1. 区块链基本原理
所谓区块链，实际上就是一种数据结构，是一种链式结构（可以理解为具有指向前面节点指针的链表），每个节点表示一个区块，区块实际上是用来存储数据的数据包，里面存储交易信息等数据。
graph RL
区块n --> ... --> 区块2 --> 区块1 --> 区块0:创世区块
1.1. 区块存在于哪里？
在【web3】01. 学习环境搭建及测试中讲到，以以太坊为例，我们可以使用 Geth 启动一个以太坊的节点，实际上全球有千千万万个节点，这些节点可能会存储部分区块，也可能会存储全量区块信息，所以区块存储于这些节点上。
我们知道，区块链是没有主服务器的，或者说千千万万个节点组成了主服务器（分布式服务器），没有任何一台服务器可以直接操控数据，而是要大量的服务器一起合作操控数据，这也是区块链最主要的特性。
区块里面存储的信息主要包括区块头和区块体，区块头包含区块的元数据信息，比如当前区块的 hash，上一个区块的指针等；区块体中包含区块的交易信息。
1.2. 什么是交易？
所谓交易，实际上就是区块链上的数据发生变更的过程，比如由账户 A 转账 1 个以太币给账户 B，那么则称为发生了一次交易。当然交易不限于转账，还有比如一些其他的 token 转换等，比如我们常说的 NFT 的交易、智能合约的执行。
1.3. 区块的本质
区块实际上就是将一个个的交易打包成数据包。打包过程是按照分布式一致性算法再各个节点之间达成共识，认定某个客户端打包的区块是合法的过程，具体打包的过程以及计算和共识算法将在下面介绍。
1.4. 账户
所谓账户，实际上就是一个公钥/私钥对，我们知道，区块链主要依赖于非对称加密算法，非对称加密算法中，公钥是可以公开的，而私钥是不能公开的，公钥加密的数据只能通过私钥解密，从而实现了安全性。
而区块链中的账户，以以太坊为例，账户地址就是你的公钥通过 hash 得到的值，私钥只能自己持有，不能透露给其他任何一个人，否则别人拿到你的私钥就可以对你的账户进行任何操作。
如果你自己不主动透露私钥，那么别人在持有你公钥地址的情况下，在当前计算机算力的情况下，想枚举你的私钥几乎是一件不可能完成的事情（当然如果后续算力有突破，比如量子计算机有重大突破，也许能够猜出来你的私钥）。
以太坊中的账户分为「外部账户」与「合约账户」，这两种账户都会存储一些 token 数据（比如你的以太坊余额、你的 NFT 等），一般外部账户是你用于存储资产的账户，合约账户是用来执行只智能合约的账户，合约账户会关联智能合约代码，可以执行智能合约，其他的这两种账户区别不大。
1.5. 挖矿
挖矿就是将大家的交易打包成区块的过程，挖矿首先有矿工，矿工有一个账户，矿工将最新的交易信息进行收集和打包，并通过计算最终证明自己打包的区块合法，并得到其他节点认可，这个时候这个区块就会被纳入整个区块链的链中，成为最新的一个链，而矿工打包区块后也可以获得一定的 token 收益。
1.6. 再回顾一下
假设你有两个账户 A 和 B，你的朋友有两个账户 C 和 D，余额如下：
- A 有 5 eth，B 有 5 eth
- C 有 1 eth，D 有 1 eth
那么，发出以下交易：账户 A 向账户 C 发送 1 eth，账户 B 向账户 D 发送 1 eth。这时候会有矿工将这两笔交易进行计算，打包到一个（或者多个）区块中，打包完成得到确认后，相当于这两笔交易得到了确认，这个时候 C 和 D 账户分别会多出来 1 eth 的余额，而 A 和 B 账户则会少 1 eth 余额。
在实际交易过程中，需要支付一定的费用（gas），所以 A 和 B 账户会减少的余额会大于 1 eth。
完成交易后，你们的账户余额和交易信息将永久存储于区块中，并可以通过各种手段查询。
2. 区块存储了什么信息？
本节有些名词不熟悉也没关系，后面会解释。
2.1. 模拟一次交易
我们尝试使用环境搭建中使用的 Ganache 来生成一个区块。首先打开 Ganache，可以看到 Ganache 上显示的比如我的 RPC SERVER 为 http:127.0.0.1:7545 ，那么我们打开 Postman 来使用 json rpc 进行一次交易：
POST / HTTP/1.1
Host: 127.0.0.1:7545
Content-Type: application/json
Content-Length: 341
{
"jsonrpc": "2.0",
"method": "eth_sendTransaction",
"params": [
{
"from": "0xDb09923Aa60F7bbB4Ce7850aBdF40b3A6b938cdF",
"to": "0x83284b0daade164a6107afEF990D45B0B2A7C716",
"gas": "0x76c0",
"value": "0xDE0B6B3A7640000",
"data": ""
}
],
"id": 1
}
上述的 http 请求表示从 from 地址发送 1 个以太币到 to 地址，点击发送后即可看到两个地址之间以太币的变化。
完成以后，点击 Ganache 上面的 Blocks 即可看到区块信息，我们点击一个有交易信息的区块，比如：
可以看到，区块信息里面包含区块的基本信息和交易信息(TX)，区块基本信息里面包含区块的 Hash、Gas 信息等，交易信息里面包括该区块内的各个交易（实际上真正的区块里面会包含很多个交易），可以点进去下面的交易信息详细查看交易。
