一、什么是区块链？（20 分钟）

1.1 区块链的定义

区块链是一种分布式账本技术，它将数据以”区块”的形式存储，并通过密码学方法将这些区块按时间顺序连接成”链”。

核心特点：

✅ 去中心化：没有中央服务器，数据存储在多个节点上
✅ 不可篡改：一旦数据写入区块链，几乎无法修改
✅ 透明可追溯：所有交易记录公开可查
✅ 匿名性：使用地址而非真实身份
✅ 安全性：通过密码学保证数据安全

1.2 为什么需要区块链？

传统中心化系统的问题：

❌ 单点故障风险（服务器宕机）
❌ 数据可被篡改
❌ 需要信任中介机构
❌ 隐私泄露风险

区块链的解决方案：

✅ 分布式存储，没有单点故障
✅ 密码学保证数据不可篡改
✅ 无需信任中介，代码即法律
✅ 用户掌控自己的数据

1.3 实际类比理解

传统银行账本 vs 区块链账本：

特性	传统银行账本	区块链账本
存储位置	银行中央服务器	全网多个节点
记账权	银行独自记账	全网共同记账
信任基础	信任银行	信任算法和代码
透明度	用户只能看到自己的记录	所有记录公开透明
篡改难度	银行内部可修改	几乎不可能篡改

二、区块（Block）的结构（30 分钟）

2.1 什么是区块？

区块是区块链的基本单位，可以理解为一个数据容器，里面装着一批交易记录。

2.2 区块的组成部分

一个区块主要包含以下部分：

┌─────────────────────────────────┐
│         区块头 (Block Header)    │
├─────────────────────────────────┤
│  • 版本号 (Version)              │
│  • 前一区块哈希 (Previous Hash)   │
│  • 默克尔根 (Merkle Root)         │
│  • 时间戳 (Timestamp)             │
│  • 难度目标 (Difficulty)          │
│  • 随机数 (Nonce)                 │
└─────────────────────────────────┘
┌─────────────────────────────────┐
│         区块体 (Block Body)      │
├─────────────────────────────────┤
│  • 交易列表 (Transactions)       │
│    - 交易1: A转账给B 1 ETH       │
│    - 交易2: C转账给D 2 ETH       │
│    - 交易3: ...                  │
└─────────────────────────────────┘

2.3 区块头详解

1. 前一区块哈希（Previous Block Hash）

指向前一个区块的哈希值
这是区块”链”的关键：通过这个值把区块串联起来
如果前面的区块被修改，这个哈希值就会改变，整条链都会断裂

2. 时间戳（Timestamp）

记录区块创建的时间
确保交易的时间顺序

3. 随机数（Nonce）

用于工作量证明（挖矿）
矿工不断调整这个数字，直到找到符合条件的哈希值

4. 难度目标（Difficulty）

控制挖矿难度
确保平均出块时间稳定（比特币约 10 分钟，以太坊约 12 秒）

2.4 区块体详解

区块体包含了交易列表，每个交易包括：

发送方地址
接收方地址
转账金额
Gas 费用（以太坊）
交易签名

2.5 实际例子

以太坊区块示例：

区块号: 18234567
哈希: 0x1a2b3c4d5e6f...
父区块哈希: 0x9f8e7d6c5b4a...
时间戳: 2023-10-15 14:23:45 UTC
Gas使用量: 15,234,567
交易数量: 150笔
矿工奖励: 2 ETH

三、哈希（Hash）的原理（30 分钟）

3.1 什么是哈希？

哈希函数是一种数学算法，它可以将任意长度的数据转换成固定长度的字符串（哈希值）。

3.2 哈希的特性

1. 单向性（不可逆）

从数据可以计算出哈希值
但从哈希值无法反推出原始数据

2. 确定性

相同的输入永远产生相同的输出
Hash("Hello") = 0x1a2b3c...（每次计算结果都一样）

3. 雪崩效应

输入数据的微小变化会导致输出哈希值的巨大变化

Hash("Hello")  = 0x1a2b3c4d5e6f...
Hash("hello")  = 0x9f8e7d6c5b4a...  // 完全不同！

4. 抗碰撞性

几乎不可能找到两个不同的输入产生相同的哈希值
这保证了数据的唯一性

3.3 常见哈希算法

算法	输出长度	应用场景
MD5	128 位	❌ 已被破解，不推荐
SHA-1	160 位	❌ 不够安全
SHA-256	256 位	✅ 比特币使用
Keccak-256	256 位	✅ 以太坊使用

