Ethereum 白皮书详解：智能合约平台
2013 年末，19 岁的程序员 Vitalik Buterin 发布了一份将重塑区块链格局的文档。标题为 "Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform," 的这份白皮书提出了一种远不止“转账”的区块链。它设想的是一条通用、可编程的区块链——一台能够运行几乎任何应用的去中心化世界计算机。
本指南将带你梳理 Ethereum 白皮书中的核心概念、设计决策与长期影响，解释 Vitalik 的愿景如何从激进提案演变为一个数千亿美元生态的基础。
历史背景
Bitcoin 的局限
到 2013 年，Bitcoin 已经证明了去中心化、无需信任的价值转移系统是可行的。然而，Bitcoin 的脚本语言是刻意受限的。它可以处理简单条件（多签、时间锁），但无法支持复杂应用。正如 Buterin 所写：
"The scripting language as implemented in Bitcoin is limited in several important ways — it is essentially stack-based, has a very limited opcode set, and while it is technically 'Turing-incomplete,' this is seen as a feature rather than a bug."
想要构建去中心化应用的开发者，要么在 Bitcoin 受限脚本上“打补丁式”实现方案，要么从零创建全新区块链——每条链都需要自己的共识机制、网络和安全模型。这既低效又割裂。
为什么需要通用平台
Buterin 发现了一个机会：构建一个可支持任意去中心化应用的单一平台。与其为每个用例都造一条链（文件存储一条、身份一条、预测市场一条），为什么不做一条“什么都能做”的可编程区块链？
他使用的是计算机类比：与其分别造加法、减法、乘法计算器，不如造一台能运行任意程序的通用计算机。Ethereum 就是这条通用区块链。
先前尝试
在 Ethereum 之前，已有多个项目尝试扩展区块链能力：
- Colored Coins：在 Bitcoin 交易中附加元数据以表示其他资产
- Metacoins：运行在 Bitcoin 之上的协议（Counterparty、Mastercoin/Omni）
- Namecoin：用于去中心化域名注册的 Bitcoin 分叉
- Ripple：数字支付网络（中心化共识）
这些方案都存在局限，而 Ethereum 的设计正是为了解决这些问题。
白皮书中的核心概念
账户，而非 UTXO
Buterin 做出了一个将 Ethereum 与 Bitcoin 区分开的基础设计选择：使用账户模型，而不是 Bitcoin 的 UTXO 模型。
在 Ethereum 中，状态由账户构成，每个账户包含：
- Nonce：计数器，确保每笔交易只被处理一次
- Ether balance：持有的 ETH 数量
- Contract code：智能合约字节码（如适用）
- Storage：持久化数据（合约账户的键值存储）
账户分两类：
- Externally Owned Accounts (EOAs)：由私钥控制，不包含代码
- Contract Accounts：由自身代码控制，收到消息时被激活
这种设计让余额和状态的推理更直接。你无需追踪单个未花费输出，只需追踪账户余额——很像银行总账（但去中心化且透明）。
消息与交易
白皮书区分了transactions（由 EOA 签名）与 messages（合约之间的内部调用）：
- transaction 由外部用户发起，包含接收方、ETH 数量、数据、gas limit 和 gas price
- message 是合约调用另一合约时产生的虚拟对象——不会被序列化，仅在执行期间存在
这种区分使复杂的多步操作成为可能。一笔用户交易可以触发合约之间的级联内部消息，从而实现复杂 DeFi 协议和可组合应用。
Ethereum Virtual Machine (EVM)
EVM 是 Ethereum 的核心——执行智能合约代码的运行时环境。Buterin 为 EVM 设计了若干关键特性：
基于栈的架构：EVM 使用 256 位整型栈。操作会将值压栈或出栈。该设计实现简单、易于推理。
确定性执行：在相同状态和相同交易输入下，无论哪个节点执行，EVM 都会得到相同结果。这对共识至关重要——所有节点必须对结果一致。
Gas 计量：每条 EVM 操作都有固定 gas 成本。交易消耗的总 gas 由发送者用 ETH 支付。该机制：
- 防止无限循环（程序耗尽 gas 时会停止）
- 防止拒绝服务攻击（攻击者必须为其消耗资源付费）
- 建立计算资源市场（用户通过 gas price 竞价交易优先级）
沙箱化：智能合约只能访问自身存储、区块链状态及提供给它的输入。它不能直接访问文件系统、网络或其他外部资源。预言机通过把链下数据带到链上来弥补这个缺口。
Opcode 集合
白皮书描述了 EVM 的指令集合，包括：
- Arithmetic：ADD, MUL, SUB, DIV, MOD, EXP
- Comparison：LT, GT, EQ, ISZERO
- Bitwise：AND, OR, XOR, NOT, BYTE
- SHA3：Keccak-256 哈希（Ethereum 使用 Keccak-256，常被称作 SHA-3）
- Stack/Memory/Storage：PUSH, POP, MLOAD, MSTORE, SLOAD, SSTORE
