区块链基础(一)

Web3

由于对 Web2.0 中心化控制和隐私问题的担忧，人们开始探索建立一个更加分散的、由用户主导的网络，这就是 Web3.0 早期的雏形。

经过多年的发展，Web3.0 的理念逐渐形成。这一阶段强调去中心化，旨在解决数据的所有权和隐私问题。利用区块链、智能合约和分布式存储等技术，用户可以拥有并控制自己的数据，不必将信息托付给中心化的服务提供商，同时也降低了数据泄露的风险。

这个时代也带来了一些问题。尽管用户可以自由地创造和分享内容，但这些内容及相关的数据实际上被运营这些平台的科技公司所控制。用户虽然是内容的生产者，但对于自己的数据并没有真正的所有权。这导致了一系列的隐私和安全问题，用户的个人信息有可能被不当使用或泄露。

Web3 是建立在区块链技术之上的下一代互联网。它强调去中心化，即没有中心化的控制机构来管理数据和资源。

在 Web3 的世界里，用户对自己创造的内容和数据拥有真正的所有权，从而摆脱对传统中心化平台的依赖。此外，Web3 通过智能合约和区块链技术实现的不可篡改和透明性特征，可以促进信任的建立，降低欺诈和中介成本。Web3 还激发了新的商业模式和经济系统，如去中心化金融（DeFi）、非同质化代币（NFTs）和去中心化自治组织（DAOs）等等。

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web3 赛道

Web3 致力于构建一个去中心化、由用户主导的下一代互联网。在这个生机勃勃的领域中，广泛分布着各种类型的赛道，涵盖了去中心化金融（DeFi）、非同质化代币（NFT）、去中心化自治组织（DAO）、去中心化身份（DID）、社交金融（SocialFi）、游戏金融（GameFi）和基础设施等关键领域。每个赛道都孕育出了具有创新性和影响力的经典项目，从为用户提供金融自主权 的 DeFi 协议，到赋予数字创作独特身份的 NFT 市场，再到通过 DAO 促进群体决策的平台。每个赛道都是 Web3 世界的一个关键支点，共同构建起一个更加开放、透明和包容的数字未来。

去中心化金融

去中心化金融（Decentralized Finance，简称DeFi）是基于区块链、智能合约技术的金融服务和应用，允许用户直接通过智能合约进行金融交易。与传统的中心化金融（ CeFi ）不同，DeFi 不依赖中央权威或中介机构来提供金融服务。在 DeFi 生态中，传统金融中的银行、经纪人和其他中介机构被智能合约所代替，一切都是通过代码来自动运行的，并且是开放透明的，任何人都可以参与验证。

非同质化代币

非同质化代币（Non-Fungible Token，简称NFT）是一种特殊类型的加密资产，它建立在区块链技术之上，通过智能合约保证其唯一性和稀缺性。与传统的加密货币（如比特币或以太坊）不同，每个 NFT 都有独特的身份标识。每个 NFT 就像一件有独特编号的艺术品或收藏品，比如一幅画或一枚限量版邮票，因为它们各自有不同的价值和特征，所以你不能简单地把它们进行交换。

非同质化代币具备唯一性和所有权的不可篡改性，这为数字内容创造者提供了将作品货币化的方式。

去中心化自治组织

去中心化自治组织（Decentralized Autonomous Organization，简称DAO）是一种基于区块链技术的创新组织形式，它不同于传统的中心化管理结构。在 DAO 中，权力和决策过程是分散的，对于重大的问题，比如资金分配、规则制定和项目发展方向等，不是由单个领导或小团体决定，而是由持有组织代币的成员共同投票决策。DAO 通过把规则写入代码中，由智能合约来自动执行，确保了规则的确定和透明。

去中心化自治组织允许成员在没有中央管理者的情况下共同做出决策，这样的组织形式能够促进更加公平和透明的决策过程，同时也增强了社区成员之间的协作。

社交金融

社交金融（Social Finance，简称 SocialFi），结合社交网络和去中心化金融（ DeFi ）的特点，通过区块链技术，实现了社交互动的同时进行资产的生成、交换和增值。与传统社交平台不同的是， SocialFi 平台让用户在参与社交活动如发帖、评论、分享内容时得到实质性的经济奖励，比如代币或 NFT，同时保证了他们对自己数据的所有权和控制权。这种模式打破了传统社交网络的利益分配机制，将价值回馈给内容创造者和社区成员。

