BTC ETH 流程
比特币（BTC）和以太坊（ETH）是加密货币领域中最具代表性的两个项目，它们在技术架构、共识机制、应用场景等方面存在显著差异。了解 BTC 和 ETH 的运作流程，有助于更深入地理解区块链技术的本质以及加密货币市场的动态。
BTC 流程
比特币网络的运作流程复杂而精妙，可大致分解为四个关键阶段：交易创建、交易验证、区块生成和共识达成。每个阶段都至关重要，确保了比特币系统的安全、透明和去中心化。
交易创建： 用户发起一笔交易，指定将一定数量的比特币从自己的地址转移到另一个地址。这笔交易包含输入（指向之前未花费的交易输出，即UTXO）、输出（指定接收地址和金额）和数字签名。数字签名由用户的私钥生成，用于证明交易的合法性，并防止他人篡改交易内容。交易创建完成后，会被广播到整个比特币网络。
交易验证： 网络中的矿工节点接收到广播的交易后，会进行一系列验证。验证包括：检查数字签名是否有效，确保交易发起者拥有足够的余额（通过追溯输入指向的UTXO），以及检查交易是否符合比特币协议的规则。只有通过验证的交易才会被矿工纳入待打包的区块中。
区块生成： 矿工节点持续监听网络中的新交易，并将通过验证的交易打包成一个候选区块。为了使该区块成为区块链的一部分，矿工需要解决一个复杂的数学难题，即工作量证明（Proof-of-Work，PoW）。这个过程需要消耗大量的计算资源，成功找到符合要求的解（即哈希值）的矿工，才有权将该区块添加到区块链上，并获得比特币奖励。
共识达成： 当一个新区块被添加到区块链上时，它会被广播到整个网络。其他节点会验证该区块的有效性，包括验证区块中包含的交易，以及验证工作量证明是否正确。如果验证通过，节点会将该区块添加到自己的区块链副本中。由于比特币网络采用最长链原则，即选择包含最多区块的链作为有效链，因此通过不断生成新区块，最终整个网络会达成对区块链状态的共识，确保数据的统一性和不可篡改性。
交易创建
用户在比特币网络中发起交易，通常是通过比特币钱包软件或相关的应用程序编程接口（API）。交易本质上是一个数据结构，包含了转移比特币所有权所需的所有必要信息。一笔有效的比特币交易必须经过加密签名，并符合特定的协议规则才能被网络接受。
- 输入（Inputs） : 输入是指向先前未花费的交易输出（Unspent Transaction Outputs，UTXO）的引用。UTXO 代表着用户拥有的比特币数量，也是构建新交易的基础。每个输入必须包含解锁脚本（ScriptSig），其中包含了发送者的数字签名，用于证明他们拥有花费相应 UTXO 的权利。解锁脚本使用发送者的私钥对交易哈希进行签名，任何拥有发送者公钥的人都可以验证签名的有效性。解锁脚本必须满足 UTXO 锁定脚本（ScriptPubKey）中设定的条件，才能成功花费该 UTXO。
- 输出（Outputs） : 输出定义了新的 UTXO，指定比特币的接收地址和数量。每个输出包含一个锁定脚本（ScriptPubKey），也称为支付脚本，它规定了未来花费该 UTXO 的条件。最常见的锁定脚本是“Pay-to-Public-Key-Hash (P2PKH)”，它要求未来的花费者提供与锁定脚本中指定的公钥哈希匹配的公钥，并提供使用相应私钥生成的有效签名。一个交易可以包含多个输出，允许用户同时向多个地址发送比特币，或将剩余的比特币返还给自己（找零）。
- 交易费（Transaction Fee） : 交易费是用户为了使自己的交易更快地被矿工打包到区块中而支付的费用。它是输入总金额与输出总金额之间的差额。交易费并非强制性的，但通常情况下，较高的交易费能够激励矿工优先处理该交易。交易费的多少通常取决于交易的大小（以字节为单位），即输入和输出的数量，以及网络的拥堵程度。在网络拥堵时，用户可能需要支付更高的交易费才能确保交易及时被确认。矿工会优先选择包含较高交易费的交易进行打包，因为他们通过区块奖励和交易费来获得经济激励。
交易验证
当一笔新的加密货币交易发起并广播至去中心化的点对点网络，它便进入了待确认状态。为了确保网络的安全性与一致性，矿工或验证者节点会对这些交易进行严格的验证，并将它们暂存在一个被称为“内存池”（Mempool）的区域中。内存池本质上是一个等待被打包进区块的交易集合，矿工从中选择交易来构建新的区块。每个矿工会独立验证其内存池中的每笔交易的有效性，确保其符合网络协议的规则，以下是几个关键的验证步骤：
