sockingpanda`s blog

突发奇想了解了一波区块链技术

2024年12月27日30分钟阅读

前言

这段时间有了解到BOINC～～本身对天文学呀之类的玩意儿就非常感兴趣，于是就加入了einsteinathome，希望能够为搜索旋转中子星作出一份贡献～0f136ee4fadff368c626995455a0356b.svg

然后一拍脑袋，既然我能为这种面向大众的项目提供算力，为毛不自己去利用这份算力呢？

和 GPT 老师讨论了很久关于我可以用我的算力去做什么，结合我的偏好大概给了下面这些推荐：

  1. 深度学习模型开发与优化
  2. 科学计算与数值模拟
  3. 计算机图形学与游戏开发
  4. 高性能网络程序
  5. 图像与视频处理
  6. 区块链技术
  7. 加密与密码学
  8. 数据分析与可视化
  9. 自动化工具与实用程序
  10. 天文模拟

考虑到实用性和当前的兴趣排除了那些 不能够短期变现、出结果 的部分，发现无了……好好好，真就一点短期能做的都没有……7bc58171727eb9ab397f0d14853be22b.jpg

这里面关于区块链技术我是真一点都不了解，正好 GPT 老师推荐了，俺就乘机去了解一下～～

简单了解区块链技术

最大的特性就是：去中心化、透明性 和 不可篡改。

基于这些特性大概有这些使用场景：

  • 数字身份验证：

    • 个人可以使用区块链技术来创建和管理他们的数字身份，这些身份可以跨各种服务和平台使用。这种方式可以提高安全性并降低身份盗窗的风险。

  • 供应链追踪：

    • 个人创业者或小型企业可以使用区块链来追踪产品从生产到消费的全过程，确保其来源的透明性和真实性。

  • 智能合约：

    • 通过智能合约，个人可以自动化执行合同条款，例如租赁协议、版权管理等。智能合约的自动执行减少了纠纷和执行成本。

  • 个人财务和微支付：

    • 区块链可以用于个人财务管理和小额支付。比如，使用加密货币进行国际汇款通常比传统银行更快、费用更低。

  • 去中心化市场：

    • 个人可以参与或创建去中心化市场，比如艺术品交易、电子书销售等，这些市场通常提供更公平的价格设定和更低的交易费用。

  • 数据存储和管理：

    • 利用区块链的去中心化存储解决方案，个人可以更安全地存储重要文件和数据。这些解决方案提供抗审查和数据持久性的特点。

  • 投票和治理：

    • 个人可以使用区块链技术参与或创建透明、安全的电子投票系统，用于社区治理或其他需要公正投票过程的场合。

  • 版权保护和内容创造：

    • 内容创作者可以利用区块链来保护他们的知识产权，确保创作内容得到合法使用并从中获益。

这里面我对 数字身份验证、智能合约、去中心化市场、数据存储和管理、投票和治理、版权保护 这几个方向更感兴趣。感觉无论是做自己私有工具还是说未来开发程序都可以尝试借鉴、使用这部分相关技术。

比如：

  • 可以通过 “数字身份验证” 增加身份的安全性，用在需要更高安全级别保护的场景（当然，会牺牲一定的便捷性）。
  • 像 “智能合约”、“去中心化市场”、“投票和治理”、“版权保护和内容创造”，这几个部分可以结合起来一起搭建一个更为平等、富有创造力、有活力的社区！！这部分可以嵌入任意带有社交属性的程序或者游戏～～
  • “数据存储和管理”，这部分个人可能很难去使用，倒是这个安全性我觉得是非常不错的！有看到案例，数据分块、冗余存储，放在多个用户的位置，给予那些提供存储的用户对应的奖励来维护。

总体来说还是有相当多有意思的用法！！f2eafc1ebf07d0c3c55e9f8fc2b5e7d9.jpg

我擦，这个去中心化博客可太有意思了！！赶忙去了解了一波～2ba59de3c9d7901bd45a652ab5abe962.svg 嘿嘿，感觉区块链相关的技术中，这个是最容易去落地使用的～～e5067848902542befc860cbd1c3f4956.jpg

