帳戶模型：餘額、nonce 與全域狀態

一本銀行帳本，而非一罐硬幣

上一篇你像比特幣那樣花錢：伸手到一罐彷彿摸得到的未花費硬幣（UTXO）裡，挑出湊得夠數的幾枚，整枚交出去，再把找零收回來。這行得通，但有點像買咖啡只能用你手上剛好面額的鈔票。現在改成想像你的銀行對帳單。銀行並不保管「你那幾張特定的鈔票」——它只記一個數字，也就是你的餘額，一筆付款不過是把你的數字調低、把別人的數字調高。後面這幅畫面就是帳戶模型，也是以太坊與多數智慧合約鏈記帳的方式。

這差別不只是口味問題。在 UTXO 的世界裡，根本沒有任何地方存著一個叫「Alice 的餘額」的東西——她的餘額是你的錢包掃描整條鏈、找出她能花的硬幣後算出來的。而在帳戶的世界裡，餘額是直接寫進帳本的第一級事實。這篇接下來的一切，都從這個設計抉擇衍生而來。

兩種帳戶

以太坊恰好有兩種帳戶類型，且共用同一套位址空間（一個 20 位元組／40 個十六進位字元的識別碼）。外部擁有帳戶（EOA） 由私鑰控制——這就是你的錢包所管理的東西，唯有一枚有效的數位簽章才能動用其資金。合約帳戶 則不靠鑰匙、改由程式碼控制；它是一份智慧合約，被呼叫時就執行。光看位址你分不出誰是誰，但鏈上為兩者保存的內容並不相同。

不論哪一種，每個帳戶都保存著相同的四個欄位。其中兩個——nonce 與餘額——所有帳戶都有；另外兩個——儲存根（storage root）與程式碼雜湊（code hash）——只對合約有意義，對 EOA 而言它們是空的。

// The state stored for ONE Ethereum account (the "account state")
Account {
    nonce:       uint    // EOA: number of txs sent. Contract: number of contracts it created.
    balance:     uint    // amount owned, in wei  (1 ETH = 10^18 wei)
    storageRoot: hash    // Merkle root of this contract's key->value storage (EOA: empty)
    codeHash:    hash    // hash of this account's EVM code               (EOA: hash of "")
}

EOA 只用到 nonce ＋餘額；合約則額外指向自己的程式碼與專屬的儲存樹。

全域狀態：一張巨大的地圖

如果每個帳戶是一筆紀錄，那麼全域狀態（world state） 就是整個檔案櫃：一張把每個位址對應到其帳戶狀態的單一映射。在概念上，它不過就是一本字典。

worldState = {
  "0xAlice...": { nonce: 3, balance: 5_000000000000000000, code: none      },  // EOA, 5 ETH
  "0xBob...":   { nonce: 0, balance: 2_000000000000000000, code: none      },  // EOA, 2 ETH
  "0xToken..":  { nonce: 1, balance: 0,                     code: 0x6080.., storageRoot: 0x9f.. }  // a contract
}

某一瞬間的全域狀態：誰存在、各自持有什麼。每產生一個新區塊，就會產出這張地圖的一個新版本。

當然，你沒辦法把上百萬個帳戶塞進一個區塊。所以以太坊並不把這張地圖存「在」區塊裡——它只把整張地圖的一枚 32 位元組指紋，也就是狀態根（state root），存進區塊標頭。這枚指紋正是一棵 Merkle Patricia Trie（默克爾帕特里夏樹）的根：一棵以位址為鍵、建立在 Keccak-256 之上的雜湊樹，於是任何帳戶的任何改動——哪怕只搬動了一個 wei——都會改變這個根。這正是帳本能「一改就露餡」的原因：一個節點拿到整份狀態後，能立刻驗算它是否雜湊到全鏈共識的那個根，這跟先前某篇講到的區塊交易 Merkle 根，是同一個把戲。

所以一個區塊其實根本不含餘額。它含的是對狀態的一份承諾（commitment），外加一串把前一個狀態轉換成現在這個狀態的交易。執行這些交易，就是所謂的狀態轉移函數：`新狀態 = apply(舊狀態, 區塊.交易)`。說到底，整條鏈就是一份人人都能重新跑一遍、並達成一致的公開狀態轉移紀錄。

一筆轉帳的解剖

重頭戲來了。在 UTXO 的世界裡，匯款意味著挑硬幣、組裝輸入與輸出、再把找零繞回給自己。而在帳戶模型裡，一筆轉帳簡單到近乎難為情：扣掉發送方，加給接收方。 我們連同 gas 一起，照節點實際的做法把它走一遍。