游戏金融

游戏金融（Game Finance，简称 GameFi）是一种结合了加密货币和非同质化代币（ NFT ）的游戏模式，玩家可以在虚拟的游戏世界中参与活动，并通过这些活动获得实际的经济回报。这种游戏模式赋予玩家拥有资产的所有权和交易能力，允许他们自由地买卖、交换或投资这些资产。GameFi 项目往往集成了 DeFi（去中心化金融）的功能，如流动性挖矿、借贷和收益农场，使玩家在享受游戏乐趣的同时，还能参与到复杂的金融活动中。

去中心化身份

去中心化身份（Decentralized Identity，简称 DID），是一种基于区块链技术的身份认证方式，使得用户无需依赖于任何中心化组织或服务提供商，就能够拥有并控制自己的身份信息。在这个系统中，用户的身份数据被加密并分散存储在区块链网络上，用户可以自主管理其身份证明和相关数据，使用私钥进行安全验证，以此确保身份信息的可靠性和隐私性。

去中心化身份为用户提供了身份数据主权和隐私保护，一个典型的 DID 项目例子是 ENS（ Ethereum Name Service ），它允许用户将复杂的以太坊钱包地址转换为易读易记的域名，如“ alice.eth ”，从而简化了转账过程，并且提升了用户体验。此外，这些域名也是用户在 Web3 世界的身份标志，通过 ENS，用户可以更方便地管理和展示自己的去中心化身份。

基础设施赛道

基础设施赛道为整个 Web3 生态系统的运行提供了必需的底层技术支持，就像建筑需要坚固的地基那样，基础设施提供一系列的关键技术组件，包括区块链协议、智能合约平台、节点网络、分布式存储和跨链互操作协议等，这些组件确保了所有应用和服务能够安全、高效地运行。

基础设施赛道为 Web3 生态提供了稳固的根基，使得开发者能够构建出更加复杂、功能丰富的去中心化应用。典型的基础设施非常多，比如，以太坊（Ethereum）提供了一个智能合约平台，允许开发者在上面创建各种去中心化应用；IPFS（InterPlanetary File System）是一个分布式存储网络，解决了数据存储与传输的问题；而 Polkadot 和 Cosmos 等项目则致力于解决区块链间的互操作性问题，允许不同的区块链网络之间进行信息和价值的传递。这些基础设施项目是 Web3 生态发展的基石，对于推动整个行业的创新和成熟起着至关重要的作用。

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web3 未来发展趋势

Web3 作为区块链技术的一个重要发展阶段，代表了去中心化、无需许可和分布式网络的理念。当前，Web3 尚处在不断演进与完善之中，面临的挑战包括技术成熟度、用户体验、安全性、以及法律法规等方面的不确定性。例如，在以太坊中，交易耗时长，交易费用昂贵，智能合约漏洞导致黑客攻击频繁发生等等。未来随着技术的不断创新和监管框架的建立，这些问题有望得到逐步解决。

从共识机制的角度

共识机制是 Web3 生态中的重要组成，其发展决定着网络的安全性和去中心化程度。

工作量证明机制（PoW）因其耗费大量电力资源而受到批评，而更加环保的权益证明机制（Pos）则受到更多青睐，除此之外，Web3 生态还发展出了其他多种共识机制，以提供更高效、更安全的网络。随着技术的发展，我们可以期待更多的共识机制出现，以满足日益增长的区块链应用需求。

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如何参与 web3

Web3 作为下一代互联网，为人们提供了一个去中心化、由用户控制的网络环境。普通人可以通过创建数字钱包、购买和交易加密货币、及参与 NFT 市场等方式参与到 Web3 中。

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分布式账本和去中心化

中心化与去中心化说明:

中心化账本

传统的银行和金融机构使用中心化的账本系统，所有的交易信息都存储在银行的内部数据库中。这种模式让银行成为数据和资金流的控制中心，虽然便于管理，但是也存在着一些弊端。比如个人信息可能存在泄露的风险，一旦银行的系统遭受黑客攻击或内部人员滥用权限，用户的财务数据和个人隐私可能会被非法获取，甚至被用于欺诈和盗窃。