3.4 哈希在区块链中的作用

1. 区块识别

每个区块都有唯一的哈希值作为”身份证”
通过哈希值可以快速定位和验证区块

2. 链接区块

每个区块包含前一个区块的哈希值
形成不可篡改的链式结构

3. 工作量证明

矿工需要找到符合特定条件的哈希值
这个过程需要大量计算，证明了工作量

4. 交易验证

交易数据通过哈希生成默克尔树
可以快速验证交易是否被篡改

3.5 实际演示

在线工具体验哈希：访问 https://emn178.github.io/online-tools/sha256.html

尝试输入：

输入: "Hello World"
SHA-256输出: a591a6d40bf420404a011733cfb7b190d62c65bf0bcda32b57b277d9ad9f146e

输入: "Hello World!"  // 只加了一个感叹号
SHA-256输出: 7f83b1657ff1fc53b92dc18148a1d65dfc2d4b1fa3d677284addd200126d9069
// 完全不同的哈希值！

3.6 为什么哈希让区块链不可篡改？

区块1         区块2         区块3
Hash: A       Hash: B       Hash: C
Data: "X"     Data: "Y"     Data: "Z"
PrevHash: -   PrevHash: A   PrevHash: B

如果有人试图修改区块2的数据：
Data: "Y" → "Y被篡改"

区块2的哈希值会改变：
Hash: B → Hash: B'

但区块3中记录的前一区块哈希仍然是B，不是B'
链条断裂！篡改被发现！

要成功篡改，需要：
1. 修改区块2
2. 重新计算区块2的哈希
3. 修改区块3中的PrevHash
4. 重新计算区块3的哈希
5. 修改区块4、5、6...所有后续区块
6. 必须在全网51%的节点上同时完成
→ 几乎不可能！

四、链（Chain）的形成（20 分钟）

4.1 区块如何连接成链？

每个区块都包含前一个区块的哈希值，就像链条的环环相扣：

创世区块          区块1            区块2            区块3
┌──────┐        ┌──────┐         ┌──────┐         ┌──────┐
│Hash:0│───────>│Hash:1│────────>│Hash:2│────────>│Hash:3│
│PrevH:│        │PrevH:│         │PrevH:│         │PrevH:│
│  无  │        │  0   │         │  1   │         │  2   │
└──────┘        └──────┘         └──────┘         └──────┘

4.2 创世区块（Genesis Block）

创世区块是区块链的第一个区块
它没有前一个区块，所以 PrevHash 为空或特殊值
比特币创世区块包含了中本聪的留言：“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”

4.3 链的增长过程

1. 矿工收集待处理的交易
2. 将交易打包成新区块
3. 在区块头填入上一个区块的哈希值
4. 通过计算找到符合条件的Nonce
5. 广播新区块到全网
6. 其他节点验证并接受
7. 新区块成为链的最新一环

4.4 分叉问题

有时会出现两个矿工同时挖出新区块的情况：

          ┌─> 区块A
区块999 ──┤
          └─> 区块B

解决方案：最长链原则
- 继续挖矿
- 最终某条链会更长
- 全网接受最长的链
- 短链被放弃（孤块）

五、共识机制（Consensus Mechanism）（40 分钟）

5.1 什么是共识机制？

在去中心化的网络中，如何让所有节点对”哪些交易是有效的”、“区块链的当前状态是什么”达成一致？这就需要共识机制。

共识机制的目的：

决定谁有权添加新区块
防止双花攻击（同一笔钱花两次）
保证网络安全
激励参与者诚实行为

5.2 工作量证明（PoW - Proof of Work）

代表：比特币、早期以太坊

原理：矿工需要解决一个数学难题（找到符合条件的 Nonce），第一个解出的矿工获得记账权和奖励。

工作流程：

1. 收集交易 → 2. 组装区块 → 3. 计算哈希
                                    ↓
                          是否满足难度要求？
                              ↙        ↘
                            否          是
                            ↓           ↓
                      修改Nonce     广播区块
                      重新计算      获得奖励

