Архитектура Ethereum

Зачем это блокчейну?

Bitcoin доказал, что можно передавать ценность без посредников. Ethereum пошел дальше — это платформа для произвольных вычислений на блокчейне. Если Bitcoin — это калькулятор, то Ethereum — это компьютер. В этом модуле мы разберем, как устроен этот “мировой компьютер” изнутри.

В предыдущем модуле мы изучили, как Bitcoin использует модель UTXO, ограниченный Script и Proof-of-Work. Ethereum сохраняет идею децентрализованного консенсуса, но заменяет практически всё остальное: UTXO уступает место аккаунтам с балансами, Script — Тьюринг-полной виртуальной машине (EVM), а Proof-of-Work — Proof-of-Stake (с сентября 2022, The Merge).

# Ethereum в нескольких строках:
# 1. Глобальное состояние: 280+ миллионов аккаунтов
# 2. Каждый блок -- набор state transitions (переходов состояния)
# 3. EVM исполняет байткод смарт-контрактов
# 4. Результат: новое состояние (state root в заголовке блока)

from eth_account import Account

# В отличие от Bitcoin, Ethereum использует те же ключи (secp256k1),
# но адрес вычисляется иначе:
# address = keccak256(publicKey)[-20:]  (последние 20 байт)
# Без RIPEMD-160, без Base58 -- просто Keccak-256 и hex с 0x-префиксом

private_key = "0x" + "42" * 32  # 32 байта
account = Account.from_key(private_key)
print(f"Address: {account.address}")
# Address: 0x... (20 байт = 40 hex символов + 0x)

Bitcoin vs Ethereum: модели данных

Ключевое архитектурное различие между Bitcoin и Ethereum — это модель хранения состояния. Bitcoin хранит набор UTXO (неизрасходованных выходов), а Ethereum — глобальное дерево состояния всех аккаунтов.

Почему аккаунты вместо UTXO?

Модель UTXO отлично работает для простых переводов: каждый выход тратится ровно один раз, что упрощает параллельную валидацию. Но для смарт-контрактов нужно общее изменяемое состояние — контракт должен читать и записывать переменные, которые сохраняются между вызовами.

# В Bitcoin: "баланс" = сумма UTXO
# alice_balance = utxo_1.amount + utxo_2.amount + ...

# В Ethereum: баланс -- это поле аккаунта
# alice_balance = state[alice_address].balance

# Плюс, контракт может хранить произвольные данные:
# state[contract_address].storage[slot_0] = total_supply
# state[contract_address].storage[slot_1] = owner
# state[contract_address].storage[keccak256(alice, 2)] = alice_token_balance

Двухуровневая архитектура узла

После The Merge (сентябрь 2022) узел Ethereum состоит из двух независимых клиентов, связанных через Engine API.

Execution Layer (EL)

Execution Layer отвечает за исполнение транзакций и управление состоянием:

• EVM — виртуальная машина, исполняющая байткод контрактов. Стековая архитектура с 1024 элементами, линейная memory и persistent storage.
• State Trie — Modified Merkle Patricia Trie, хранящее состояние всех аккаунтов. Обновляется при каждом блоке.
• Transaction Pool — пул ожидающих транзакций. Транзакции упорядочиваются по gas price и nonce.
• JSON-RPC API — интерфейс для взаимодействия: eth_call, eth_sendTransaction, eth_getBalance, eth_getProof.

# Популярные EL-клиенты:
# - Geth (Go) -- ~36% сети
# - Nethermind (C#) -- ~34%
# - Besu (Java) -- ~18%
# - Erigon (Go) -- ~10%

# Client diversity важен: если один клиент содержит баг,
# остальные продолжают работать корректно

Consensus Layer (CL)

Consensus Layer отвечает за консенсус и безопасность сети:

• Beacon Chain — управляет реестром валидаторов, эпохами (32 слота = ~6.4 мин), финализацией.
• Validator Client — подписывает attestation-ы и предлагает блоки. Требует 32 ETH stake.
• Fork Choice — алгоритм LMD-GHOST + Casper FFG определяет каноническую цепочку.
• P2P / libp2p — gossipsub для блоков и attestation-ов, discv5 для обнаружения узлов.

# Популярные CL-клиенты:
# - Prysm (Go) -- ~36%
# - Lighthouse (Rust) -- ~33%
# - Teku (Java) -- ~15%
# - Nimbus (Nim) -- ~9%
# - Lodestar (TypeScript) -- ~7%

# Engine API связывает EL и CL:
# CL -> EL: "Вот payload нового блока, исполни транзакции"
# EL -> CL: "Результат: новый stateRoot, receiptsRoot"

Engine API

Engine API — это JSON-RPC интерфейс между EL и CL. Три ключевых метода:

Ключевые концепции модуля

В этом модуле мы последовательно разберем:

Связь с криптографией

Всё, что мы изучили в модуле “Криптографические основы”, напрямую применяется в Ethereum:

Обратите внимание: Ethereum использует Keccak-256 (NOT SHA-3 NIST), а Bitcoin использует SHA-256d (double SHA-256). Это разные хеш-функции.

# Ethereum: Keccak-256 (до стандартизации NIST SHA-3)
from eth_hash.auto import keccak

address_bytes = keccak(public_key_bytes)[-20:]
# Для справки: Keccak-256 и SHA3-256 дают РАЗНЫЕ результаты
# для одного и того же входа из-за различий в padding

# Bitcoin: SHA-256d (double SHA-256)
import hashlib
result = hashlib.sha256(hashlib.sha256(data).digest()).digest()

Практика

В этом модуле мы будем работать с локальным Ethereum-узлом через Hardhat и Anvil:

# Запуск локального Ethereum-узла (Anvil):
docker compose -f labs/ethereum/docker-compose.yml up -d

# Hardhat + ethers.js (TypeScript):
cd labs/ethereum
npx hardhat test

# Foundry + Forge (Solidity tests):
forge test

# Взаимодействие через cast:
cast balance 0xf39Fd6e51aad88F6F4ce6aB8827279cffFb92266 --rpc-url http://localhost:8545

Вы будете писать смарт-контракты на Solidity, тестировать их с помощью Hardhat (ethers.js/viem) и Foundry (Forge), и деплоить на локальную ноду Anvil.

Что дальше?

В следующем уроке мы подробно разберем модель аккаунтов Ethereum: два типа аккаунтов (EOA и Contract), четыре поля состояния (nonce, balance, storageRoot, codeHash) и как состояние изменяется при каждой транзакции.