分布式账本工作原理

你所在的班级有一笔公共经费，这笔经费只能用于班级公共开支，每个同学都有自己的一个小本子（这就是去中心化），每当有经费收入或支出时，所有人都会在自己的本子上记录下来。这样，即便有少部分同学的记录出现差错，班级经费的管理仍然能够维持其透明度与可信度，因为每个人都持有一份相同的记录，因为每个人都持有一份相同的记录，这种分散记录的账本就叫分布式账本。使用分布式账本，如果某位同学需要篡改经费开支记录，必须联合一半以上的同学同时修改，这样的修改难度会随班级人数的增加而增加，篡改成功的难度非常大。

每一条区块链都是一个分布式账本，所有的交易记录不是存放在一个中央服务器上，而是分散存储在网络中的所有计算节点中，每个节点都有一份交易账本的拷贝，这些拷贝是完全相同且实时更新的。当有新的交易发生时，这个交易会被发送到网络中的所有节点，并通过矿工验证确保其有效性。一旦交易被验证，它就会被添加到账本的最新页面上，也就是区块中，并且这个过程是不可逆的，一旦记录下来，就无法被篡改或删除。

比特币，作为第一个成功的加密货币，也是分布式账本的典型应用。比特币网络由超过10000个活跃的全节点组成，这些节点遍布全球各地，任何人都可以运行一个节点，参与到网络的维护中来。节点的多样性与地理分布性，确保了网络的健壮性和抗审查能力。

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区块链数据结构

区块链作为 Web3 生态的核心基础设施，相当于一个分布式数据库，用于存储全球范围内的交易数据、智能合约、用户身份信息和各种类型的去中心化应用（dApps）数据。

以太坊区块链从上往下可以依次分解为：区块链、区块、交易三个层次，其中的交易数据、收据数据、状态数据和账户数据都分别存储在四棵默克尔树中。

区块链

区块链是一系列数据块（即“区块”），通过特定的方式相互连接，形成的一条链。每个区块都包含前一个区块的哈希值，称为 父哈希值（Parent Hash），这是前一个区块内容的唯一标识符。通过这种方式，每个区块都与前一个区块相连接，形成了一条从第一个区块（创世区块）到最新区块的连续链条，这就是“区块链”。

注：第一个区块里无父哈希值。

区块链图示说明:

区块

区块链中的每一个区块，都由两个部分组成：区块头（Header）和区块体（Body）。

区块头

区块头里包含了一个区块的基本信息，主要包括：

• 父哈希值（parentHash）：记录前一个区块的哈希值。
• 时间戳（timestamp）：记录区块创建的具体时间。
• 随机数（nonce）：用于工作量证明（PoW）机制中的挖矿过程。
• 难度目标（difficulty）：表示挖矿的难度。
• 币基（coinBase）：标识矿工的账户地址。

另外，区块头里还记录了三个非常重要的根哈希值：

• 状态树根（stateRoot）：表示了区块链的状态树的根哈希值，状态树记录了所有账户的状态信息，如余额、合约代码等。
• 收据树根（receiptRoot）：表示收据树的根哈希值，收据树记录了交易执行的结果，如交易是否成功、交易费用等。
• 交易树根（transactionRoot）：表示交易树的根哈希值，交易树包含了区块中所有交易的信息。

区块体

区块体里存储了该区块中的所有交易数据，即所有交易哈希的列表。

交易

在以太坊中，交易代表从一个账户向另一个账户发送资产或消息的行为。当用户发起一笔交易时，以太坊客户端或钱包软件将会构造交易数据。交易数据主要包含如下字段：

• nonce：发送方账户的交易计数器，统计该账户在此区块链中的总交易次数。
• gasPrice：发送方愿意为每单位 gas 支付的价格。
• gasLimit：发送方为这次交易设置的最大 gas 消耗量。
• to：接收方的账户地址。
• value：要传输的以太币数量。
• data：智能合约相关的字节码。
• v, r, s：交易签名，由发送方的私钥生成。

交易数据构造完成后，钱包将使用用户的私钥对整个交易进行签名，并将签名结果（ v, r, s ）加入交易数据中，然后对整个交易数据（不包括签名）计算哈希值，交易哈希是交易数据的唯一标识符，确保了交易的唯一性和不可篡改。

