【区块链基础】web3 入门必知的基本概念

区块链的基本概念

1. 分布式账本

区块链（Blockchain） 是一种 分布式记账技术，通过密码学和共识机制，实现了去中心化、不可篡改的数据存储与传输。它的核心是由多个 “区块” 按时间顺序串联而成的链式数据结构，每个区块记录着一定时间内的交易或数据，区块之间通过加密哈希值连接，形成一个安全、透明的分布式账本。

分布式账本（Distributed Ledger） 是一种在 多个参与者节点之间共享、复制和同步的数据库，是区块链技术的核心组成部分。

与传统中心化账本（如银行数据库）不同，分布式账本没有单一的中心管理者，数据通过共识机制在全网节点达成一致，具有 去中心化、不可篡改、透明可追溯 等特性。

特点

• 去中心化

  • 不依赖单一的中心化机构，通过多个节点共同维护和验证数据。
    • 账本数据存储在网络中的多个节点（计算机），而非集中于单一服务器。
    • 节点间通过P2P网络直接通信，无需中心化中介（银行、政府等）验证交易

• 不可篡改性

  • 所有节点都会存储相同的记录，任何人篡改数据都会被网络中的其他节点检测到。
  • 数据通过密码学哈希算法（如 SHA-256）链接成链式结构，每个区块包含前一区块的哈希值。
  • 若篡改某一区块数据，需同时修改后续所有区块及全网多数节点的数据，成本极高（需掌握全网 51% 算力）。

• 透明性

  • 分布式账本的所有数据对参与者都公开可见，任何人都可以验证账本内容的真实性
  • 所有参与者对数据的访问权限平等

2. 区块

区块是区块链的基本数据单元，是区块链的基本组成单位，相当于一本 “数字账本的页”，按时间顺序记录一定数量的交易或数据，并通过加密技术与前后区块相连，形成不可篡改的链式结构。

区块结构

• 区块头 提供区块的原信息并链接其他区块，确保区块的顺序及数据完整性，包括版本号、前一区块哈希值、Merkle根哈希、时间戳、难度目标、随机数（仅存于PoW）。

• 区块体 储存区块的核心内容以及经过验证的交易数据（如转账、合约调用等）或其他记录。

  区块的生成过程 以比特币为例，区块的生成和验证流程如下：

1. 收集交易：矿工（记账节点）从网络中收集未确认的交易，组装成交易列表。
2. 构建 Merkle 树：将交易数据通过哈希算法逐层聚合，生成 Merkle 根哈希，存入区块头。
3. 计算区块哈希：矿工通过调整随机数，计算包含区块头所有信息的哈希值，使其满足当前网络的难度目标（如哈希值前 N 位为 0）。
4. 广播与验证：矿工将生成的区块广播到全网，其他节点验证交易合法性和哈希值有效性。
5. 链接到主链：验证通过后，区块被添加到区块链末端，成为主链的一部分，其中的交易被永久记录。

3. 共识算法

共识算法是区块链的信任基石，是用来确保所有节点对数据状态达成一致的机制，它确保网络中么有中心化权威的情况下，仍能安全的记录和更新数据，防止欺诈和双花（重复花费）。

常见的算法包括：

（1）. 工作量证明（PoW， Proof of Work） 代表：比特币、莱特币 原理：节点（矿工）通过计算复杂的数学问题（如哈希运算）竞争记账权，最先解出正确答案的节点获得记账资格和区块奖励（如比特币的 BTC）。 优点：机制成熟、安全性高、抗攻击性强 缺点：能耗高，效率低

（2）. 权益证明（PoS, Proof of Stake） 代表：以太坊2.0 原理：节点通过质押一定数量的代币（如 ETH）获得记账权，质押量越大、时间越长，被选中记账的概率越高。 优点：低能耗、交易速度快 缺点：存在 “富者恒富” 问题（质押越多，收益越高），可能引发中心化风险。