难度要求示例：

假设要求：哈希值必须以5个0开头

Nonce = 1234
Hash = 0x8a7f6e5d... ❌ 不符合

Nonce = 5678
Hash = 0x000009ab... ❌ 只有4个0

Nonce = 9012
Hash = 0x00000123... ✅ 符合！区块被接受

优点：

✅ 安全性高（需要 51%算力才能攻击）
✅ 完全去中心化
✅ 经过长期验证

缺点：

❌ 能耗巨大（比特币全网耗电相当于一个国家）
❌ 出块慢（比特币约 10 分钟）
❌ 算力集中化（大型矿池）

5.3 权益证明（PoS - Proof of Stake）

代表：以太坊 2.0、Cardano

原理：验证者需要质押一定数量的代币，系统随机选择验证者来创建新区块。质押越多，被选中的概率越大。

工作流程：

1. 用户质押32 ETH成为验证者
2. 系统随机选择验证者
3. 被选中的验证者验证交易并创建区块
4. 其他验证者投票确认
5. 诚实验证者获得奖励
6. 作恶验证者会被罚没质押的代币（Slashing）

与 PoW 的对比：

特性	PoW	PoS
选择方式	算力竞争	质押量+随机
能耗	极高	极低（节能 99%+）
硬件要求	专业矿机	普通电脑
攻击成本	需要 51%算力	需要 51%质押币
出块速度	慢（10 分钟）	快（12 秒）
中心化风险	矿池集中	大户集中

优点：

✅ 节能环保
✅ 出块速度快
✅ 参与门槛相对较低
✅ 攻击成本高（攻击者会损失质押的币）

缺点：

❌ 富者愈富（大户优势）
❌ “无利害关系”问题
❌ 相对较新，验证时间较短

5.4 其他共识机制

1. 委托权益证明（DPoS - Delegated Proof of Stake）

代表：EOS、TRON
原理：代币持有者投票选出少数超级节点
优点：速度极快
缺点：中心化程度较高

2. 权威证明（PoA - Proof of Authority）

代表：私有链、联盟链
原理：由预先认证的权威节点负责验证
优点：效率高
缺点：中心化

3. 实用拜占庭容错（PBFT）

代表：Hyperledger Fabric
原理：多轮投票达成共识
适用：联盟链

5.5 以太坊从 PoW 到 PoS 的转变

The Merge（合并）- 2022 年 9 月 15 日

以太坊完成了从 PoW 到 PoS 的历史性转变：

转变前（PoW）：

矿工使用 GPU 挖矿
高能耗
出块时间：13-15 秒

转变后（PoS）：

验证者质押 32 ETH
能耗降低 99.95%
出块时间：12 秒
为后续扩容打下基础

📝 知识检验（测试你的理解）

选择题

区块链的核心特点不包括：
- A. 去中心化
- B. 不可篡改
- C. 中央服务器控制
- D. 透明可追溯
- 点击查看答案 C。区块链是去中心化的，没有中央服务器控制。
以下关于哈希函数的说法错误的是：
- A. 哈希是可逆的，可以从哈希值推出原始数据
- B. 相同输入产生相同输出
- C. 输入的微小变化会导致输出巨大变化
- D. 很难找到产生相同哈希值的不同输入
- 点击查看答案 A。哈希函数是单向的，不可逆。
PoW 和 PoS 的主要区别是：
- A. PoW 更节能
- B. PoS 需要算力竞争
- C. PoS 通过质押代币参与共识
- D. PoW 速度更快
- 点击查看答案 C。PoS 通过质押代币而非算力竞争来参与共识。

简答题

用自己的话解释什么是区块链？
- 参考答案区块链是一种分布式数据库技术，它将数据以区块的形式存储，并通过密码学方法将区块按时间顺序连接成链。它的特点是去中心化、不可篡改、透明公开，所有参与者共同维护一个统一的账本。
为什么说区块链是不可篡改的？
- 参考答案因为每个区块都包含前一个区块的哈希值，如果修改某个区块的数据，它的哈希值就会改变，导致后面所有区块的 PrevHash 不匹配，链条断裂。要成功篡改，需要重新计算被修改区块及其之后所有区块的哈希值，并且要在全网 51%的节点上同时完成，这在实际中几乎不可能。
PoW 和 PoS 各有什么优缺点？
- 参考答案 PoW 优点：安全性高、完全去中心化、经过长期验证 PoW 缺点：能耗巨大、出块慢、算力集中化 PoS 优点：节能环保、出块快、攻击成本高 PoS 缺点：大户优势明显、相对较新