- Control flow：JUMP, JUMPI, STOP, RETURN
- Environment：ADDRESS, BALANCE, CALLER, CALLVALUE, CALLDATALOAD
- Block information：BLOCKHASH, COINBASE, TIMESTAMP, NUMBER, DIFFICULTY
- Logging：LOG0-LOG4（用于事件发出）
- External calls：CALL, DELEGATECALL, CREATE
这套指令集设计上追求最小但足够表达任意计算。Solidity 等高级语言会编译为这些 opcodes。
状态转换函数
Buterin 将 Ethereum 形式化为一个状态转换系统。全局状态是所有账户及其余额、nonce、代码和存储的映射。每笔交易都通过一个定义明确的转换函数改变状态：
STATE' = APPLY(STATE, TX)
状态转换函数会：
- 检查交易格式是否合法（签名有效、nonce 正确）
- 计算 gas 费用并从发送者余额扣除
- 初始化 gas 计数器，并按交易数据字节扣减 gas
- 将指定 ETH 从发送者转给接收者
- 若接收者是合约，执行合约代码直到完成或 gas 耗尽
- 若执行失败（耗尽 gas、错误），回滚除 gas 支付外的所有状态更改
- 将剩余 gas 退还发送者，并把已消耗 gas 费用支付给矿工/验证者
这种状态转换模型的优雅之处在于其通用性——任何计算都可表示为一系列状态转换，而 gas 机制保证了资源安全。
白皮书设想的应用
Buterin 列出了 Ethereum 将支持的多类应用。值得注意的是，这些设想几乎都已实现：
Token 系统
"On-blockchain token systems have many applications ranging from sub-currencies representing assets such as USD or gold to company stocks."
白皮书预见了后来成为 ERC-20 标准的事物——它是数千种 token、ICO、DeFi 协议以及stablecoins的基础。文中描述的简单 token 合约：用状态映射记录余额并提供 transfer 函数——这正是 ERC-20 的工作方式。
金融衍生品
Buterin 描述了可引用外部数据（如价格喂价）来结算金融工具的合约。这一愿景在 DeFi 衍生品生态中落地——Synthetix、dYdX、GMX 等在 Ethereum 上提供去中心化衍生品、期权和期货交易。
身份与声誉系统
白皮书讨论了将 Ethereum 用于自主管理身份（self-sovereign identity）——无需中心化机构、由用户控制身份凭证。ENS（Ethereum Name Service）、Soulbound Tokens 与去中心化身份（DID）标准都在一定程度上实现了这一愿景。
去中心化文件存储
Buterin 提出使用 Ethereum 智能合约来协调去中心化文件存储。虽然 Ethereum 本身不适合存储大文件（成本过高），但它可以协调存储网络。IPFS、Filecoin、Arweave 等项目都受这一思路启发。
Decentralized Autonomous Organizations (DAOs)
"The general concept of a 'decentralized autonomous organization' is that of a virtual entity that has a certain set of members or shareholders which, perhaps with a 67% majority, have the right to spend the entity's funds and modify its code."
DAO 已成为 Ethereum 生态的重要治理模式。从 MakerDAO 到 Uniswap 治理，再到金库管理协议，Buterin 关于链上组织治理的愿景已被广泛采用。
储蓄钱包与多签
白皮书描述了具备提款限额、多方授权与社交恢复的安全储蓄智能合约。这些理念直接影响了智能合约钱包、多签钱包（如 Safe/Gnosis Safe）以及账户抽象运动的发展。
设计决策与权衡
为什么要图灵完备？
Buterin 有意让 Ethereum 的语言具备图灵完备性（可计算任意可计算函数），而不是像 Bitcoin Script 那样刻意受限。这在当时颇具争议——图灵完备意味着无限循环风险和更复杂攻击面。
解决方案是 gas：通过要求每一步计算都付费，Ethereum 在不限制表达能力的前提下限制了计算规模。试图无限运行的程序最终会耗尽 gas 并停止。复杂智能合约中的 bug 和漏洞风险仍然存在，但这属于应用层安全问题，而非协议层问题。
为什么采用账户模型？
Buterin 选择账户而非 UTXO，原因包括：
- 节省空间：账户只存一次状态，而 UTXO 会在多个未花费输出中重复数据
- 更简单：账户余额更便于智能合约逻辑推理
- 可替代性：同一账户中的 ETH 同质，而 UTXO 各自带有独立历史
代价是并行性下降（影响同一账户的交易必须排序）以及更复杂的状态管理。
为什么不基于 Bitcoin 构建？
Buterin 解释了扩展 Bitcoin 为什么不够：
- 脚本受限：Bitcoin Script 缺少循环、复杂状态和丰富数据类型
- Value-blindness：Bitcoin 脚本无法进行细粒度金额控制