区块链技术

区块链基础概念

区块链本质上是一种兼顾： 去中心化、透明性 和 不可篡改 三大特性的分布式链表。

区块链是一个分布式的数据存储系统，它通过链式结构将所有区块有序连接。每个区块都存储当前区块的哈希值以及上一个区块的哈希值，从而确保区块之间的顺序和完整性。这种链式存储模式为数据的安全性和完整性提供了强大的保障。

在没有冲突的情况下，区块链不分叉，仅存在一条主链。

有冲突（链分叉）的情况下会通过 共识机制 来解决

区块链图示.png

区块的结构与核心组成

那么，区块究竟是什么呢？简单来说，区块是一个数据容器，里面记录了多笔交易以及区块链运行所需的关键信息。它的主要组成部分包括：

  • 时间戳：记录区块被创建的时间。

  • 区块号：标识区块在链中的位置。

  • 随机数（Nonce）：用于某些共识机制（如 PoW）解决哈希难题。

  • 验证者信息：记录负责创建该区块的节点。

  • 数据验证参数：例如根哈希值（Merkle Root），用于快速验证区块中所有交易的合法性。

  • 交易组：包含所有被打包进该区块的合法交易。

  • 其他信息：根据需求设计

参数可以根据自己的需求设计，这里仅仅是一个例子

区块与交易的关系

交易是区块的核心内容，表示用户在区块链上的操作，比如转账、存储数据地址或内容变更。区块和交易之间的关系可以理解为：

  • 一个区块是多个交易的集合。

  • 用户提交的交易先进入交易池，等待验证者（如矿工）打包。

  • 验证者通过共识机制验证这些交易的合法性后，将其存入新区块中并记录在链上。

区块链的设计让篡改交易变得极为困难。篡改一个区块会导致其后所有区块的哈希值失效，必须重新计算整个链的哈希值才能完成篡改。而区块内部采用的数据验证机制（如 Merkle 树）进一步提高了安全性，可以快速验证区块中的每一笔交易是否被篡改。

数据获取与去中心化优势

从区块链中获取数据无需依赖中心化的服务器或服务商。用户只需通过任意全节点即可访问整个区块链上的数据。这种去中心化的设计不仅提高了系统的可靠性，还消除了单点故障的风险，确保了数据的可用性和安全性。

数据存储与扩展性

由于全节点需要保存整条链上的数据，因此随着链的增长，存储成本也会大幅增加。如果考虑到链的可扩展性，通常交易中仅存放数据的地址，而不是全部数据。这时，可以结合 区块链数据库 或 IPFS 等去中心化存储技术来设计链的架构：

  1. 区块链数据库：

    • 将元数据和索引存储在区块链中，而将具体的大量数据存储在外部数据库中。

    • 提高链的查询效率和数据管理能力。

  2. IPFS（星际文件系统）：

    • 将数据分布式存储在节点网络中，并通过唯一的内容哈希值进行索引。

    • 提供了高效、去中心化的数据访问方式，与区块链的设计理念相辅相成。

链外存储中可能会有自己的节点（比如 IPFS），这个节点概念不等价于区块链中的节点

区块链数据库和 IPFS 在数据存储领域各有其优势和应用场景。区块链数据库偏向于高效的数据查询与业务整合，而 IPFS 更注重数据的去中心化存储和共享。二者结合可以为分布式应用和大数据存储提供强有力的支持。

