最近经常和一些朋友聊到区块链相关内容，很多人对区块链的理解只停留在数字货币，对整个区块链及其相关衍生物的了解程度都比较低，我来整理一下最基本的区块链工作原理及知识，以做科普。

区块链？

区块链概念最早可以追溯到中本聪时间。2008年中本聪提出了加密数字货币和相关加密算法的概念，从这个时间起，区块链就逐渐的开始在互联网上生根发芽。最早期大部分人都认为比特币是一个骗局，因为这种货币既没有实体，也没有实际价值（注意区分价值和价格，最早期价格也许有，但是价值是确实没有的），所以在最早期持有持有比特币的那一群人在领到mint后的不久都分分出售了手中的BTC，所以现在币圈很难见到手上有上千个BTC的投资者，如果从2012年持续持有BTC的话，现在的收益已经会有几千倍了，从BTC的市值就不难看出，web3在近些年的发展有多迅速了。

那么，现在有一个现实的问题，区块链就是加密货币吗？加密货币是否就是区块链的全部？

区块链原理（基于Ethereum 主网）

先从区块链这三个字进行解读，这个词可以拆分为区块和链两部分，区块顾名思义，就是一个一个的数据块，链就是一个链条，组合起来就可以把区块链解释为数据块组成的一个数据链条。我们可以用程序语言来理解这个数据结构就很容易被接受了：

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type Block struct {
    Header       *Header         // 区块头（核心元数据）
    Transactions []*Transaction  // 交易列表
    Uncles       []*Header       // 叔块头（以太坊特有）
}

type Header struct {
    ParentHash  common.Hash    // 前一个区块哈希（32字节）
    UncleHash   common.Hash    // 叔块哈希的Merkle根
    Coinbase    common.Address // 矿工地址
    Root        common.Hash    // 状态树根哈希（关键！）
    TxHash      common.Hash    // 交易树的Merkle根
    ReceiptHash common.Hash    // 交易收据树的Merkle根
    Bloom       Bloom          // 日志过滤器
    Difficulty  *big.Int       // 当前区块难度
    Number      *big.Int       // 区块高度（BlockID的升级版）
    GasLimit    uint64         // 区块Gas上限
    GasUsed     uint64         // 本区块消耗的总Gas
    Time        uint64         // 区块时间戳
    Extra       []byte         // 额外数据
    MixDigest   common.Hash    // 随机数混合值
    Nonce       BlockNonce     // 工作量证明随机数（8字节）
}

这是一个简单的区块数据结构，可以看到每个区块中都会包含上一个区块的哈希，也就是只有上一个区块数据被打包固定后才会生成的一个唯一Hash，然后被记录到新的区块中，这个反向链表有以下一些优势：

  1. 整个链仅可以向后追加，且全链都不可以更改。因为任意节点的数据发生变化后，其区块Hash一定会变，那么后续所有区块中的ParentHash也都会发生变化，相当于来说从这个节点以后的所有数据都成了不可信或者废数据。

  2. 数据完整性验证优势。当一个节点同步区块链数据时，可以用下一个区块中存储的上一个区块Hash来校验上一个区块的数据是否合法。

  3. 可以通过一个区块高度查到所有这个区块前的数据。推广一下这个特性，也就是如果在某一个区块之后网络发生了不可逆的问题，也可以回滚到某一个时间点的数据以及所有交易记录（以太坊主网在 2016 年 DAO 攻击事件后进行了硬分叉，回滚了攻击发生后的状态，形成了今天的 Ethereum（ETH）与 Ethereum Classic（ETC）两条链。）

其实从上面说的这些特点可以看出，区块链是一个主要用来存数据的东西，所有历史数据都是不可被篡改的，这其实就是区块链最大的价值。那么既然区块链要存大量的数据，这些数据要怎么存呢？数据优势怎么正确的被存起来的？这个就要从区块链网络结构来切入都存储原理了。

区块链结构（Ethereum 主网）

Ethereum 主网网络的结构可以大概归纳为这样：

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看这个结构中有很多种类的节点，理解起来比较困难，那么我从完成一笔交易来解释整个网络工作的机制。

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比如，我的钱包发起 USDT 转账，本质是调用 USDT 合约的 transfer 函数。钱包构造交易并签名后，通过连接的 RPC 节点将交易广播到网络中的内存池。验证者从内存池中选取交易，在以太坊虚拟机（EVM）中执行合约调用，计算状态变更，并将交易打包进候选区块。随后，验证者通过权益证明（PoS）共识机制达成共识，确认该区块的有效性。所有全节点再执行区块内交易以验证一致性，最终将该区块写入链上，更新 USDT 合约的账户余额状态。

共识机制

早期以太坊采用 PoW（工作量证明）共识机制，出块权由矿工的算力决定，算力越高的矿工越有可能优先挖出新区块。当矿工节点接收到新的交易后，会将其加入内存池，并开始对新区块进行哈希计算，试图生成一个满足全网难度目标的区块头。一旦某个矿工率先算出合法区块，会将其广播至全网，由其他全节点进行验证。只要该区块中的交易合法，且哈希值满足难度要求，该区块就会被接受并添加至主链。网络会向成功出块的矿工发放奖励，包括交易中的 Gas 费用和系统的区块奖励。

当前 PoW 共识机制已被淘汰，以太坊主网已全面转向 PoS（权益证明）机制。在 PoS 模式下，出块者由原先的矿工变为验证者，系统会根据质押的 ETH 数量进行加权随机选择，决定哪个验证者负责出块。区块生成后，其他验证者将对其进行验证，一旦共识达成，该区块就会被正式添加到主链中。出块验证者可以获得交易手续费（Gas）以及可能的 MEV 奖励。相比 PoW 模式，PoS 不再依赖高强度的哈希运算，验证节点的硬件要求和能耗显著降低，出块能力与其质押的 ETH 数量正相关。

数字货币金融属性的诞生

从上边的整个原理可以看到，无论是 PoW 还是 PoS 共识机制，出块行为都伴随着实际的资源消耗。PoW 依赖矿工的算力竞争，需要大量电力和硬件设备；而 PoS 虽然计算强度较低，但仍需质押资产、维持节点在线等资源投入，因此都具有一定的运行成本。

当用户在链上发起交易时，需要支付 Gas 费用（以太坊网络中以 ETH 计价），这笔费用最终由成功出块的矿工或验证者获得，以激励其参与网络安全维护。随后，这些获得的代币往往会被出售或兑换成其他资产，从而流入市场，进一步推动了整个数字货币交易生态的形成。

从这个角度来看，数字货币本质上是为支撑区块链运行而设计的一种激励机制，是区块链技术体系中的一种经济衍生物，而不是区块链的全部。

杞人忧天

当前以太坊已全面转向 PoS（权益证明）机制。在这种模式下，验证者被选中参与出块的概率与其质押的 ETH 数量成正比，质押越多，被选为出块者的机会也就越高。这种机制虽然提升了网络能耗效率，但也引发一些安全担忧，例如：某个质押量极高的验证者是否有可能通过作恶来干扰网络运行？

在PoS机制下，一旦验证者存在恶意行为，如双签（double signing）、发布无效区块、长时间离线等，网络将对其进行惩罚（Slashing），从其质押的 ETH 中扣除一定比例作为惩罚，情节严重时甚至会完全没收质押并将其剔除出验证者集合。被剔除后，该节点将不再具备出块权，也无法继续打包交易，对主网的影响也就自然终止。