Alice 有 5 ETH，nonce 為 3。她簽署一筆交易，要把 1 ETH 寄給 Bob（Bob 原有 2 ETH）。假設打包進鏈要付 0.001 ETH 的 gas 費。一個驗證中的節點會這樣檢查並套用它：

簽章：從簽章中還原出發送方，確認它就是 Alice 的位址。沒有有效簽章，就沒有交易。
Nonce 檢查：交易的 nonce 必須等於 Alice 目前的帳戶 nonce（3）。不能是 2（已用過），也不能是 4（跳太前面）——必須剛好是下一個。
餘額檢查：Alice 的餘額必須足以涵蓋金額＋手續費，即 5 ≥ 1 ＋ 0.001。成立。
套用效果：從 Alice 扣掉 1.001（→ 3.999），加 1 給 Bob（→ 3.0），並把 0.001 付給區塊的手續費收受者。
遞增 nonce：把 Alice 的 nonce 設為 4，永久讓這筆交易退場，使它再也無法被套用第二次。

def apply_transfer(state, tx):
    sender = recover_address(tx.signature, tx)      # 1. who signed?
    acct   = state[sender]
    assert tx.nonce == acct.nonce                   # 2. exactly the next nonce
    fee = tx.gas_used * tx.gas_price
    assert acct.balance >= tx.value + fee           # 3. can she afford it?

    acct.balance            -= tx.value + fee        # 4. debit sender (value + gas)
    state[tx.to].balance    += tx.value              #    credit recipient
    state[coinbase].balance += fee                   #    pay the block producer
    acct.nonce              += 1                      # 5. retire this tx forever
    return state

整筆轉帳就是一次狀態轉移。注意接收方完全不必「接受」任何東西——他們的餘額就這麼漲了上去。

Nonce：每個帳戶的私人計數器

nonce 在上面默默做了關鍵的工，所以我們把聚光燈打在它身上。對一個 EOA 而言，它就只是「這個帳戶至今送出過的交易數量」——一個每帳戶各自的計數器，從 0 開始，每送出一筆就恰好加一。它一口氣解決了兩個問題。

排序。 由於每筆交易都必須依序使用下一個 nonce，網路對你送出的所有東西都有一個毫不含糊的順序：nonce 5 不可能搶在 nonce 4 之前被處理。防重放。 一旦 nonce 3 被礦工打包、你的帳戶前進到 nonce 4，攻擊者若把你那筆已簽好的 nonce-3 交易複製下來重新廣播，就會被拒絕——它已對不上你目前的 nonce。這正是重放攻擊，而 UTXO 是用另一種方式防範它（一枚硬幣一旦花掉，就乾脆不在 UTXO 集合裡了）。

這條依序規則帶來一個錢包必須處理的實務後果。如果你廣播了 nonce 4 卻卡住了（手續費太低），接著又廣播 nonce 5，那麼第二筆在 4 先動之前根本無法被打包——它卡在一個 nonce 缺口後面。解法是 nonce 管理：用更高的手續費重送 nonce 4（即「以費換位／replace-by-fee」），或在 nonce 4 發一筆什麼都不做的 0-ETH 交易來清出通路。這就是為什麼一筆凍住的待處理交易，會把你後面所有交易全卡死。

帳戶對上 UTXO：真正的取捨

兩種模型沒有誰單純「比較好」——它們各自交換了不同的東西，這也是為什麼比特幣與以太坊各自選了最契合自身目標的那一個。

帳戶的勝場。 這套模型很直覺（就是銀行餘額），交易更小更簡單（不必張羅輸入／輸出或找零），而且——這是決定性的——帳戶讓一份智慧合約有了一個帶著持久、可變狀態的安穩住所。一份代幣合約可以維護一張 `balances` 映射，年復一年就地更新。正是這種與「有狀態程式」的契合，成為以太坊選擇用帳戶來當「世界電腦」的核心理由。

UTXO 的勝場。 各自獨立的硬幣可以平行驗證——兩筆無關的 UTXO 花費不會碰到任何共用資料，而從同一個帳戶發出的兩筆轉帳，卻會爭搶同一個餘額與同一個 nonce，被迫只能依序處理。UTXO 在預設下也較不洩漏隱私（每筆付款換一個全新找零位址很容易），而一個帳戶位址卻會累積一份永久、可被串連的歷史。此外，一枚 UTXO 的有效性更為自足，這讓輕用戶端的證明更簡單。

現在，帳本記帳的兩大流派你都掌握了，也懂了把帳戶鏈綁在一起的那個全域狀態。下一篇，我們會跟著一筆組裝完成、已簽好的交易，離開你的錢包、穿過網路、進入區塊——正是這趟旅程，把這一切狀態變成一筆獲得確認的付款。