节点类型与功能

区块链网络中的节点类型主要分为全节点和轻节点，它们在功能和存储需求上有所不同：

  1. 全节点（Full Node）：

    • 存储：保存整个区块链上的所有数据，包括所有交易和区块。

    • 功能：参与交易的验证与共识机制，为网络提供数据备份和验证服务。

    • 优势：确保数据的完整性和可追溯性，是区块链网络的核心。

  2. 轻节点（Light Node）：

    • 存储：仅保存区块链中的区块头，而不保存具体交易数据。

    • 功能：通过验证区块头的哈希值，与全节点交互获取所需的交易数据。

    • 优势：大幅减少存储需求，适合存储空间有限的设备或应用场景。

全节点兼顾访问和链的维护，可以理解为服务的提供方；轻节点不对链进行维护，一般是轻量访问。两种都能保证数据未被篡改。

共识机制的作用

节点之间通过预定的共识机制进行通信、验证交易和形成区块。共识机制是区块链网络中确保数据一致性的关键，常见的共识机制包括：

  1. 工作量证明（Proof of Work, PoW）：

    • 矿工通过算力竞争生成新区块。

    • 优点：安全性高。

    • 缺点：高能耗，扩展性较差。

  2. 权益证明（Proof of Stake, PoS）：

    • 根据节点持有的权益选出验证者。

    • 优点：节能环保，出块效率高。

    • 缺点：存在权益集中化的风险。

  3. 授权权益证明（Delegated Proof of Stake, DPoS）：

    • 社区投票选出验证者，验证效率更高。

    • 优点：高效快速，适合商业应用。

    • 缺点：去中心化程度可能较低。

区块链网络示意

区块链网络示意.png

交易的流程

区块链工作流程图.png

区块链与虚拟币

虚拟币是基于区块链技术发展出来的，它在保有三大特性的同时添加了许多规则，使得它具有更多的货币属性以及游戏性。

前面也有提到，整个区块链就是一个巨大的链表，它的实现中包含了大量的数据验证操作。基于它的“不可篡改”特性，区块链的长度越长，篡改数据所需要的计算量就越大。

正应如此，虚拟币才能被用户认可，并且基于它们发展出自己的生态。比如，最开始提到的 版权保护和内容创造 就能够很好地顺着虚拟币已有的生态去构建。

不同的虚拟币使用的共识机制不一定相同，这些共识机制是区块链的核心。

虚拟币的共识机制

  1. 工作量证明（Proof of Work, PoW）：

    • 通过算力竞争生成新区块，依赖大量计算资源。

    • 代表：比特币。

  2. 权益证明（Proof of Stake, PoS）：

    • 根据持有的权益随机选出验证者，节能环保。

    • 代表：以太坊 2.0。

  3. 授权权益证明（Delegated Proof of Stake, DPoS）：

    • 社区成员通过投票选出验证者，提高出块效率。

    • 代表：EOS。

  4. 拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance, BFT）：

    • 通过预设验证者的共识算法，适用于高性能应用。

    • 代表：Hyperledger Fabric。

虚拟币的生态构建

  1. 支付系统：

    • 许多虚拟币被用作支付工具，如比特币在部分电商和线下商店中使用。

  2. 智能合约：

    • 虚拟币生态中，智能合约允许用户在无需第三方的情况下自动执行协议。

    • 以太坊是智能合约的先行者。

  3. 去中心化金融（DeFi）：

    • 通过区块链提供金融服务，如借贷、交易和收益农业。

    • DeFi 大多依赖于稳定币和智能合约。

  4. NFT 和内容创造：

    • 非同质化代币（NFT）用于代表数字艺术品、音乐或其他独特资产。

    • 基于区块链的版权保护和内容分发平台为创作者提供新模式。

  5. 治理机制：

    • 部分虚拟币通过去中心化自治组织（DAO）实现社区自我管理。

    • 持币用户可以参与投票，决定项目的方向和资源分配。

基于 工作量证明（Proof of Work） 的虚拟币机制

好奇

不知道大伙儿是不是也这样，之前提到区块链第一反应就是：比特币、挖矿、投资之类的，至少我之前就是这个反应，问就是不碰～哈哈哈哈～～ 5f4aa3b5b810266f5ce3373cce050b8d.jpg