例如，Alice 想要发送 1 ETH 给 Bob，Alice 的账户地址是 0x123…ABC，Bob 的账户地址是 0x456…DEF。Alice 的账户已经执行过5笔交易，所以她的下一笔交易的 nonce 为6。当前的 gas 价格是 20 Gwei，她设置的 gas limit 是21000（标准以太坊转账所需的gas费）。Alice 不调用任何合约，所以 data 字段为空。

• nonce: 6
• gasPrice: 20000000000 (20 Gwei)
• gasLimit: 21000
• to: 0x456…DEF
• value: 1000000000000000000 (1 ETH)
• data: 0x
• v, r, s: 签名数据

Alice 的钱包会把这些交易数据进行打包和签名，然后生成交易哈希，并将这个交易广播到以太坊网络。矿工将确认这笔交易并将其加入新区块，一旦成功，1 ETH 就会从 Alice 的账户转移到 Bob 的账户。

交易收据

在以太坊中，当一笔交易完成后，会生成“交易收据”（ Transaction Receipt，又叫交易回执）。交易收据记录了交易执行的基本信息，是交易被包含在区块链中的重要证据。

每个交易收据包含的信息有：

• transactionHash：交易哈希值，用于唯一标识一笔交易。
• transactionIndex：交易在所在区块中的索引位置。
• blockHash：包含该交易的区块哈希值。
• blockNumber：包含该交易的区块编号。
• from：发起交易的地址。
• to：交易的目标地址。
• cumulativeGasUsed：当前区块中累积消耗的 Gas 量。
• gasUsed：这笔交易所消耗的 Gas 量。
• contractAddress：如果交易用于创建合约，则表示合约地址；否则为 null。
• logs：交易过程中产生的事件日志。
• logsBloom：布隆过滤器，用于快速检索交易日志。
• status：交易执行的状态码，表示成功或失败。

默克尔-帕特里夏树 Merkle Patricia Tree

以太坊每天的交易量达到数百万笔，如此多的交易数据是如何存储的呢？这里采用了一种名为Merkle Patricia Tree（MPT）的数据结构，这是一种特殊类型的默克尔树（Merkle Tree）。我们先了解一下基本的默克尔树。

默克尔树

也称为哈希树（Hash Tree），这棵树的叶子节点是数据块的哈希值，非叶子节点是其子节点的哈希值串联后再次进行哈希计算的结果，这样可以确保数据的完整性。如图所示，节点值的计算方法为：

哈希 A=Hash (数据 A );
哈希 B=Hash (数据 B );
哈希 E=Hash (哈希 A+哈希 B );

帕特里夏树

也称为压缩前缀树，这棵树既可以利用字符串的公共前缀来减少查询时间，又可以通过压缩无分支的节点来节省空间。

默克尔-帕特里夏树

结合了默克尔树（ Merkle Tree ）和帕特里夏树（ Patricia Trie ）的优点，既可以验证数据的完整性，也可以快速检索状态信息，非常适合用作以太坊中的数据存储。在每个区块里，分别有一棵默克尔-帕特里夏树来存储交易数据、收据数据、状态数据和账户数据。

总结

我们对以太坊区块链的数据结构有了一个基本了解，可以用下面一张图来总结，它是一种高度复杂且精妙的设计，它整个系统能够安全地记录和验证交易，同时保证了网络的去中心化特性。

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哈希函数

哈希函数的概念可以追溯到20世纪50年代，当时它主要用于数据结构中，如哈希表，用来快速定位和检索数据。后来哈希函数经历了一系列的发展，旧的标准不断被更安全的新标准所替代：

MD4—>MD5—>SHA0—>SHA1—>SHA2—>SHA3

目前最先进的标准是 SHA-3，SHA-3 基于 Keccak 算法，由比利时密码学家设计，并在2015年成为 NIST 的标准。

哈希函数是一种将任何长度的数据转换成一个固定长度的字符串的方法。在区块链中，哈希函数使得每笔交易和每个区块都变得独一无二，保证了数据的安全性和不可篡改性，是区块链中的核心工具。

