钱包开发基础 - 区块链的基础及链的基本结构

什么是区块链

要想开发一个钱包项目，首先要理解一些区块链的基本概念。

简单来说，区块链就是一个以链式结构组织而成的去中心化的账本。其最本质的作用是用于记账，区块链上面任何项目都是基于记账这个概念衍生而来的。

区块链的结构

区块链的结构是怎样的？

区块链的结构从宏观来看，非常简单，就是链表的结构。其区块内有两个最核心的属性 Hash 和 Parent Hash，其中 Hash 可以理解为这个区块的唯一标识，Parent Hash 记录了上一个区块的 Hash。正是因为每个区块都记录了上一个区块的 Hash，从而使得每个区块都是以链式的结构组织起来。

账本中的账，记录在哪里？

既然区块链是一个账本，那他的账单，记录在哪里？毫无疑问，账肯定记录在每一个区块中。它是以一个二叉默克尔树的树状结构组织起来的。（默克尔树是什么，见默克尔树详解跳转链接）我们以区块 2 为例，拆解下交易的组织结构：

从上图，我们可看出，区块链中的交易账单，记录树状结构的最外层。在默克尔树中，叶子节点记录了交易的 Hash，非叶子结构记录了它的两个叶子节点的二次 hash（ father = H(son1, son2) ）。一直追溯到最顶层的 hash，就作为区块的 hash。这样的结构，保证了一个区块出现后，其交易账单的不可变性。因为哪怕有一个交易被篡改了，最顶层的 hash 都不可能正确。

Hash 函数

Hash 函数成为单向散列函数。简单理解就是，随便给定一个输入，得到一个不可倒推的固定输出。其有几种特性：

• 单向不可逆：只能从输入推导到输出，输出不能逆推输入。
• 抗 hash 碰撞：hash 碰撞指的是，不同输入得到相同的输出。有这个可能，但很难找到不同的输入得出相同的输出，可以理解为近似于不可能。

在比特币中的默克尔树构建，正是使用了Sha-256 这个 Hash 函数来构建。比特币中为了更安全，使用的是双重 hash，即：H1 = SHA256(SHA256(tx1))。

创建的 Hash 算法有：

1. SHA1、MD4、MD5：已被破解，不用于安全场景，但可用于简单消息摘要。
2. SHA256: 安全，比特币中构建默克尔树使用。
3. Keccak256: 安全，以太坊中默认使用到 hash 算法。
4. Blake2、Blake3：安全，输出可变长，高性能，新一代的 hash 函数。

共识算法

了解共识算法之前，我们先来看区块链中一笔交易的大致生命周期。

1. 交易创建：用户创建一笔交易，包含发送目标、金额、手续费等。
2. 交易广播：将交易发送给 RPC 节点, RPC 节点收到后会把交易广播出去。
3. 进入内存池：所有收到交易消息的节点会将合法交易放入自己的内存池，等待打包。
4. 打包交易：矿工（验证者）将交易打包起来，进行出块，发送到区块链。共识算法正是作用在这一阶段。
5. 确认：交易已上链（交易完成。有些链有最终态，则可认为交易完成）

有了上述概念，我们可以得知：共识算法是决定谁能打包交易进行出块的一种算法，用于决定哪个矿工节点获得出块权利。

没有共识算法，会有什么问题？

如果没有共识算法，那么交易谁都能进行打包出块，那便破坏了区块链的 “链” 的结构了（链只能单向下去，不会分叉成树，哪怕有短期分叉，最终也会选取最长的一条路径走下去）。 并且，如果没有共识算法，有两个矿工同时出块，某笔交易会出现被打包两次（或更多次）的情况。那一笔资金就会被消耗两次（双花攻击），这显然是不可容忍的。

下面我们来看两种最常见的共识算法：

PoW：工作量证明

PoW 是比特币采用的共识算法，工作量证明的核心是，通过 CPU 的计算一个数学上的难题，谁先算出来谁就能记账出块。 其核心由一个公式组成： Hash(nonce + data) <= target data 是固定的，target 为计算的难度，可以调整。比特币节点正是通过计算在这个范围内的 nonce 来获取出块的权利，谁先算出来，谁就有用这个出块记账的权利。

PoS：质押证明

PoS 是以太坊2.0采用的共识算法，它的核心思想是：通过质押代币而非消耗算力去决定记账权。它的运作流程是：

1. 节点需要质押 ETH 来成为验证者（矿工）节点
2. 出块权利通过系统筛选（随机+权重）来确定谁可以出块
3. 出块后通过进行共识委员会验证区块内交易可靠性，投票决定区块是否最终成功。
4. 成功出块获得奖励，作恶会被罚没 ETH。

好了，区块链的基础核心我们暂时先讲到这，下一章我们将会来讨论区块链中使用到的一些加密、签名算法。