随后，我们还可以使用 json rpc 发送请求查询区块的详细信息：
POST / HTTP/1.1
Host: 127.0.0.1:7545
Content-Type: application/json
Content-Length: 187
{
"jsonrpc": "2.0",
"method": "eth_getBlockByHash",
"params": [
"0x0ffc4887ac419b47ec031a8631eb7a3ed2158dfdfeffa5d48ac3fcb94afd5c33",
true
],
"id": 1
}
params 里面的 hash 即为区块的 hash 值，上述请求得到如下返回结果：
{
"id": 1,
"jsonrpc": "2.0",
"result": {
"number": "0x4b",
"hash": "0x0ffc4887ac419b47ec031a8631eb7a3ed2158dfdfeffa5d48ac3fcb94afd5c33",
"parentHash": "0x5b588b349f5e7e1b6ec07b7d37ff21c54a0bdbf143cbff8984f9c30d8833565b",
"mixHash": "0x0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"nonce": "0x0000000000000000",
"sha3Uncles": "0x1dcc4de8dec75d7aab85b567b6ccd41ad312451b948a7413f0a142fd40d49347",
"logsBloom": "0x00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000",
"transactionsRoot": "0x6f7cedbfc41e2c8a80b0890da3b7edf2aeb7a0ccf053ab0a2783d516fe14086e",
"stateRoot": "0xed75eeb47b729ef9c8f5859e05feaf7a0aa31afa76bebe0e802875ebf3448d3a",
"receiptsRoot": "0x056b23fbba480696b65fe5a59b8f2148a1299103c4f57df839233af2cf4ca2d2",
"miner": "0x0000000000000000000000000000000000000000",
"difficulty": "0x0",
"totalDifficulty": "0x0",
"extraData": "0x",
"size": "0x3e8",
"gasLimit": "0x6691b7",
"gasUsed": "0x5208",
"timestamp": "0x63b27639",
"transactions": [
{
"hash": "0xb021466ffc375326a37a72b08410b1450ee49730fcca05c436337917228fd94e",
"nonce": "0x49",
"blockHash": "0x0ffc4887ac419b47ec031a8631eb7a3ed2158dfdfeffa5d48ac3fcb94afd5c33",
"blockNumber": "0x4b",
"transactionIndex": "0x0",
"from": "0xdb09923aa60f7bbb4ce7850abdf40b3a6b938cdf",
"to": "0x83284b0daade164a6107afef990d45b0b2a7c716",
"value": "0xde0b6b3a7640000",
"gas": "0x76c0",
"gasPrice": "0x7d0",
"input": "0x",
"v": "0x26",
"r": "0x8ec51b193f3850856a94e384abed34e191788a7498f0a58430795f2dfe2808f1",
"s": "0x6a441df88c856e56b7b5320394cef261cc38e16ea78ee7c4b95db964938df2d5"
}
],
"uncles": []
}
}
可以看到，实际上，每个区块包含区块头和区块体，区块头中包含区块的基本信息，而区块体中包含区块的交易信息(transactions)。线上的实时区块信息也可以在线查看，比如这个区块：etherscan.io/block/16317…
我们挨个解释返回值信息。
2.2. 区块头信息
- number: 区块号，比如我的区块编号是 75，就是 16 进制的 0x4b；
- hash：当前区块的 hash 值；
- parentHash：父区块的 hash 值，比如这里表示的是区块编号为 74 的区块 hash 值，还记得前面说的区块是个链式结构吗？parentHash 就是指向前面区块的指针；
- mixHash：用于工作量证明机制的 hash 值（答案），与 nonce 一起用于工作量证明，后面工作量证明机制会讲到，此处由于是 Ganache 模拟的，所以该 hash 为 0；
- nonce：与 mixHash 一起用于工作量证明；
- sha3Uncles：32 字节的叔块 sha3 的 hash 值，叔块的概念下面会介绍；