- 双重花费（Double Spending）防范 : 这是加密货币交易验证的核心环节。系统会仔细检查交易的输入，确认其引用的未花费交易输出（UTXO）确实存在，并且之前未被任何其他交易花费过。如果发现同一UTXO被用于多笔交易，则只有第一笔被确认的交易会被认为是有效的，后续的双重花费尝试将被拒绝，从而保证了数字资产的唯一性和不可复制性。这个过程需要查询区块链的历史记录，确保每一笔交易都有其合法的来源。
- 签名验证 : 为了防止未经授权的资金转移，每笔交易都需要经过严格的签名验证。具体来说，系统会使用交易输入中提供的公钥来解密相应的数字签名，并验证该签名是否与发起交易的私钥相匹配。如果签名验证失败，则表明交易并非由UTXO的所有者授权，因此将被视为无效并被拒绝。这种机制利用了非对称加密的原理，保证了只有拥有私钥的合法所有者才能动用UTXO。
- 金额验证 : 交易的有效性还取决于其金额的合理性。矿工会检查交易的输入金额是否大于或等于输出金额加上交易费用。交易费用是用户为了激励矿工更快地处理交易而支付的，它会被矿工纳入区块奖励的一部分。如果输入金额小于输出金额加上交易费，则意味着资金凭空产生，这违反了货币发行的原则，因此交易会被判定为无效。
如果一笔交易在上述任何一个验证环节中失败，例如存在双重花费、签名无效或金额不足，它将被矿工视为无效交易并从内存池中剔除，不会被包含在任何区块中。只有通过所有验证标准的交易才会被认为有效，并有资格被打包进区块，最终永久记录在区块链上。
区块生成
矿工是比特币网络中至关重要的参与者，他们作为专门的节点，肩负着验证交易、将验证后的交易打包成区块，并最终将这些区块添加到区块链上的重任。矿工之间通过竞争来获取区块的生成权，而竞争的方式是解决一个复杂的数学难题，这个过程被称为工作量证明（Proof-of-Work，PoW）。解决这个难题需要消耗大量的计算资源。
- 工作量证明（PoW）详解 : 矿工需要执行大量的计算，以找到一个特殊的哈希值，该哈希值必须满足网络设定的特定条件。最常见的条件是哈希值的前导零的数量，这个数量由网络的难度目标动态调整。为了找到这个哈希值，矿工会不断尝试不同的随机数（Nonce）。他们将Nonce与区块头中的其他数据组合起来，计算哈希值，然后检查该哈希值是否符合难度目标的要求。这个过程会一直重复，直到找到一个符合条件的哈希值，矿工才能成功生成新的区块。工作量证明机制有效地阻止了恶意攻击，因为它要求攻击者投入巨大的计算资源才能篡改区块链。
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区块头（Block Header）的组成
: 每个区块都包含一个区块头，它是区块的核心元数据，包含了以下关键信息，确保了区块链的安全性和一致性：
- 前一个区块的哈希值（Previous Block Hash） : 这个哈希值指向前一个区块，将当前区块与前一个区块链接起来，形成区块链的链式结构。这种链式结构保证了区块链的不可篡改性，因为任何对历史区块的修改都会改变后续所有区块的哈希值。
- 梅克尔根（Merkle Root）详解 : 梅克尔根是所有交易哈希值的根哈希，它代表了区块中所有交易的数字指纹。通过梅克尔树的结构，可以高效地验证区块中包含的特定交易的完整性，而无需下载整个区块。如果任何交易被篡改，梅克尔根的值也会发生变化，从而可以检测到数据篡改。
- 时间戳（Timestamp）的意义 : 时间戳记录了区块生成的确切时间。虽然时间戳并非完全精确，但它可以提供区块生成顺序和相对时间的信息。时间戳在某些攻击场景中也扮演着重要的角色，例如在时间戳攻击中。
- 难度目标（Difficulty Target）的动态调整 : 难度目标控制着挖矿的难度，它的目的是确保比特币网络大约每10分钟生成一个区块。难度目标会根据网络中算力的变化进行动态调整。如果算力增加，难度目标会提高，反之亦然。这种动态调整机制保证了区块生成时间的稳定，维护了比特币网络的稳定运行。
- 随机数（Nonce）的关键作用 : 随机数（Nonce）是矿工在挖矿过程中需要找到的关键变量。矿工通过不断尝试不同的Nonce值，并将其与区块头中的其他数据组合起来计算哈希值。一旦矿工找到了一个满足难度目标的Nonce值，他们就成功地创建了一个新的区块。
当一名矿工成功找到一个满足难度目标的哈希值时，他们就被允许创建一个新的区块，并将该区块广播到整个比特币网络。其他节点会验证这个区块的有效性，如果验证通过，该区块就会被添加到区块链中，并成为区块链永久历史的一部分。
共识达成
新生成的区块会被迅速广播到比特币网络中的所有对等节点。这些节点会对接收到的区块进行严格的验证，以确保整个网络的安全性与一致性。验证过程包括以下几个关键步骤：