（3）. 委托权益证明（DPoS, Delegated Proof of Stake） 代表：EOS、Tron 原理：代币持有者投票选出固定数量的 “超级节点”（如 EOS 的 21 个节点），由它们轮流记账。 优点：高效、低能耗，适合商用 缺点：中心化风险较高（少数节点掌握话语权），需依赖社区投票机制。

（4）其他共识算法

• Practical Byzantine Fault Tolerance（PBFT）：联盟链， 通过 “共识节点投票” 达成一致，分为 预准备（Pre-Prepare）、准备（Prepare）、提交（Commit） 三阶段。 只要恶意节点不超过总节点数的 1/3，即可保证一致性（拜占庭容错）。
• Proof of Space/Time（PoSpace/PoST）：通过硬盘存储空间证明取代算力（如 Filecoin）。
• Proof of Authority（PoA）：依赖可信节点（如政府、企业）背书，用于私有链 / 联盟链。
• Directed Acyclic Graph（DAG）：非链式结构，通过交易间相互验证达成共识（如 IOTA、Nano）。

4. 哈希算法

哈希函数是一种加密算法，可以将任意长度的输入数据映射为固定长度的输出值，用于数据完整性校验和唯一性验证。

特点

• 单向性 哈希算法是不可逆的，即无法从哈希值反向推算出原始数据。
• 高敏感性 输入数据的细微变化会导致哈希值完全不同。
• 抗碰撞性 不同的输入生成相同哈希值的可能性极低

链上交互

1. 账户

Web3 账户 是用户在区块链网络中的数字身份载体，用于存储加密资产（如代币、NFT）、签署交易和访问去中心化应用（DApp）。与传统互联网账户（依赖用户名 / 密码 + 中心化服务器）不同，Web3 账户基于密码学原理，完全由用户自主控制，无需信任第三方。

（1）账户的核心要素

• 私钥

  • 本质：一串随机生成的长字符串（如 64 位十六进制数），是账户的唯一 “所有权证明”。

  • 作用：

    • 签署交易：证明用户对账户的控制权（类似手写签名）。
    • 生成公钥：通过椭圆曲线算法（如 SECP256K1）由私钥推导出公钥。

  • 安全性：私钥必须严格保密，一旦泄露，资产可能被窃取。

• 公钥

  • 本质：由私钥生成的加密字符串，可公开分享。

  • 作用：

    • 生成地址：通过哈希算法（如 SHA-256、RIPEMD-160）由公钥压缩得到账户地址（类似银行账号）。
    • 验证签名：确保交易确实由对应私钥签署，防止伪造。

（2）账户类型

• 外部拥有账户（EOA） 由私钥直接控制的账户，通常由用户通过钱包管理。能主动发起交易，只能存储代币和支付Gas费，不能存储代码或运行逻辑。

• 智能合约账户 由区块链上的代码控制，行为由与定义逻辑决定。无法主动发起交易，只能在收到 EOA 或其他合约调用时响应。

（3）账户模型 区块链的账户模型用于存储和管理用户的资产和交易记录。常见的有 UTXO 模型（未使用交易输出）和账户余额模型。

• UTXO 模型

  UTXO模型交资产视为不可分割的硬币，账户中的余额是未消费交易输出的集合，每次交易会花费已有的 UTXO，并创建新的 UTXO。

  代表链： 比特币

  示例： Alice 持有两个 UTXO，一个为 3 BTC，另一个为 2 BTC。当她支付 Bob 4 BTC 时，系统会“消费”这两个 UTXO，并生成一个新的 1BTC 找零 UTXO。

• 账户余额模型 类似银行账户，直接记录存储用户账户的余额和状态。 代表链： 以太坊、EOS、币安智能链 示例： Alice 的以太坊账户有 10 ETH。当她转账 2ETH 给 Bob 后，其余额变为 8 ETH，而 Bob的余额增加至 2 ETH。

2. 智能合约

智能合约（Smart Contract） 是运行在区块链上的 自动执行程序，其核心是将传统合同条款编码为代码，当预设条件满足时，无需人工干预即可自动执行交易或操作。它通过区块链的去中心化、不可篡改特性确保执行的可靠性，是 DeFi、NFT、DAO 等应用的技术基石。

