區塊鏈開山始祖 - 比特幣

提到以太坊錢，一定得先講講整個區塊鏈技術的開山始祖「比特幣（Bitcoin）」。中本聰在 2008 年提出比特幣白皮書，隨後在 2009 年正式誕生。起初，比特幣的概念是想要打造一種「去中心化的數位貨幣」。

貨幣的重要性質是作為一種交易媒介、價值儲存媒介，並且能夠被大眾信任。如下圖所示，比特幣的交易（Transaction）可以被看成是狀態轉移，這邊的狀態指得是 UTXO（Unspent Transaction Output）的集合。

透過這種 UTXO 的狀態轉移，透過將狀態如實記錄在某個中心化伺服器或硬碟中，其實就足以構建一個中心化的數位貨幣。

然而，比特幣還想滿足去中心化這個條件，因此需要將狀態轉移儲存在分散式網路中的每個節點當中。那麼，該如何確保每個節點對於整個網路的狀態有一致的認知呢？在比特幣中，以共識演算法 PoW（Proof of Work）確保分散式網路中一致的全局狀態。

儘管比特幣作為數位貨幣十分成功，能夠滿足價值交換、作為交易媒介等需求。然而，隨著整個社群對於去中心化應用程式（dApps）的需求提升，比特幣逐漸不敷使用。當然，比特幣也還有其他問題，如昂貴手續費、容量不足等問題，但此系列文暫不討論。當時，社群主流有三種解決辦法：

• 建構新的區塊鏈
• 在比特幣網路上使用腳本
• 在比特幣網路上建構新的元協定

後來，Vitalik Buerin 在 2014 年提出以太坊白皮書，也就開啟了後續以太坊的蓬勃發展，以及 DeFi、DApp 的大放異彩。

以太坊是什麼？

以太坊起初想解決比特幣對於去中心化應用程式支援不足的問題。透過建構一個新的區塊鏈網路，Vitalik 當初建構以太坊時，便將其設計為一個更具備通用性、能執行圖靈完備程式碼的區塊鏈網路。由此，各種 DApp 與 DeFi 應用項目都能以程式碼的形式執行在以太坊上。

以太坊的狀態轉移：帳戶

前面我們提到，數位貨幣以狀態轉移記錄交易。其中，比特幣透過 UTXO 的集合表示狀態。那麼，以太坊呢？

以太坊的狀態透過帳戶（Account）表示，帳戶可以分為外部帳戶（Externally Owned Account, EOA）以及合約帳戶（Contract Account, CA）。

其中，帳戶本身由以下部分組成：

• 隨機數
• 以太幣餘額（Balance）
• 智能合約程式碼
• 帳戶儲存空間（Storage）

外部帳戶由私鑰（private key）控制，能夠建立、簽署交易（Transaction），並且發送訊息。

合約帳戶則由智能合約的程式碼控制，收到訊息後，會執行對應的程式碼，能夠讀取、寫入帳戶的儲存空間（Storage），或者是發送訊息、建立新合約。

以太坊的交易與訊息

上一小節提到帳戶能夠建立、簽署交易（Transaction），而交易中會包含已簽署的資料與訊息。

一個典型的以太坊交易會包含：

• 接收者（Receiver）
• 發送者的簽名（Signature of Sender）
• 傳送的以太幣數量
• 資料
• STARTGAS：交易執行允許使用的最大計算步驟數量，相當於「工作量」
• GASPRICE：發送者為每個計算步驟支付的費用，相當於「單價」

因此，一筆交易的手續費（Gas Fee）則為：GAS FEE = STARTGAS * GASPRICE。

合約程式碼的執行

合約帳戶中會包含程式碼，那麼，這些程式碼是被如何執行的呢？

以太坊的合約程式碼主要以基於 Stack 的低階組合語言編寫而成，又被稱做 EVM 程式碼，由 EVM 負責執行。大家普遍熟知的合約程式語言 Solidity 是編寫合約的高階語言，會先被編譯為前述的低階組合語言，才能被 EVM 執行。

合約程式碼能存取的資料主要有 1) Stack、2) Memory、3) Storage（也就是前述合約帳戶的儲存空間）。

關於 EVM 跟智能合約程式碼的編寫又能寫好幾篇文章，這邊就此打住。

交易驗證與共識機制

前面幾個小節中，我們知道了以太坊中如何透過帳戶的方式定義狀態，也知道合約帳戶中的程式碼是如何被執行的。那麼，被送上以太坊網路的交易要如何驗證，以及在這樣分散式的網路架構中，各個節點要如何達成共識呢？

以太坊自 2022 年後，底層的共識機制就由 PoW（Proof of Work）轉為 PoS（Proof of Stake），因此本篇文章就先以介紹 PoS 為主。

PoS 的概念是網路中的各個節點如果要擔任驗證者（Validator），必須先 stake（質押）一筆以太幣以成為驗證者。每次 PoS 的共識演算法都會隨機、公平的挑選一個驗證者驗證交易。如此一來，避免了過去 PoW 所有節點都驗證、計算，但最後只有一個節點的 Work 被承認，其他人的運算就被浪費了。

當使用者或合約帳戶產生一筆交易時，該交易會被廣播到以太坊網路上，並且被放入各個節點的 mempool（Memory Pool）中。被挑選的驗證者會挑選一些交易，打包為一個區塊（Block），並且執行狀態轉移函式 APPLY(S,TX) = S'。其中，合約程式碼也在這個狀態轉移的過程中被執行。

被挑選的驗證者執行完狀態轉移後，會將結果廣播到網路上，由其他的驗證者負責驗證結果正確無誤。如此，為一個完整的交易驗證流程。

由上，我們也能看出以太坊區塊鏈的區塊（Block）中主要包含了驗證者打包的交易（Transaction）清單。但除此之外，還包含了最新狀態的副本，而這也是以太坊與比特幣在區塊鏈架構上最大的差異。

比特幣網路狀態基於 UTXO（Unspent Transaction Output）的集合，如果要得知某個地址的餘額，需要從創世區塊（Genesis Block）一路推導至最新的區塊。

以太坊則不然，由於其狀態基於帳戶，每次狀態轉移後都會保留一份最新狀態的副本，因此能快速的取得餘額資訊。

結語

本篇文章從區塊鏈的始祖比特幣講起，接著一路介紹以太坊的狀態定義、交易流程、驗證與共識機制。這方面的每一個概念與原理都能夠展開細講，寫成好幾篇文章，不過基於篇幅限制就只在本篇簡單描述。

本文主要參考以太坊白皮書寫成，原始文章寫得比這篇還詳細，非常推薦大家深入閱讀。

明天，我們將開始進入本次系列文的主題「以太坊的擴容之路」，從原理分析以太坊網路在容量上遇到的問題與限制。

參考資料

[1] 以太坊白皮書, 2025