- 区块头的有效性验证 : 节点会仔细检查区块头中包含的关键信息，例如前一个区块的哈希值。这个哈希值必须与当前节点所知的区块链顶端区块的哈希值相匹配，从而保证区块链的连续性。时间戳需要符合比特币协议的规则，确保时间戳的合理性，避免时间戳作弊攻击。难度目标则用来验证矿工是否确实花费了足够的计算资源来解决工作量证明难题。难度目标是动态调整的，以维持区块生成时间的稳定。
- 交易的有效性验证 : 每个节点都会独立验证区块中包含的所有交易的有效性。这包括检查每笔交易的输入是否引用了有效的未花费交易输出（UTXO），确保交易发起者拥有足够的余额。还会验证交易签名，确认交易确实由私钥的持有者发起，防止未经授权的资金转移。最重要的是，节点会严格防止双重花费攻击，即同一笔资金被花费两次或多次。
- 工作量证明的有效性验证 : 节点会验证矿工提交的随机数（Nonce）是否能够使得区块头的哈希值小于或等于难度目标。这个过程需要进行大量的哈希计算，只有通过验证，才能确认矿工确实完成了足够的工作量。工作量证明机制是比特币安全性的基石，防止恶意攻击者轻易篡改区块链。
只有当区块通过了以上所有验证，节点才会认可这个区块，并将其添加到自己的区块链副本中。为了解决分布式系统中可能出现的区块链分叉问题，比特币采用“最长链原则”。简单来说，拥有最多工作量证明的链（即累计难度最高的链）被认为是真实有效的链，也是全网共识的基础。节点会始终选择在最长链上继续挖掘新的区块，并忽略较短的链。这种机制确保了比特币区块链的唯一性和不可篡改性。
ETH 流程
以太坊的交易流程在基础层面上与比特币相似，都涉及交易的创建、签名、广播和验证。然而，以太坊引入了智能合约的概念，这为交易流程增加了显著的复杂性。当一笔以太坊交易旨在调用智能合约时，节点不仅要验证交易的有效性（如签名、nonce等），还要执行合约代码。这意味着以太坊节点需要模拟一个完整的虚拟机（EVM，以太坊虚拟机）来运行合约代码，并更新以太坊的状态。
具体来说，当一笔交易被广播到以太坊网络后，矿工（或验证者，在PoS机制下）会将其包含在一个新的区块中。这个过程需要验证交易的发送者拥有足够的以太币来支付交易费用（gas），以及合约执行所需的gas。如果交易旨在调用智能合约，EVM会按照合约的字节码逐步执行。每一步操作都会消耗一定的gas，如果gas耗尽而合约尚未执行完成，交易会被回滚，但gas费用仍然会被消耗。这种gas机制的设计旨在防止恶意合约无限循环，从而保证网络的安全性。
以太坊的状态包含了所有账户的余额、合约代码以及合约存储的数据。每次合约执行都会改变以太坊的状态。因此，矿工需要将执行结果写入新的区块中，并计算新的状态根哈希。只有当大多数节点都认同新的状态根哈希时，该区块才会被添加到区块链中，交易才会被确认。这个状态更新的过程是确保以太坊网络一致性的关键。
交易创建
与比特币类似，以太坊用户也通过交易来转移 ETH 或与智能合约进行交互。以太坊交易是区块链上执行操作的基本单元，它包含发送者执行特定操作所需的所有必要信息。理解交易的各个组成部分对于理解以太坊的工作原理至关重要。以太坊交易包含以下关键信息：
- 发送者地址（Sender Address） : 发起交易的账户地址。这个地址是交易的发起方，也是消耗 Gas 并支付交易费用的账户。发送者必须有足够的 ETH 来支付 Gas 费用，否则交易将无法执行。
- 接收者地址（Recipient Address） : 接收 ETH 或智能合约的地址。如果是向另一个用户发送 ETH，则这是接收者的以太坊地址。如果是与智能合约交互，则这是智能合约的地址。
- 价值（Value） : 要转移的 ETH 数量，以 Wei 为单位。Wei 是 ETH 的最小单位 (1 ETH = 10^18 Wei)。 如果是与智能合约交互，且不需要转移 ETH，该值为 0。
- Gas Limit : 交易愿意支付的最大 Gas 量。Gas 是以太坊网络用于衡量计算资源消耗的单位。Gas Limit 确保交易不会无限期地运行并消耗过多的资源。如果交易消耗的 Gas 超过 Gas Limit，交易将回滚，但 Gas 费用仍然会被扣除。
- Gas Price : 用户愿意为每个 Gas 支付的 ETH 价格，以 Gwei 为单位（1 Gwei = 10^9 Wei）。 Gas Price 影响交易被矿工打包的速度。较高的 Gas Price 通常意味着更快的交易确认。EIP-1559 引入了基本费用和矿工小费机制，影响了 Gas Price 的设置方式。