- logsBloom：交易的日志 Bloom 过滤器，可以用于快速过滤交易日志（暂时不用关心）；
- transactionsRoot：可以参考这里讲的比较详细，总体来说，是区块中交易默克尔树的根 hash 值，用于证明区块中交易完整性；
- stateRoot：表示执行完该区块内所有交易后，整个区块链的状态 hash，暂时先不用关心，想了解可以参考这里；
- receiptsRoot：表示交易回执的 hash，暂时先不用关心；
- miner：挖出该区块的矿工地址（或者叫 Coinbase）；
- difficulty：表示区块挖矿的难度，可以简单理解为计算区块是一个根据问题猜答案的过程，difficulty 是「问题」，而 mixHash 和 nonce 是「答案」。需要注意，这里是区块的 nonce，交易中也存在一个 nonce，与此处不一样；
- totalDifficulty：表示从创世区块开始，到该区块截止的总体难度之和；
- extraData：区块附加数据，一般由矿工设置；
- size：区块大小；
- gasLimit：gas 就是执行交易、合约等所需的费用，gasLimit 就是该区块内所有交易所能花费的 gas 上限（多余的未使用完的 gas 会退回）；
- gasUsed：区块内所有交易已经使用了的 gas 费用； timeStamp：区块的时间戳。
2.3. 交易信息
交易信息包含在区块的 transactions 中，里面是一个交易列表，列表中的每个交易包括，公链上交易举例 ，下面讲解的还是上述示例上的交易：
- hash：交易的 hash 值，用来标识交易；
- nonce：交易发起方的 nonce，交易发起方每进行一次交易，nonce 加 1，此处是为了防止双重花费攻击等问题；
- blockHash：该交易所处的区块 hash 值，本区块的指针；
- blockNumber：本区块的 index；
- transactionIndex：该交易在所在区块中的索引；
- from：交易发起账户；
- to：交易接收方账户；
- value：交易数量，比如此处表示 1 eth，即 10^18 wei；
- gas：交易设置的花费；
- gasPrice：gas 的价格，这个价格是浮动的，会动态调整，表示 1gas 能兑换多少 wei；
- input：交易的输入信息，比如执行智能合约的方法名称、入参等信息；
- v/r/s：交易签名相关信息，在交易发起时根据发起账户的私钥计算得出。
3. 区块打包流程
区块的打包，即「挖矿」。
在介绍挖矿之前，我们先来看一个区块链网络中各个节点的连接关系，比如如下所示（引用网络图片）：
区块之间的各个节点是通过 p2p 通讯（Peer-to-Peer）连接的，每个节点可以与其他节点通讯，同时该 p2p 网络具备自动发现节点等各种机制（暂时不必太深究），以太坊是基于 Kademlia 算法实现的网络。
3.1. 流程预览
一次交易的打包，分为「发起」、「广播」、「打包执行」、「验证」四个步骤。
- 发起：一个客户端发起一次交易请求，请求一般在比如钱包等客户端中发起，发起后将该请求发到某个以太坊节点（也可能是当前节点）。交易发起时一般要设置该交易的 from 和 to 地址、发起账户的 nonce 值、gasPrice等信息，还需要设置 input 即是否调用智能合约等信息，并通过交易发起账户的私钥计算出 v/r/s 签名（参考前面）；
- 广播：交易发起后，会将该交易广播至其他节点。节点接收到交易后，需要验证交易的签名合法性、nonce 合法性以及交易的金额、gas 等是否合法，验证合法后，将该交易加入当前节点的交易池（内存）中，如此，二级节点再继续向外广播交易...；
- 打包执行：具有挖矿功能的节点，在攒一批交易后，开始打包下一个区块，生成区块数据。并在计算出来合法区块后，将区块广播到其他节点；
- 验证：其他节点收到交易区块后，进行区块的验证工作，当大多数节点认为该区块是合法区块，则就会将该区块设置为下一个区块，并加入到自己的链中。
3.2. 区块合法性共识机制
以以太坊为例，一个区块的产生，需要两个步骤：1）节点在本地打包运算形成新的区块，即挖矿；2）向其他节点广播，其他节点投票某个区块为合法区块，并加入自己的链。
3.2.1. 挖矿算法 PoW：工作量证明
工作量证明，顾名思义就是哪个客户端的工作量最大，哪个客户端挖出合法区块的可能性就越高。简单来说，就是让客户端来计算一个 hash 值，使得这个 hash 值满足一定条件：
hash = SHA256(index + previousHash + timestamp + data + nonce)
其中，index 是当前区块的 index，previousHash 是前一个区块的 hash，timestamp 是当前区块创建的时间戳，data 是当前区块数据，nonce 是一个从 0 递增的数据。
挖矿的目标就是不断递增枚举 nonce 值，从而使得最终的 hash 经过运算后小于 difficulty（难度）。优先计算出来的符合条件的区块就有机会成为下一个区块。
思考题：PoW 为什么能防止篡改数据？
3.2.2. 挖矿算法 PoS：权益证明
2022 年，以太坊已经从 PoW 切换到了 PoS 证明，PoS 证明主要是看账户的币龄，币龄就是币数乘以持币的时间，比如你的账户有 1 个 eth，持有了 10 天，那么你的币龄就是 10。币龄越高越有机会获得记账权。
