主要设计
以太坊项目的基本设计与比特币网络类似。为了支持更复杂的智能合约，以太坊在不少地方进行了改进，包括交易模型、共识、对攻击的防护和可扩展性等。
智能合约相关设计
运行环境
以太坊采用以太坊虚拟机作为智能合约的运行环境。以太坊虚拟机是一个隔离的轻量级虚拟机环境，运行在其中的智能合约代码无法访问本地网络、文件系统或其它进程。
对同一个智能合约来说，往往需要在多个以太坊虚拟机中同时运行多份，以确保整个区块链数据的一致性和高度的容错性。另一方面，这也限制了整个网络的容量。
开发语言
以太坊为编写智能合约设计了图灵完备的高级编程语言，降低了智能合约开发的难度。
目前 Solidity 是最常用的以太坊合约编写语言之一。
智能合约编写完毕后，用编译器编译为以太坊虚拟机专用的二进制格式（EVM bytecode），由客户端上传到区块链当中，之后在矿工的以太坊虚拟机中执行。
交易模型
出于智能合约的便利考虑，以太坊采用了账户的模型，状态可以实时的保存到账户里，而无需像比特币的 UXTO 模型那样去回溯整个历史。
UXTO 模型和账户模型的对比如下。
| 特性 | UXTO 模型 | 账户模型 |
|---|---|---|
| 状态查询和变更 | 需要回溯历史 | 直接访问 |
| 存储空间 | 较大 | 较小 |
| 易用性 | 较难处理 | 易于理解和编程 |
| 安全性 | 较好 | 需要处理好重放攻击等情况 |
| 可追溯性 | 支持历史 | 不支持追溯历史 |
共识
以太坊目前采用了基于成熟的 PoW 共识的变种算法 Ethash 协议作为共识机制。
为了防止 ASIC 矿机矿池的算力攻击，跟原始 PoW 的计算密集型 Hash 运算不同，Ethash 在执行时候需要消耗大量内存，反而跟计算效率关系不大。这意味着很难制造出专门针对 Ethash 的芯片，反而是通用机器可能更加有效。
虽然，Ethash 相对原始的 PoW 进行了改进，但仍然需要进行大量无效的运算，这也为人们所诟病。
社区已经有计划在未来采用更高效的 Proof-of-Stake（PoS）作为共识机制。相对 PoW 机制来讲，PoS 机制无需消耗大量无用的 Hash 计算，但其共识过程的复杂度要更高一些，还有待进一步的检验。
降低攻击
以太坊网络中的交易更加多样化，也就更容易受到攻击。
以太坊网络在降低攻击方面的核心设计思想，仍然是通过经济激励机制防止少数人作恶：
- 所有交易都要提供交易费用，避免 DDoS 攻击；
- 程序运行指令数通过 Gas 来限制，所消耗的费用超过设定上限时就会被取消，避免出现恶意合约。
这就确保了攻击者试图消耗网络中虚拟机的计算资源时，需要付出经济代价（支付大量的以太币）；同时难以通过构造恶意的循环或不稳定合约代码来对网络造成破坏。
提高扩展性
可扩展性是以太坊网络承接更多业务量的最大制约。
以太坊项目未来希望通过分片（sharding）机制来提高整个网络的扩展性。
分片是一组维护和执行同一批智能合约的节点组成的子网络，是整个网络的子集。
支持分片功能之前，以太坊整个网络中的每个节点都需要处理所有的智能合约，这就造成了网络的最大处理能力会受限于单个节点的处理能力。
分片后，同一片内的合约处理是同步的，彼此达成共识，不同分片之间则可以是异步的，可以提高网络整体的可扩展性。