比特币网络、狗狗币 就是基于 PoW 机制的。PoW 机制下，矿工节点（代指争夺验证权的节点）通过调整一个称为 nonce 的随机数，迭代尝试生成符合目标条件的哈希值。一旦生成的哈希值满足条件，矿工会向整个网络广播区块信息，其他节点验证后认可该区块的有效性，矿工就能获得新区块的验证权。

哈希函数有一个显著特性，专业术语称为 “雪崩效应”，即输入的微小变化会导致输出哈希值的显著不同。这种特性使得争夺验证权需要大量算力支持和复杂的计算。

对于矿工而言，新区块的奖励主要来源于 区块奖励 和 交易手续费 两部分。

PoW 机制下的虚拟币发行，核心依赖于新区块的验证奖励。

PoW 机制下虚拟币的核心原理

  1. 区块奖励（Block Reward）：

    • 每生成一个新区块，成功验证该区块的矿工会收到一定数量的虚拟币作为奖励。
    • 奖励数量通常会随着时间逐步减少。例如，比特币每 210,000 个区块奖励减半（当前为 6.25 BTC/区块）。

  2. 交易手续费（Transaction Fee）：

    • 除了区块奖励外，矿工还可以获得打包交易时用户支付的手续费。
    • 手续费金额根据网络拥堵程度和用户愿意支付的费用动态调整。

  3. 竞争机制：

    • 矿工必须通过工作量证明算法解决一个复杂的数学问题（即找到满足条件的哈希值）。
    • 难度动态调整，以确保网络维持稳定的出块时间（如比特币的目标是每 10 分钟出一个区块）。

PoW 机制下虚拟币的经济模型

  1. 供应量控制：

    • PoW 机制通过编程控制虚拟币的总量（如比特币最大供应量为 2100 万）。
    • 随着区块奖励逐渐减少，新的币种发行速度会减缓。

  2. 挖矿成本：

    • 矿工需要消耗大量电力和硬件资源进行挖矿，这使得虚拟币具有实际成本支持。
    • 高算力的设备（如 ASIC 矿机）主导了挖矿市场。

  3. 通缩效应：

    • 随着区块奖励减少和总量限制，供需关系可能导致币值上升。
    • 手续费逐渐成为矿工的主要收入来源。

PoW 机制与虚拟币的安全性

  1. 防篡改性：

    • 区块链通过 PoW 机制确保区块链接的不可篡改性，篡改历史区块需要重新计算后续所有区块的哈希值。

  2. 51% 攻击：

    • 如果攻击者控制了超过 51% 的算力，就可以篡改链的状态。
    • 然而，这种攻击需要付出极高的成本（硬件、电力），同时会损害攻击者自身持有的虚拟币价值。

  3. 去中心化：

    • PoW 机制通过全网算力分布降低了单点故障的风险，提升了虚拟币系统的抗攻击能力。

PoW 机制虚拟币的优劣势

优点
  • 成熟与稳定：比特币的成功证明了 PoW 的可行性和稳定性。
  • 高度去中心化：算力分布较广时，网络更具安全性。
  • 透明与信任：通过公开的算力竞争确保公平性。
缺点
  • 高能耗：需要消耗大量电力进行哈希计算。
  • 算力集中：大矿场或矿池可能导致算力过于集中。
  • 交易确认时间较慢：如比特币的平均确认时间为 10 分钟。

总结

PoW 机制为虚拟币提供了强大的安全性和去中心化特点，但同时也面临高能耗和算力集中等问题。比特币的运行模式为 PoW 提供了绝佳的应用场景，但未来在能源效率和网络扩展性方面可能需要改进或替代方案，比如权益证明（PoS）。

基于 权益证明机制（Proof of Stake, PoS） 的虚拟币机制

权益权益，我第一次见到这个名词的时候就有种：西方、圆桌、议会制度，这种感觉～～或者是那种……长老院的感觉？？2ba59de3c9d7901bd45a652ab5abe962.svg

