以太坊是全球分布式状态机，通过PoS验证、EVM执行合约、双账户模型及Gas机制协同运行。创世状态起，交易驱动状态演进；质押ETH的验证者按Epoch/Slot出块并投票；Solidity合约编译为字节码在EVM中受Gas约束执行；EOA与合约账户共存于Merkle-Patricia Trie中，stateRoot确保状态可验证。
一、以太坊作为分布式状态机的运行逻辑
以太坊本质上是一台全球共享的分布式状态机，从初始空白状态出发，通过验证和执行交易逐步演进至新状态。每个区块承载一组有效交易，共同驱动全网状态同步。
1、系统启动时处于“创世状态”，所有账户余额与合约代码为空。
2、每笔交易被广播至P2P网络，节点依据共识规则校验签名、nonce、gas limit等字段合法性。
3、验证通过的交易被打包进区块，区块头包含状态根哈希，确保该区块执行后全局状态可被唯一验证。
4、新区块经验证者确认后追加至区块链末端，所有节点据此更新本地状态数据库。
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二、权益证明（PoS）下的验证者协作机制
以太坊已全面采用权益证明机制，由质押ETH的验证者共同维护链安全与最终性。验证行为受算法约束并实时反馈经济激励或惩罚。
1、用户质押至少32枚ETH至官方存款合约，成为激活验证者。
2、系统按周期（Epoch）和时隙（Slot）调度验证者任务，每个12秒时隙随机指派一名验证者提议新区块。
3、其余验证者对提议区块执行LMD-GHOST分叉选择，并通过Casper FFG进行两轮投票完成最终确定性确认。
4、验证者若离线超时或提交冲突签名，将触发Slashing惩罚，部分质押ETH被永久销毁。
三、智能合约在EVM中的执行流程
智能合约是以太坊的核心功能载体，其代码部署后由以太坊虚拟机统一解释执行，确保跨节点行为完全一致。
1、开发者使用Solidity编写合约，经编译器生成EVM兼容字节码，通过交易部署至链上并获得唯一地址。
2、外部账户发起调用交易，携带输入参数与指定gas limit，触发目标合约地址对应代码执行。
3、EVM加载字节码，在独立栈空间中逐条解析操作码，读写内存、存储或调用数据，全程受Gas计量约束。
4、执行结果若未耗尽Gas，则状态变更被提交；否则交易回滚，已消耗Gas不退还。
四、账户模型与状态存储结构
以太坊采用双类型账户模型，结合Patricia树实现高效、可验证的状态快照管理，区别于比特币UTXO设计。
1、外部账户（EOA）由私钥控制，仅含nonce与余额字段，用于发起交易和签名授权。
2、合约账户由代码控制，除余额外还包含codeHash与storageRoot，指向其专属Patricia子树。
3、全网状态以Merkle-Patricia Trie组织，每个区块头记录stateRoot，允许轻客户端通过默克尔证明验证任意账户状态。
4、当合约修改storage变量时，底层Patricia树自动重构路径节点，生成新的root哈希并写入区块头。
五、Gas机制与资源约束原理
Gas是以太坊防止无限循环与拒绝服务攻击的核心计量单位，为每项计算操作设定明确成本，保障网络稳定性。
1、用户发送交易时必须指定gas limit与gas price，二者乘积构成最大手续费支出上限。
2、EVM内每个操作码对应固定Gas消耗值，例如ADD为3 Gas，SSTORE为20000 Gas，复杂密码学运算更高。
3、交易执行过程中持续扣减剩余Gas，一旦归零即强制中断，所有状态变更撤销，仅保留手续费扣除记录。
4、矿工/验证者优先打包高gas price交易，但gas limit由用户自主设定且不可超过区块Gas上限。