什么是哈希函数

哈希函数，也称为散列函数。它将任意长度的输入（通常称为“消息”），通过数学算法转换成固定长度的字符串，这个输出通常称为哈希值、散列值、消息摘要或者数字指纹。下图以 SHA3-256 哈希函数来展示，无论输入什么，输出都是一个长度为64的十六进制字符串。

哈希算法的特征

1、正向快速：无论输入的长度有多大，都能够快速计算出哈希值。比如把一个字符或者一本书的所有文字作为输入，都可以快速计算出哈希值。

2、逆向困难：通过哈希值，无法在有限时间内逆向推出输入。比如通过哈希值0x8a5e1d339fafc39350fd8cf1d7ca7982091c27f6b77f75bd4ddab3df425b4f8c，无法逆向推出输入是123.

3、输入敏感：输入的微小变化，会导致输出的显著变化。比如123和124的哈希值千差万别，看上去没有任何关联。

4、避免碰撞：很难找到两个不同的输入，使得输出的哈希值一致（即发生碰撞）。比如很难找到除123之外的另一个输入，使它的哈希值也是0x8a5e1d339fafc39350fd8cf1d7ca7982091c27f6b77f75bd4ddab3df425b4f8c.

5、不可预测：通过输入无法预测输出，所以挖矿时随机数nonce只能从1开始累加。

哈希函数在区块链中的应用

1、确保交易数据的完整性和不可篡改性。每笔交易的哈希值都是独一无二的，任何细微的数据变化都会导致哈希值的巨大变化，使得网络参与者能够迅速发现交易数据被篡改的行为。

2、将各个区块串联起来形成区块链，每个区块包含前一个区块的哈希值，从而确保了链上数据的连贯性和不可逆性。

3、用于构建 Merkle 树以高效验证数据。

4、实施工作量证明机制来增强区块链的安全性，通过解决计算难题来限制新区块的生成速度。

哈希函数还与非对称加密结合，为交易提供数字签名，确保了交易的真实性。这些应用共同，保障了区块链网络的安全性和可靠性。

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非对称加密和公私钥体系

对称加密

在对称加密中，加密和解密使用相同的密钥。意味着发送方和接收方必须事先共享这个密钥，并且都必须保守这个密钥的秘密。

由于小明和小红使用的是同一把钥匙（对称密钥），所以这个过程被称为对称加密。

对称加密存在一个问题，如果钥匙在传递过程丢失（密钥泄露），可能导致保密信件中的内容被别人看到。为了解决这个问题，非对称加密应运而生。

非对称加密

非对称加密解决了密钥分发问题，使用一对不同的密钥：公钥和私钥，来进行数据的加密和解密。公钥和私钥需要配对使用，公钥可以公开发放，任何人都可以用它来加密信息，但只有持有私钥的人才能解密这些信息。因此，即使公钥是公开的，没有私钥的人也无法读取加密信息的内容。

1、小红生成了一对密钥：一个公钥和一个私钥。小红将她的公钥发送给小明，而私钥由自己来保管，不会发给任何人。

2、小明得到小红的公钥后，使用公钥对信件内容进行加密，然后将这封加密的信件发送给小红。由于信件是用小红的公钥加密的，即便有人在途中截获了信件，没有小红的私钥，他们也无法解开信件内容。

3、当小红收到加密的信件时，她用自己的私钥对信件进行解密，阅读信件内容。

私钥是唯一能够解开加密信息的钥匙，其他任何人即便拥有公钥也无法解密。通过这种方式，小明和小红确保了保密信件内容的安全性。

公私钥体系

公私钥体系是非对称加密的基础。在这个体系中，每个用户都有一对密钥：公钥和私钥，公钥是公开的，而私钥只能由用户自己保管。公私钥体系基于密码学原理，任何人都无法从公钥推导出对应的私钥。除了非对称加密之外，公私钥体系还有一个核心功能：数字签名 .

