公链架构技术演进 ​

本文档梳理比特币、以太坊、Solana 三大公链的架构设计思路，理解区块链开发者的设计哲学，以及各自面临的技术取舍。

一、Cryptocurrency 起源 ​

比特币要解决的核心问题：是否可以有一种电子现金，实现点对点交易，不需要中心化金融机构，同时避免双花。

二、Bitcoin 架构设计 ​

2.1 设计目标 ​

建立一个不会被人操控的去中心化银行，并且永远不会宕机的系统。为此设计了分布式账本及编程能力受限的比特币。

2.2 哈希树 ​

哈希树支持轻量验证：无需下载完整区块数据，仅通过 Merkle Path 即可验证交易是否包含在区块中。

2.3 链式交易结构 ​

比特币采用 UTXO（未花费交易输出）模型，交易由输入和输出组成，多个输出可以汇总。

2.4 非对称加密 ​

• 私钥：本质是一个数字（随机大整数）
• 通过椭圆曲线（secp256k1）定义加法和标量乘法
• 私钥 → 公钥 → 地址

2.5 区块结构 ​

区块包含区块头和交易列表，区块头中包含前一区块哈希、Merkle Root、时间戳、难度目标等。

2.6 交易锁定结构 ​

锁定方式：

• 锁定时间字段
• 锁定脚本字段

范例 P2PKH（Pay-to-PubkeyHash）：

scriptPubKey: OP_DUP OP_HASH160 <PubkeyHash> OP_EQUALVERIFY OP_CHECKSIG
scriptSig: <Sig> <PubKey>

UTXO 交易脚本被成功执行的条件：脚本执行结果为"成功"（栈顶为 true）。

2.7 栈虚拟机 ​

比特币栈虚拟机被故意设计成图灵不完全，因此所有验证都可以在可预测的时间内完成。对验证区块有威胁的操作符被禁用：

OP_CAT、OP_SUBSTR、OP_LEFT、OP_RIGHT、OP_2MUL、OP_2DIV、OP_MUL、OP_DIV、OP_MOD、OP_LSHIFT、OP_RSHIFT

三、Ethereum 架构设计 ​

3.1 设计目标 ​

弥补比特币智能合约功能有限的问题，并确保不能受到 DoS 攻击。为此设计了可燃烧的以太币（Gas 机制）。

3.2 哈希基数树（Merkle Patricia Trie） ​

以太坊核心数据结构，分三步演进：

graph LR
    A["查找树 Trie"] --> B["基数树 Patricia Trie<br/>路径压缩"]
    B --> C["哈希基数树 MPT<br/>Merkle + Patricia"]

MPT 优势：

• 支持轻量验证（Merkle Proof）
• 数据改变时的存储复用（共享子树）
• 世界状态树存储所有账户状态

3.3 系统结构 ​

以太坊的执行流程：

1. 交易进入 EVM
2. EVM 根据操作码执行（storage 操作消耗 Gas 最多）
3. 状态转换：更新世界状态树

3.4 Layer 2 分类 ​

L2 的通常目标是提高区块链的可扩展性。

四、Solana 架构设计 ​

4.1 设计目标 ​

弥补以太坊的吞吐量和速度限制，在不牺牲去中心化的前提下实现横向扩展性。为此设计了全局同步的分布式系统。

4.2 全局同步 vs 传统分布式 ​

来自 Leslie B. Lamport（1984）的分布式系统理论

4.3 节点冗余度 ​

"节点冗余度"指网络中完成相同计算或验证的次数。这种冗余确保了网络安全性和数据一致性。

4.4 性能下降场景 ​

情况一：不可并行的交易

Solana 的并行处理在需要顺序执行的交易时性能下降。如铸造 NFT 需要顺序处理以确保不被重复铸造，不能在所有 4096 个核心上同时执行。顺序处理能力接近以太坊（每秒几十到几百笔）。

情况二：Leader 宕机

当 Leader 节点宕机时，需要等待下一个 Leader 接替，导致短暂停顿。

4.5 SVM（Solana Virtual Machine） ​

• Sealevel 是 SVM 的核心组件，通过并行处理实现"水平"扩展
• 多个智能合约能同时运行而不影响彼此性能
• 能同时处理数万笔交易（以太坊 EVM 逐一处理）

EVM vs SVM 对比：

Solana 实现高性能和低延迟的核心原因是采用了并行处理和时间戳技术（PoH）。

五、未来展望 ​

未来区块链的设计目标：解决效率与安全的问题，并且共识依旧足够去中心化。MPC、ZK 等技术都在大范围实验中。

总结 ​

graph TB
    subgraph "Bitcoin"
        B1["UTXO 模型"]
        B2["图灵不完全脚本"]
        B3["PoW 共识"]
    end

    subgraph "Ethereum"
        E1["账户模型 + MPT"]
        E2["图灵完全 EVM"]
        E3["PoS 共识 + Gas"]
    end

    subgraph "Solana"
        S1["Account 模型"]
        S2["SVM + Sealevel 并行"]
        S3["PoH + PoS"]
    end

    B1 --> E1
    E1 --> S1
    B2 -->|"弥补编程局限"| E2
    E2 -->|"弥补吞吐量局限"| S2

三大公链各有设计取舍：比特币追求安全与去中心化，以太坊追求可编程性，Solana 追求高性能。理解它们的设计思路，有助于设计新的区块链系统。