区块链基础 ​

区块链是一种分布式数据库技术，通过加密和共识机制记录交易数据，形成不可篡改的链式结构。它作为去中心化系统的核心，支持加密货币、智能合约等应用，确保数据透明和可信。

什么是区块链？ ​

区块链由多个区块按时间顺序链接而成，每个区块存储交易数据，并通过哈希值与前一个区块关联。网络中的节点共同维护副本，无需中央机构即可验证和更新数据。

示意图：

区块1 [哈希值|交易列表] -> 区块2 [哈希值|交易列表] -> ...
  每个区块包含前一个区块的哈希，形成连续链

区块链的核心特点 ​

去中心化 ​

区块链数据分布在多个节点上，不存在单一控制点。节点通过点对点网络通信，共同参与数据验证和存储，避免单点故障。

示意图：

中心化系统:
  用户 -> 中心服务器 <- 用户
        (数据集中管理)

区块链系统:
  用户 <-> 节点A <-> 节点B
  用户 <-> 节点C <-> 节点D
  (每个节点存储完整数据副本)

不可篡改性 ​

一旦区块被添加到链上，修改其内容会改变哈希值，导致后续所有区块无效。这种机制确保历史记录难以被篡改。

示意图：

修改区块N:
  区块N哈希改变 -> 区块N+1哈希不匹配 -> 链断裂
  需要重新计算所有后续区块，计算上不可行

透明性和可审计性 ​

所有交易数据公开可查，任何用户都可以验证链上记录。区块链浏览器等工具允许实时查看交易详情。

示意图：

用户查询 -> 扫描区块链 -> 查看交易历史
  数据公开，无需权限即可访问

共识机制 ​

节点通过共识算法 (如工作量证明或权益证明) 达成一致，确保数据一致性。共识防止恶意行为并维护网络安全。

示意图：

工作量证明(PoW):
  节点竞争解决数学难题 -> 获胜者添加区块 -> 其他节点验证
权益证明(PoS):
  节点质押代币 -> 随机选择验证者 -> 验证交易并添加区块

安全性 ​

区块链使用非对称加密保护交易。用户拥有公钥和私钥，私钥用于签名交易，公钥用于验证身份。

示意图：

交易流程:
  用户用私钥签名 -> 广播到网络 -> 节点用公钥验证 -> 记录到区块

区块链的技术组成 ​

区块结构 ​

每个区块包含区块头和交易列表。区块头包括前一个区块的哈希、时间戳、随机数 (nonce) 和默克尔根 (交易数据的哈希摘要)。

示意图：

区块头:
  [前一个区块哈希|时间戳|随机数|默克尔根]
交易列表:
  [交易1|交易2|...|交易N]
默克尔树:
  交易哈希 -> 中间哈希 -> 根哈希
  用于高效验证交易完整性

哈希函数 ​

哈希函数 (如 SHA-256) 将任意长度数据转换为固定长度哈希值。轻微输入变化会导致输出巨大差异，确保数据唯一性。

示意图：

输入数据 -> 哈希函数 -> 输出哈希值
  例如: "Hello" -> SHA-256 -> "185f8db3..."
  修改为"hello" -> 完全不同的哈希

智能合约 ​

智能合约是自动执行的代码，部署在区块链上。当预设条件满足时，合约自动触发操作，如转账或状态更新。

示意图：

合约代码:
  if (条件A) { 执行动作X }
  else if (条件B) { 执行动作Y }
  部署后不可更改，在虚拟机中运行

点对点网络 ​

节点通过 P2P 协议直接通信，无需中央服务器。新交易和区块通过广播传播到整个网络。

示意图：

节点A -> 广播交易 -> 节点B、节点C...
  节点验证后转发，形成网络同步

共识算法细节 ​

• 工作量证明 (PoW)：节点通过计算竞争记账权，消耗能源但提供高安全性。
• 权益证明 (PoS)：节点根据质押代币数量被选为验证者，节能但依赖经济激励。

示意图：

PoW:
  节点计算哈希 -> 满足难度目标 -> 获得奖励
PoS:
  节点质押代币 -> 被随机选中 -> 验证交易并获得费用

区块链的工作原理 ​

交易发起后，节点验证其有效性并打包到候选区块。通过共识机制，网络确认区块并添加到链上。整个过程自动化，无需人工干预。

示意图：

用户发起交易 -> 节点验证 -> 打包到区块 -> 共识确认 -> 链上记录
  循环重复，形成增长链