对称加密快速但在密钥传递上存在风险，而非对称加密则在保护密钥传递方面提供了一个更安全的解决方案。

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数字签名和交易验证

使用公钥进行加密，使用私钥进行解密，这样可以确保信息传输的安全性。小明和小红正是使用了非对称加密技术，才使得保密信件的内容在传递过程中不被泄露。

但是仅仅使用非对称加密来保护信件内容是不够的，因为小红的公钥是公开的，任何人都可以使用它来加密信息，假冒小明发送给小红。为了确保小红收到的信件确实来自小明，这里还需要另一种机制来验证消息的真实来源，这就是数字签名技术。

数字签名

数字签名技术使用私钥进行加密，使用公钥进行解密和验证，它能够验证消息是否由指定的发送者发出，并且在传输过程中没有被篡改，以确认信息的完整性和认证发送者的身份。

我们以小明给小红发送保密信件来举例，他们不仅使用了非对称加密技术，还使用了数字签名技术。

1、第一步：计算签名。小明先使用自己的私钥对消息密文进行加密，得到消息密文的签名，再将签名附加到消息密文中一起传输，发送给小红。

2、第二步：恢复签名。小红收到消息密文和签名之后，使用公开获得的小明的公钥对签名进行解密，得到消息密文。

3、验证签名。小红将收到的密文和解密签名恢复出来的密文进行对比，如果两者一致，则签名验证成功，说明收到的信件确实是小明发出的，同时还能证明信件在传输过程中没有被修改。

因为公私钥加密算法执行比较慢，如果消息比较大，签名过程会消耗很长时间。所以在实际应用中，一般先计算消息的哈希值，再计算哈希值的签名，这样可以减少签名耗时。

交易验证

在以太坊中，数字签名技术用于交易验证，确保交易的真实性、完整性。交易验证主要有如下几步：

1、用户签名交易。用户将交易数据准备好后，先计算出交易数据的哈希值，再使用椭圆曲线签名算法（ECDSA）对哈希值进行签名，将签名值（v,r,s）附加到交易数据中进行广播。

2、矿工验证交易。矿工接收到一笔交易之后，同样，先计算出交易数据（不含签名）的哈希值，再使用椭圆曲线签名算法（ECDSA），从签名和哈希值中恢复出用户公钥。最后将恢复出的公钥与用户钱包地址做对比，如果两者一致，则交易验证成功。

为了方便理解，可以简单的认为用户钱包地址就是公钥。但是请注意，实际上两者并不相等，用户钱包地址是由公钥先经过哈希计算，再取末尾20个字节而来的。

数字签名小结

数字签名是一种使用私钥加密、公钥解密的技术，它保证了消息的真实性和完整性。通过这种方式，可以验证信息确实由发送者发出，并且在传递过程中未被篡改。这在加密货币交易中非常重要，可以用来确保交易的安全性。

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工作量证明（PoW）

POW 的概念最初并非为加密货币而生，它在1993年由 Cynthia Dwork 和 Moni Naor 提出，用于抵御电子邮件服务中的垃圾邮件攻击。其基本思想是：要求用户在发送电子邮件之前，先计算一个和邮件内容相关的数学难题，并将计算结果附加在邮件上才能被邮件服务器接收。

具体流程如下：

1、用户编写一封邮件。

2、用户发送邮件前必须先解决一个工作量证明问题，通常是找到一个符合特定条件的数字（ nonce ），比如将邮件内容和这个数字的组合后，使用哈希函数计算出的哈希值前面有4个零。用户在电脑上进行计算，找到这个数字之后，将其附加到邮件上，然后发送。

3、邮件服务器接收到邮件和附加的数字，快速验证工作量证明是否正确（即检查哈希值是否符合要求）。

4、如果工作量证明是正确的，邮件就会被发送至目标邮箱；如果不正确，则拒绝发送。

工作量证明的计算过程需要消耗一定的计算时间和资源，对于正常用户来说，这个额外的工作量是可接受的，因为它不会影响正常的邮件发送。然而，对于垃圾邮件发送者来说，他们通常要发送成千上万封的垃圾邮件，这个计算过程要消耗大量的时间和资源。通过这样的机制，使得垃圾邮件的发送成本大幅增加，从而有效地减少垃圾邮件的数量。

为什么要使用 PoW 机制

2008年，一个化名为中本聪（ Satoshi Nakamoto ）的人将 PoW 机制应用于比特币的创建过程中。

比特币是一个去中心化的分布式网络，当用户发起一笔新的交易后，网络中不存在一个中央权威来验证和确认交易。为了抵御恶意攻击，需要一种机制来确保所有网络参与者（节点）对交易记录的有效性和区块链的状态达成一致。POW 机制解决了这个共识问题，可以为比特币网络提供去中心化的安全保障，使得网络的运行不依赖于任何单一实体，以确保网络的安全性。