特点

1. 自动化
2. 不可篡改
3. 透明性

工作机制

• 合约部署 合约一经部署会生成固定合约地址，所有代码规则都被写入区块链，无法更改或删除。
• 合约调用 用户通过钱包或Dapp 调用智能合约的函数，提交交易或触发逻辑
• 写入区块 区块链节点验证交易，并根据合约逻辑更新区块链状态

编程语言

• solidity 以太坊上开发智能合约的主要语言，是目前最流行的智能合约语言。它是一种面向对象的高级语言，语法类似JS和C++
• Rust 高性能、内存安全适合高吞吐量的区块链应用，应用于 solana、Polkadot、NEAR等
• Move 关注于资产管理和安全，目前应用于 Sui 和 Aptos.

3. 链上交易

链上交易是区块链状态改变的主要方式，每笔交易的基本生命周期包括创建、广播、打包、确认。

• 交易创建 用户通过钱包或合约交互生成交易，指定发送方、接收方和金额
• 交易广播 交易被发送到区块链网络，所有节点收到交易并验证合法性（如余额是否充足）
• 交易确认 矿工或验证节点将交易打包到区块中，添加到区块链上

web3 生态系统

钱包

钱包是一种管理加密货币和私钥的工具，帮助用户安全存储私钥，生成公钥地址，用于接收资产、发起交易以及与 dApp 交互。

钱包操作

• 私钥和地址 钱包通过私钥生成公钥地址，用于接收资产
• 交易签名 钱包使用私钥对交易进行加密签名，确保交易的合法性和不可否认性。
• 用户通过钱包连接 dApps，授权访问资金或执行智能合约

钱包类型

• 托管钱包 私钥由托管方存储和管理，用户通过账户名和密码访问钱包，常用于中心化交易所
• 非托管钱包 私钥由用户自行保存，完全掌握资产，丢失密钥意味着资产无法找回
• 热钱包 非托管热钱包通过互联网连接，适合日常交易和 dApp 交互，如 metamask.
• 冷钱包 非托管冷钱包将私钥离线存储以提高安全性，如 Ledger

去中心化应用(dApps)

DApp 是基于区块链构建的应用程序，数据存储在区块链上，由用户自行管理，应用开发者无法擅自修改数据或限制访问权限。

DAO

DAO 是一种去中心化的组织形式，基于区块链智能合约实现规则和治理，允许社区成员共同决策，无需传统的管理层。

社区成员通过持有代币或 NFT 而享有投票权，可以对协议或社区事务（如资金分配、项目方向）进行公开的链上投票表决。

代表项目：Agora.

DeFi

DeFi（Decentralized Finance）去中心化金融，是建立在区块链上的金融系统，无需银行等中介机构，提供借贷、交易、收益聚合等服务，用户直接通过智能合约操作。

特点

• 无中介：资金直接由用户控制
• 时效性：交易和清算由智能合约自动完成，时间是区块确认时间。
• 抗审查：任何人都可以参与，无需传统金融的准入条件审查和地域限制（如开户、资产要求等）

常见产品

• 去中心化交易所（DEX） 允许用户基于自动代币对做市商等自行买卖交易加密货币。代表有 uniswap、sushiswap等
• 借贷 允许用户在没有传统银行的情况下进行借款或放贷、用户可以将数字资产存入平台赚取利息，也可以借入数字资产支付利息。代表AAVE、Compound。
• 稳定币 通常与法定货币价格挂钩的加密货币，用于降低加密市场的波动性和便利支付。代表USDT、USDC。
• 质押和流动性挖矿 用户将一定数量的加密货币锁定在某个区块链网络或协议中，通过提供流动性到协议，赚取相应的代币奖励或利息。代表有Lido、EigenLayer、Yeam、Balancer 等。

NFT

NFT 被称为非同质化代币，其所有权和真实性由区块链验证，它具有唯一性、不可替代性和可证明的所有权，广泛用于艺术品、游戏资产和数字身份等领域。

特点

• 不可复制
• 可交易

应用

• 数字藏品
• 身份验证
• 数字证书