以太坊作为全球第二大区块链网络,不仅是加密货币领域的重要参与者，更是智能合约和去中心化应用（DApps）的“底层操作系统”，其庞大的生态系统和复杂的功能实现，离不开一套精心设计的核心协议，以太坊究竟使用哪种协议？要回答这个问题，需从共识层协议、网络层协议和应用层协议三个维度展开，而其中最核心、最常被提及的，是支撑其安全运行与数据一致性的共识协议。

核心共识协议：从PoW到PoS的演进

共识协议是以太坊协议的“心脏”，决定了网络如何达成交易和状态的一致性，防止双重支付等恶意行为，以太坊的共识协议经历了从“工作量证明”（Proof of Work, PoW）到“权益证明”（Proof of Stake, PoS）的重大迭代，这一过程也是其从“能源消耗大户”向“高效、可持续公链”转型的关键。

初期共识协议：工作量证明（PoW，2015-2022）

以太坊自2015年上线初期,采用了与比特币类似的PoW共识机制，在PoW下，网络中的“矿工”通过竞争计算哈希值（解决复杂数学难题）来争夺“记账权”，成功打包交易的区块将获得以太币作为奖励，这种机制的优点是安全性高（攻击者需掌控全网51%算力才能作恶），但缺点也十分明显：

  • 能源消耗巨大：高算力需求导致电力浪费，与全球碳中和趋势背道而驰；
  • 中心化风险：专业矿机（如ASIC）的普及使算力向少数大型矿池集中，削弱了去中心化特性；
  • 效率低下：区块确认时间长（平均13秒一个区块），交易处理能力有限（约15-30 TPS）。

尽管PoW为以太坊的早期发展奠定了安全基础,但其局限性促使团队探索更优的共识方案。

当前共识协议：权益证明（PoS，2022至今）

2022年9月,以太坊通过“合并”（The Merge）升级，正式从PoW转向PoS共识机制，这一事件被称为“以太坊2.0”的核心里程碑，在PoS下，“验证者”（Validator）取代矿工成为网络维护者：验证者需锁定（质押）至少32个以太币作为保证金，通过随机算法被选定为区块生产者，并验证交易的有效性。

PoS的优势显著：

  • 能源效率提升99%以上：无需高算力竞争，仅通过质押即可参与，大幅降低能耗；
  • 安全性增强：恶意验证者作恶将面临质押金被罚没（“ slashing”）的风险，经济模型抑制了攻击动机；
  • 可扩展性优化：为后续分片技术（Sharding）的实施奠定基础，未来有望将交易处理能力提升至数万TPS。

值得一提的是,以太坊的PoS协议并非简单复制其他项目，而是结合了“随机数生成”（RANDAO）、“验证者分组”“ Casper FFG”等创新设计，确保了去中心化与安全性的平衡。

网络层协议：P2P网络与数据传播机制

共识协议是“规则”，而网络层协议则是“交通系统”，负责节点间的通信与数据同步，以太坊采用点对点（P2P）网络协议，具体基于libp2p库构建，这一协议在区块链领域被广泛采用（如IPFS、Polkadot等）。

节点发现与连接

以太坊网络中的每个节点（全节点、轻节点等）通过“发现协议”（Discovery Protocol）相互连接，节点启动时，通过预设的“引导节点”（Bootnodes）获取网络中的其他节点地址，并通过“Kademlia DHT”（分布式哈希表）算法维护一个动态的节点列表，确保网络去中心化且抗审查。

数据传播与同步

当新区块或交易产生时,生产者节点通过“泛洪广播”（Flooding）将数据发送给相邻节点，节点验证后继续向其邻居传播，最终全网达成数据一致，为提高效率，以太坊采用了“区块中继”（Block Relaying）和“交易池”（Mempool）机制：交易先进入节点本地的交易池，验证者优先打包手续费高、优先级高的交易；区块生成后，通过“轻客户端同步协议”（如LES）允许轻节点快速获取区块头，无需下载完整数据。

应用层协议：智能合约与虚拟机规范

如果说共识和网络层是“基础设施”，应用层协议则是以太坊的“服务接口”，支撑了智能合约的运行和DApps的交互，其核心包括以太坊虚拟机（EVM）规范和智能合约标准。

以太坊虚拟机（EVM）

EVM是以太坊的“虚拟计算机”，是一个图灵完备的执行环境，负责解析和执行智能合约的字节码（Bytecode），所有以太坊上的智能合约（无论是Solidity编写还是其他语言）最终都会被编译成EVM可识别的字节码，并在全节点上运行，EVM的统一规范确保了不同智能合约之间的兼容性，也使得以太坊成为“全球计算机”的雏形。

智能合约协议标准

为方便开发者构建DApps,以太坊社区定义了一系列智能合约标准，

  • ERC-20：代币标准，规定了 fungible token（同质化代币）的接口（如transfer、balanceOf），使不同代币能在交易所和钱包中互通；
  • ERC-721：非同质化代币（NFT）标准，每个代币有唯一ID，支持数字艺术品、收藏品等唯一性资产；
  • ERC-1155：多代币标准，可在同一合约中同质化和非同质化代币，提升资源利用效率。

这些标准虽然不属于“核心协议”的硬性规定，但已成为以太坊生态的“通用语言”，极大地推动了生态繁荣。

以太坊协议是一个“组合体”

以太坊并非依赖单一协议,而是一个多层次的协议栈：

  • 共识层：以PoS为核心，保障网络安全与数据一致性；
  • 网络层：基于libp2p的P2P协议，实现节点通信与数据同步；
  • 应用层：以EVM和智能合约标准为载体，支撑DApps创新。

PoS共识协议是以太坊当前最受关注的协议升级，标志着其从“能源密集型”向“可持续型”公链的转型，随着“分片链”（Sharding）、“Proto-Danksharding”（EIP-4844）等协议的落地，以太坊的性能与可扩展性将进一步优化，继续巩固其作为“区块链底层操作系统”的地位。