交易验证方式：中心化网络 VS 去中心化网络

在传统的中心化金融网络中，每一笔交易都需要通过一个或多个中央权威的审核和确认，如银行、清算所、监管机构等，这些中央权威拥有对交易数据的访问权，并负责保证交易的安全和合规性。

相比之下，比特币等去中心化的区块链网络则通过分布式账本和共识机制来实现交易的验证和确认，无需中心化的权威机构。

PoW 机制工作原理

在比特币网络中，PoW 要求矿工通过解决一个数学难题来创建新的区块。这个数学难题实际上是在 1~2^256 之间找到一个数值（nonce），使得区块头信息的哈希值小于或等于网络当前的难度目标（target）。这个过程被称为 挖矿 。随着网络中的算力不断变化，为了确保创建区块创建的间隔时间相当，挖矿的难度目标（target）也会不断调整。

PoW 机制案例详解

举一个简单的例子来解释 PoW 机制的工作过程，我们的目标是找到一个nonce值，使得区块头信息的哈希值小于或等于难度目标（ target ），即哈希值以三个零开头。

难度目标：000fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff

矿工在打包交易后，产生的新区块头信息如下：

版本：1
上一个区块的哈希值：00065981574f0735bd36230451d837d12ad19f671a6d76ab0eefc6d55a7e8bec
Merkle 根：b3a24bbaff8d6de77c2a021e0f3f4a9e8a2f0dbd0ea1eea9ece5f2f424a2bd5b
时间戳：1582215247
难度指数：1d00ffff
Nonce：0（开始尝试的 nonce 值）

矿工的任务是不断改变 Nonce 值（从0开始累加），重新计算区块头的哈希值，直到找到一个小于或等于难度目标的哈希值。矿工开始尝试不同的 Nonce 值：

1、第1次尝试 (不满足条件)：Nonce：1，哈希值：fae998a99254508c137f0c535f8f25fbb69e7cc6af78a7f365546a87314dab77

2、第2次尝试 (不满足条件)：Nonce：2，哈希值：001a744a87365442d2593d896bda9942a128fa4c7acb3a47b0dd98c77fb67216

3、第3次尝试 (不满足条件)：Nonce：3，哈希值：0b3468b4bbc3f1614d592daeff613564ab1678694562a5e0033afa7e71bfffcc

4、第23568次尝试 (满足条件，哈希值以三个零开头)：Nonce：23568，哈希值：00019c284da6661956525526eba9e09d474257b33a221130de29db6b926caca6

当尝试了23568次之后，即 Nonce 值为23568时，矿工找到了一个满足条件的哈希值（以三个零开头），这就意味着挖矿成功，新的区块可以被添加到区块链上。此时其他节点的矿工将验证这个区块是否符合难度要求，一旦验证正确，矿工将停止本次挖矿，立即开始下一个区块的挖矿。

这是一个简化版的挖矿。在现实中，比特币网络的难度目标更加复杂，矿工通常需要尝试数十亿次 Nonce 值，才能找到符合条件的哈希值。新区块被添加到区块链上之后，创建区块的矿工将获得一定的代币奖励，比如2024年比特币减半后，挖矿奖励是3.125个比特币。

最长链原则

在比特币网络中，有大量的矿工在同时挖矿，很容易同时出现多个合法区块，导致区块链分叉。分叉后新创建的区块将添加到哪条链中呢？

此时矿工遵循最长链原则，默认选择最长的一条链，即总算力最大的链，作为有效链继续挖矿，因为最长链代表了网络中最大的工作量。

小结

PoW 机制有效的解决了去中心化分布式网络中的共识问题，允许系统中的各个节点在没有中央权威或相互信任的情况下达成一致，至今已成为许多加密货币广泛使用的共识算法。PoW 机制也使得对系统的攻击变得非常困难，因为攻击者需要控制超过50%的网络算力才能影响区块链的状态（51%攻击）。

然而，PoW 机制也有劣势，例如高能耗和潜在的中心化风险。2014年 GHash.IO 矿池的算力一度占到了全球比特币网络算力的一半以上，它理论上有能力进行“51%攻击”，引起社区的广泛关注，后来 GHash.IO 自愿降低了自己的算力份额，承诺不会超过全网的39.99%。