PoS（权益证明）是更为环保的“挖矿”方式。相较于 PoW 的高能耗和算力竞争，PoS 机制提供了一种通过持有权益（Stake）来决定验证权的方式。它不需要大规模消耗电力，却能够实现去中心化的共识，因此被认为是 PoW 的一种优化替代方案。

在 PoS 机制中，出块者（或验证者）并不是通过算力竞争选出，而是根据其持有的权益随机挑选。这种机制使得网络的运行更加节能，同时也为虚拟币的分发提供了新的可能。

PoS 机制下虚拟币的核心原理

  1. 权益选择（Stake Selection）：

    • 验证者需要锁定一定数量的虚拟币作为权益（Stake）。
    • 被选为验证者的概率与其持有的权益数量成正比。权益越多，被选中的概率越高。

  2. 出块权分配（Block Validator Selection）：

    • 系统通过随机算法（如可验证随机函数 VRF）选出验证者，确保公平性和不可预测性。
    • 验证者生成新区块并广播到全网，其他节点验证区块的合法性。

  3. 奖励机制（Reward Mechanism）：

    • 成功出块的验证者可以获得区块奖励（如新增虚拟币）和交易手续费。
    • 奖励机制鼓励更多的用户参与权益质押，维护网络安全。

PoS 机制下虚拟币的经济模型

  1. 供应量控制：

    • PoS 系统通常会设定虚拟币的发行上限或逐步减少奖励，确保通货膨胀率可控。
    • 奖励分配与质押比例有关，鼓励用户参与网络的去中心化治理。

  2. 质押与锁定：

    • 验证者需要将一定数量的虚拟币质押在网络中，质押的币在一定时间内无法转移或使用。
    • 如果验证者作恶（如试图篡改数据），其质押的权益可能会被部分或全部扣除（惩罚机制）。

  3. 低能耗运行：

    • PoS 不需要像 PoW 那样进行高强度的计算，因此运行成本大大降低。

PoS 机制与虚拟币的安全性

  1. 防篡改性：

    • 区块链接仍然通过哈希值确保不可篡改性。
    • 篡改区块需要控制超过 51% 的权益，经济成本极高。

  2. 攻击成本：

    • 51% 攻击需要攻击者持有网络大部分权益，这不仅成本高昂，还可能导致其自身资产贬值。

  3. 惩罚机制：

    • 如果验证者试图篡改数据或生成无效区块，其质押的权益将被扣除。
    • 惩罚机制保证了验证者的诚实性。

PoS 机制虚拟币的优劣势

优点
  • 环保节能：不依赖高能耗的计算设备，运行成本低。
  • 去中心化：通过质押机制鼓励更多用户参与治理，减少算力集中化的问题。
  • 高效快速：出块速度更快，交易确认时间较短。
缺点
  • 权益集中化风险：大户持有更多权益，可能导致验证权集中。
  • 初始分配不公平：早期持币者的优势可能影响网络的公平性。
  • 惩罚机制的设计复杂：需要平衡惩罚力度与参与者的积极性。

总结

PoS 机制为虚拟币提供了一种更节能、更高效的共识方案，尤其在能源消耗和去中心化治理方面表现出色。然而，PoS 仍面临权益集中化和经济激励设计的挑战。以太坊从 PoW 转向 PoS 的成功实践，为 PoS 机制的发展提供了重要的参考模型。未来，PoS 有望成为区块链技术中更主流的共识机制。

区块链的个人应用

私有链 + IPFS

越是了解区块链，越是对 “创建私有链” 感兴趣～～

你看，结合 IPFS：

  • 无需把个人数据放在任何公开数据库中
  • 能够实现数据的加密、防止篡改
  • 存在冗余备份、能够多点访问

至少现在感觉，它能够满足我对私有数据的保护+随时随地访问，这两个需求～～这个部分可以做 去中心化博客，也可以做 私人信息存储～～

这个小想法先记到本本上，等什么时候有空了再去给它实现咯！（赞美太阳）0f136ee4fadff368c626995455a0356b.svg

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