Thumbnail image

区块链基础知识

  • 26/6/2025

理解区块链技术的核心概念，包括分布式账本、密码学原理、共识机制等基础知识。

1.1 区块链概念与原理

什么是双重支付

双重支付是指同一笔数字货币被重复使用两次或多次。

在数字货币系统中，由于数字信息可以被复制，如果没有合适的机制，就可能出现同一笔钱被支付给多个接收者的情况。

为什么数字签名无法解决点对点通信中的双重支付问题

数字签名的作用是验证交易的真实性和完整性，确保交易是由私钥的持有者发起的，并且在传输过程中没有被篡改。

但是，数字签名并不能确保同一笔钱没有被花过两次。因为数字签名只关注单次交易的有效性，而不涉及这笔钱之前是否已经被花费。

图解说明

步骤1：Alice 发起交易1（支付给 Bob）

┌─────────┐
│ 交易1   │ → 数字签名有效 ✅
└─────────┘
（Alice 的 1 BTC 支付给 Bob）

步骤2：Alice 同时发起交易2（支付给 Charlie）

┌─────────┐
│ 交易2   │ → 数字签名同样有效 ✅
└─────────┘
（Alice 的 *同一笔* 1 BTC 支付给 Charlie）

结果： 两笔交易签名均有效，但系统无法自动识别哪笔应被拒绝。

如何真正解决双重支付？

区块链的解决方案

通过 分布式账本 + 共识机制 实现：

  1. 交易顺序化：所有交易按时间顺序记录在区块中
  2. 全局状态验证：节点检查货币是否已被花费（追溯交易历史）
  3. 共识规则：冲突交易中，只有最先被确认的交易有效

区块链防双重支付图解

区块0：创世区块
    └─ 交易0：Alice 获得 1 BTC（未花费）

区块1（先确认）
    └─ 交易1：Alice → Bob（1 BTC）
        → 验证通过：交易0的1 BTC *未花费* ✅

区块2（后确认）
    └─ 交易2：Alice → Charlie（1 BTC）
        → 验证失败：交易0的1 BTC *已在区块1花费* ❌

什么是区块链

区块链是一种分布式数据库技术，将数据存储在按时间顺序链接的区块中。每个区块包含一批交易记录和指向前一个区块的哈希值，形成一个不可篡改的链式结构。

分布式账本技术

分布式账本是一种在多个节点之间共享和同步的数据库，每个节点都保存完整的账本副本。这种设计消除了对中央权威机构的依赖，提高了系统的透明度和可信度。

区块链的特点

  1. 去中心化：无需中央权威机构
  2. 透明性：所有交易记录公开可查
  3. 不可篡改：已确认的交易无法修改
  4. 共识机制：通过算法确保网络一致性
  5. 匿名性：用户身份通过公钥地址保护

1.2 密码学基础

哈希函数

哈希函数是一种将任意长度的输入数据转换为固定长度输出的算法。在区块链中，哈希函数用于：

  • 创建区块的唯一标识
  • 验证数据完整性
  • 构建默克尔树结构

数字签名

数字签名使用公钥密码学原理，确保：

  • 身份验证：证明交易发起者身份
  • 完整性：确保交易内容未被篡改
  • 不可否认性：发起者无法否认已签名的交易

默克尔树

默克尔树是一种二叉树结构，用于高效验证大量数据的完整性。区块链使用默克尔树来：

  • 快速验证交易是否包含在区块中
  • 减少数据传输量
  • 支持轻量级客户端

1.3 共识机制

工作量证明 (PoW)

工作量证明要求矿工解决计算密集型的数学问题来创建新区块。特点：

  • 安全性高：需要大量计算资源才能攻击
  • 能耗大：需要大量电力进行挖矿
  • 去中心化：任何人都可以参与挖矿

权益证明 (PoS)

权益证明根据持有代币的数量和时间来选择验证者。特点：

  • 能耗低：无需大量计算
  • 环保：更加可持续
  • 经济激励：验证者有经济动机诚实行为

其他共识算法

  • 委托权益证明 (DPoS)：代币持有者投票选择验证者
  • 实用拜占庭容错 (PBFT)：适用于联盟链
  • 权威证明 (PoA)：基于身份验证的共识

1.4 区块链网络类型

公有链

完全去中心化的区块链，任何人都可以：

  • 参与网络
  • 查看所有交易
  • 提交交易
  • 参与共识过程

例子：比特币、以太坊

私有链

由单一组织控制的区块链，特点：

  • 访问受限
  • 交易速度快
  • 隐私保护好
  • 中心化程度高

联盟链

多个组织共同维护的区块链，介于公有链和私有链之间：

  • 半去中心化
  • 准入控制
  • 性能较好
  • 适用于企业间合作

1.5 比特币案例研究

比特币白皮书解读

中本聪在2008年发布的比特币白皮书首次提出了：

  • 点对点电子现金系统
  • 无需第三方的价值传递
  • 使用工作量证明解决双重支付

比特币网络架构

用户钱包 → 交易广播 → 内存池 → 矿工打包 → 区块确认
    ↓           ↓          ↓         ↓         ↓
  生成交易   → 网络传播 → 等待确认 → 挖矿竞争 → 链上记录

交易验证流程

  1. 语法验证：检查交易格式
  2. 数字签名验证：验证发起者身份
  3. 余额验证：检查是否有足够余额
  4. 双重支付检查：确保UTXO未被花费
  5. 共识确认：等待网络确认

学习资源

实践练习

  1. 阅读比特币白皮书，理解其核心思想
  2. 搭建比特币测试网络，体验交易过程
  3. 实现简单的哈希函数，理解密码学原理
  4. 分析真实的比特币交易，了解数据结构

Web3-学习 区块链基础知识学习web3