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权益证明（PoS）

在区块链技术发展初期，最广为人知的共识机制是 PoW 工作量证明。然而，随着时间的推移，人们逐渐意识到 PoW 机制存在一些问题，例如电力能耗巨大和算力集中化，网络去中心化的特性受到威胁。为了解决这些问题，权益证明机制（Proof of Stake, 以下简称 PoS）应运而生。

PoS 工作原理

与 PoW 机制不同，PoS 机制不依赖于算力竞争。参与者通过质押一定数量的加密货币，来获得成为区块创建者（也称为验证者）的资格。

每次创建新区块时，区块链协议会从所有质押的验证者中随机抽选一名，当被抽中的验证者创建一个区块后，其他节点将会对该区块进行验证。如果验证通过，该区块就会被添加到区块链上，并且创建者将获得一定的加密货币作为奖励。每个验证者被抽中的概率与质押的金额大小有关，通常质押越多的验证者被抽中的机会越大。例如，在以太坊2.0版本中，验证者至少需要质押32个以太币（ETH）才有资格创建区块。通过这种方式，PoS 机制实现一个更高效、更节能的区块链网络。

我们来举一个例子，介绍权益证明机制的工作过程：假如小明有一定数量的以太币（ETH），他希望成为以太坊网络的验证者。

1、第一步：质押 ETH。小明将32个甚至更多的 ETH 转入以太坊的存款合约中，这些ETH将作为质押锁定在合约中，质押后小明就拥有了被提议的资格。

2、第二步：抽取验证者。假如小明比较幸运，质押后不久就被区块链协议选中为验证者，来创建下一个区块。

3、第三步：创建区块。当小明被选中后，他将负责在指定的时间内创建一个新区块。于是小明开始收集网络上未确认的交易，并验证这些交易的有效性，将它们打包成一个新的区块，广播到网络中。

4、第四步：验证区块。其他节点接收到这个新区块后，就会对区块进行验证。一旦验证正确，新区块就会加入区块链中，小明也将获得一定的区块奖励和交易费用作为回报。

小结

PoS 机制大幅降低了网络运行所需的能源消耗，并通过经济激励（如交易费用和区块奖励）鼓励持币者参与到网络中。此外，PoS 机制还设有惩罚措施，如“质押削减”，如果验证者行为不当或试图攻击网络，他们将失去一部分或全部质押的代币。总的来说，PoS机制通过奖励和惩罚的手段鼓励验证者诚实地行事，共同维护以太坊网络的安全和稳定。

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常见的共识算法

在区块链技术中，除了著名的工作量证明（ PoW ）和权益证明（ PoS ）两种共识机制外，还有很多其他的共识算法被采用。

历史证明（PoH）：PoH 旨在通过创建一个可信的时间记录来验证事件的顺序和时间，使得网络参与者可以在没有互相通信的情况下验证事件发生的先后顺序。

实用拜占庭容错算法（PBFT）：用于容忍系统内一定比例的节点存在恶意行为的情况，确保全网能够达成一致。PBFT 非常适用于私有或联盟链。

委托权益证明（DPoS）：这是一种增强版的 PoS，用户将投票权委托给少数代表，这些代表负责验证和添加新的区块到区块链。DPoS 旨在提高网络的可扩展性和交易速度。

权威证明（PoA）：在 PoA 中，交易和区块的验证是由预先选定的、受信任的节点（验证者）完成的。这些节点通常会因为身份的公开而承担责任，适用于那些需要速度和效率的网络。

纯权益证明（Pure PoS）：PPoS 消除了 PoS 中的潜在中心化问题，通过随机选择验证者来确保网络的去中心化和安全性。

空间证明（PoSpace）或容量证明（PoC）：这类算法基于网络参与者提供的存储空间大小来选择区块生产者，它的优点是对电力能源的消耗较低。

认证证明（PoAuth）：类似于 PoA，但 PoAuth 要求验证者的身份是公开的，他们通常是由社区信任的人或公司。

随着区块链技术的进步，共识算法也在不断演进，向更高效、安全、去中心化的方向发展。另外，未来人工智能也将提升共识机制的性能和可靠性，推动区块链技术向更高层次演进。

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