- Blockchain-blindness：脚本无法访问区块链元数据（时间戳、区块高度）
- 无状态：除“已花费/未花费”二元状态外，Bitcoin 交易没有持久状态
这些限制意味着复杂应用需要一个根本不同的平台。
白皮书判断准确的部分
智能合约需求
最核心预测——可编程区块链应用会有巨大需求——被证明极其准确。DeFi、NFT、DAO、游戏与企业应用已在 Ethereum 上创造了数千亿美元经济活动。
可组合性
白皮书关于合约可相互调用（“money legos”）的愿景，成为 Ethereum 的标志性特征之一。DeFi 可组合性——借贷协议、交易所与收益优化器无缝交互——正是该愿景的直接实现。
网络效应
Buterin 预见到通用平台会吸引开发者，开发者吸引用户，用户再吸引更多开发者。这种飞轮效应让 Ethereum 成为主导性的智能合约平台，拥有最大开发者社区、最多应用和最深流动性。
自白皮书以来的变化
共识机制
最初白皮书描述的是类似 Bitcoin 的 PoW 共识机制。Ethereum 在 2015 年上线时采用 PoW，但一直计划迁移到 proof of stake。The Merge 于 2022 年 9 月完成该迁移，从根本上改变了 Ethereum 的安全模型与环境特征。
扩容路径
白皮书并未完全预见 Ethereum 面临的扩容挑战。最初设想认为基础层吞吐足够，但 2020-2021 年 DeFi 与 NFT 活动爆发证明了 Layer 2 扩容的必要性。Ethereum 路线图转向以 rollup 为中心，基础层专注数据可用性，执行由 Layer 2 承担。
MEV（Maximal Extractable Value）
白皮书没有预见到 MEV——出块者可通过重排、包含或排除交易提取的价值。MEV 已成为重要研究领域，并推动了 MEV 保护机制（Flashbots、PBS）的发展，这些机制如今已是 Ethereum 基础设施核心部分。
Gas 定价机制
最初白皮书描述的是简单的一价拍卖（first-price auction）gas 模型。EIP-1559 将其替换为更复杂机制：销毁基础费 + 小费，提升了费用可预测性，并对 ETH 供应形成通缩压力。
阅读原文
Ethereum 白皮书可在 ethereum.org/en/whitepaper/ 阅读。相比 Bitcoin whitepaper，它更长也更技术化，但对具备基础编程和密码学知识的读者仍然友好。Vitalik 还发布了大量博客与文章，另有较新的技术黄皮书（由 Gavin Wood 撰写）对 EVM 规范进行了形式化描述。
理解 Ethereum 的密钥派生对安全管理你的 ETH 至关重要。使用 SafeSeed Key Derivation Tool 探索单个 BIP-39 助记词如何通过 BIP-44 路径（m/44'/60'/0'/0/x）派生不同 Ethereum 地址。一个助记词即可保护你所有的 Ethereum 账户。
FAQ
谁写了 Ethereum 白皮书？
Ethereum 白皮书由 Vitalik Buterin 于 2013 年末撰写，当时他 19 岁。尽管 Vitalik 是主要作者，但 Ethereum 的开发涉及多位联合创始人：Gavin Wood（撰写形式化 EVM 的技术“yellow paper”）、Charles Hoskinson（后创立 Cardano）、Joseph Lubin（创立 ConsenSys）等。
Ethereum 白皮书是什么时候发布的？
该白皮书最早在 2013 年末到 2014 年初流传。Ethereum 众筹（ICO）发生在 2014 年 7-8 月，筹集约 1800 万美元。Ethereum 主网上线日期是 2015 年 7 月 30 日。
Ethereum 白皮书解决了什么问题？
白皮书针对的是现有区块链（主要是 Bitcoin）在支持复杂应用上的限制。Bitcoin 能实现价值转移，但无法支持可编程应用，如去中心化交易所、借贷协议或自执行协议。Ethereum 提供了通用平台，任何去中心化应用都可以在其上构建。
Ethereum 白皮书和 yellow paper 有什么区别？
whitepaper（由 Vitalik Buterin 撰写）是概念性文档，解释 Ethereum 的愿景、设计与应用。yellow paper（由 Gavin Wood 撰写）是 Ethereum 协议的形式化技术规范，包含 EVM、状态转换函数与 gas 成本的精确数学定义。yellow paper 是参考实现指南。
Ethereum 白皮书现在还相关吗？
核心概念——智能合约、EVM、账户、gas——依然是 Ethereum 运作基础。但发布后发生了显著变化：迁移到 proof of stake、EIP-1559 费用机制、Layer 2 扩容路径、账户抽象。白皮书提供关键背景，但应结合较新的文档一起阅读。
Ethereum 白皮书与 Bitcoin 的相比如何？
Bitcoin 白皮书（9 页）聚焦点对点电子现金。Ethereum 白皮书更长、范围更广，提出通用计算平台。Bitcoin 解决了双花问题；Ethereum 将区块链概念扩展到可编程应用。二者都是基础性文档，任何认真理解加密货币的人都应阅读。
白皮书中最具争议的部分是什么？
将 Ethereum 设计为图灵完备是争议最大的一点。批评者（尤其来自 Bitcoin 社区）认为图灵完备会引入不可接受的巨大攻击面。支持者认为 gas 计量足以控制风险，同时释放巨大设计空间。历史证明双方都有道理：Ethereum 的表达能力带来了非凡创新，但智能合约漏洞（The DAO hack、重入攻击、预言机操纵）也造成了重大损失。