EOA 账户或合约账户发送消息。 两个外部拥有的账户之间发送的消息类似于比特币的简单支付交易，只是价值的转移。 但是EOA账户发给合约账户的消息会激活合约账户的密码。

合约账户可以执行图灵完备的计算任务，可以在合约账户之间传递消息。 EOA账户在调用时需要提供一些参数：EOA地址、合约地址和数据，数据部分包括合约中需要调用的方法和传递的参数。

与 EOA 账户不同，合约账户不能自行发起交易。 相反，合约账户只有在收到交易后才会触发交易以响应交易（无论是来自 EOA 账户还是其他合约账户）。

可视化表示如下

3. 区块链管理和架构

比特币的区块链组织使用默克尔数，将交易的哈希值按照一定的算法形成二叉树结构。 顶级节点的哈希值相当于整个交易列表的指纹，用于验证交易列表。 因为以太坊引入了对象状态管理的概念（也就是上面的账户）以太坊和比特币的不同，除了交易列表之外，还需要保存最新的状态，进而带来复杂的验证和查询需求：

(1) 以太坊的状态包括一个键值表，即（地址-账户声明对变量），变量包括余额、随机数、代码和账户存储，账户的状态可以经常变化，其余额，随机数也经常变化。

(2) 可以插入新帐号，也可以插入和删除已有帐号。

(3) 基于以上两点，需要引入一种数据结构，可以在插入、更新、删除操作后快速计算出一个新的树根哈希值，而不用重新计算整棵树。 并且它需要具备： 限制树的深度以防止拒绝服务攻击； 树的根哈希只与树的数据有关，与更新顺序无关。

满足以上要求的实现就是Patricia树

在区块链的区块头中，以太坊实现存储了 3 个根哈希值：1）交易的 merkle 根哈希值； 2）状态的根哈希值； 3）收据Hash值的根哈希值（收据的作用将在后续章节讨论）

可视化表示如下

与比特币也有区别。 以太坊区块链中的每个区块都保存了区块链编号和区块难度（引出一个问题：有什么作用？）

在区块链的构建上，以太坊还采用了不同于比特币的算法——GHOST算法，直译为“贪心最重要的观察子树”，该算法使得以太坊的区块链组织不是一条链，而是一棵树。

4. 工作证明和福利

根据比特币挖矿的设计难度，全网产生新区块的速度动态控制在10分钟左右，工作量证明仅由CPU的计算难度决定。 与比特币的工作量证明相比，以太坊的POW（Proof of Work）算法经过优化，相对简单，也更加灵活。 首先，新区块的产生每次控制在15s左右。 同时，以太坊的工作量证明机制增加了内存难度。 该特性具有抗针对单一哈希优化的ASIC矿机的特性，避免算力局部中心化。 的风险。

在矿工收益方面，以太坊的奖励制度也比较复杂。 类似于比特币和以太坊，当一个新的区块产生时，会获得一定的静态收益（5个ETH）。 矿工也可以依靠交易用户支付的“燃料”获得收益。 此外，他们还将获得一个包含入链额外奖励的“叔叔区”区块。

这里有必要解释一下“燃料”和“叔块”：

“燃料”——以太坊拥有图灵的完备属性。 在此基础上，存在恶意使用无限循环和跳转指令的可能。 为了防止对系统的恶意攻击，规定每笔交易都需要给出最大的计算量，同时交易者需要向矿工支付一定的交易手续费才能将交易加入区块，手续费是“燃料”。 “燃料”决定了交易能否有效执行。 如果交易中实际操作超过最大计算步长，则燃料耗尽，交易终止以太坊和比特币的不同，交易手续费归挖出区块的矿工所有。

“叔块”——又称“废块”，是指满足以太坊难度条件的区块，但该区块内的交易未被确认而失效。 这种情况通常发生在 A 和 B 矿工之间，同时产生符合条件的区块，然后由于网络延迟确认和区块重组导致一个区块无效。 “叔块”的引入，一方面提高了以太坊网络每15s更新一次可能导致大量非区块算力被浪费的经济补偿； 模拟带有死块的区块链主链。

5. 图灵完备、EVM（以太坊虚拟机）和高级语言

以太坊相对于比特币的创新之处在于引入了图灵完备性，使得智能合约的应用成为可能。 同时，它还有一个基础的计算环境——以太坊虚拟机，合约代码的执行是在EVM上进行的。

同时，以太坊提供了一种高级语言来方便智能合约的编写。 最终，高级语言将被编译成在 EVM 中执行的 EVM 字节码，并部署到以太坊区块链上。 目前提供三种编程语言：

1）Solidity，类似JavaScript语言

2）Serpent，类似于Python语言，集成了低级语言的高效和易用性

3）LLL（Lisp like language），是一种类Lisp语言，设计简单，有点像汇编语言

6. 合约执行及事件

以太坊上的合约执行是由区块验证时的一笔交易触发的，通常是通过接收到外部账户消息来激活的。 执行过程是异步的，即没有返回值无法直接知道结果。 因此，合约与外界的通信是通过日志事件实现的，日志事件是交易执行时产生的回执的一部分。

以太坊中的事件是日志和事件监控协议的抽象。 日志记录提供合约的地址，一组最多 4 个问题，以及一些任意长度的二进制数据。 事件可以使用现有的 ABI（应用程序二进制接口）函数来解析日志记录。

总结：比特币和以太坊的架构分析基于系统组件、基本概念和交互。 很多涉及的工作原理和过程都没有展开和深入解释。 在后续文章中将对主要流程和原理进行说明。

附参考文章：

以太坊如何运作