- 数据（Data） : 可选的附加数据，例如智能合约调用的函数和参数。此字段用于指定智能合约需要执行的操作以及执行该操作所需的任何输入数据。 对于简单的 ETH 转移，此字段通常为空。
- Nonce : 用于防止重放攻击的计数器。Nonce 是一个递增的计数器，表示从发送者地址发送的交易数量。每个交易的 Nonce 都必须比前一个交易的 Nonce 大 1。 这确保了交易只能被处理一次。
- 签名（Signature） : 用发送者的私钥对交易数据进行签名。这个签名证明交易是由发送者授权的，并且交易内容没有被篡改。 签名验证是确保交易安全的关键步骤。签名使用椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA)。
交易验证
以太坊的交易验证过程是确保网络安全和数据完整性的关键环节。在以太坊转向权益证明（Proof-of-Stake, PoS）机制后，原先的“矿工”角色已转变为“验证者”。这些验证者负责收集网络中的交易，并将它们暂时存储在内存池（Mempool）中，等待被打包成区块。
验证者会对内存池中的每一笔交易进行严格的有效性验证，这一过程至关重要，它确保了只有符合规则和具备有效性的交易才能被最终纳入区块链。验证的具体内容包括：
- 签名验证 : 每笔以太坊交易都必须附带发送者的数字签名。验证者会使用发送者地址对应的公钥来验证该签名的有效性。如果签名与公钥不匹配，则说明交易可能被篡改或伪造，验证者会拒绝该交易，保证交易的真实性和发送者的身份。
- 账户余额 : 验证者会检查发送者账户的余额，确保账户中有足够的以太币（ETH）来支付交易费用（Gas Fee）以及转移的价值。如果账户余额不足以支付这些费用，交易将被视为无效，避免出现透支或超额支出的情况，保障网络的经济安全。
- Gas Limit 和 Gas Price : 以太坊使用 Gas 来衡量执行交易所需的计算量。Gas Limit 是指交易发送者愿意为执行交易支付的最大 Gas 量，而 Gas Price 是指发送者愿意为每个 Gas 单位支付的价格。验证者会检查 Gas Limit 是否足够完成交易，并确保 Gas Price 能够激励验证者处理该交易。Gas Limit 过低可能导致交易执行失败，而 Gas Price 过低可能导致交易长时间未被处理，影响交易效率。
区块生成 (权益证明机制)
以太坊已成功完成从工作量证明（Proof-of-Work, PoW）到权益证明（Proof-of-Stake, PoS）的过渡。 在PoS共识机制下，验证者（Validators）通过质押（Staking）一定数量的ETH（以太币）来获取参与区块生产和验证的权利，进而获得奖励。
- 权益证明（Proof-of-Stake, PoS） : PoS的核心在于验证者通过锁定（质押）其持有的ETH来参与网络的共识过程。 验证者抵押的ETH数量直接影响其被选中成为区块提议者的概率，抵押数量越多，被选中的几率越高，参与网络治理的权重也越大。 这种机制显著降低了能源消耗，并提高了网络的安全性。
- 区块提议 : 系统会根据一定的算法（通常与抵押的ETH数量和质押时间有关）从所有验证者中随机选择一个验证者来提议新的区块。 该被选中的验证者负责收集网络中的交易信息，并将其打包成一个新的待验证区块。
- 区块证明/验证 : 当某个验证者提出新的区块后，其他验证者会对该区块的有效性进行验证。验证内容包括：交易的有效性、签名是否正确、是否符合以太坊的协议规则等等。 只有当超过2/3的验证者（按质押的ETH数量加权）对该提议的区块达成共识，确认其有效且符合协议规则后，该区块才会被正式添加到以太坊区块链中。 这种多数投票机制确保了区块链的安全性，防止恶意区块被篡改。
- 奖励 : 成功参与区块提议和验证的验证者会获得相应的奖励。奖励通常包括两部分：区块奖励（新发行的ETH）和交易手续费（用户在交易时支付的费用）。 这些奖励会按比例分配给参与区块生产和验证的验证者，作为他们为维护网络安全和运行所做贡献的回报。 通过这种经济激励机制，可以鼓励更多的用户参与到以太坊网络的PoS共识中，从而增强网络的安全性和稳定性。
共识达成
新生成的区块会被广播至以太坊网络中的所有参与节点。这些节点会独立验证该区块的有效性，这是维护区块链完整性和安全性的关键步骤。验证过程涉及多个方面，确保只有合法的区块才能被添加到链上。
- 区块头的有效性 : 验证区块头是共识过程中的首要环节。区块头包含该区块的关键元数据，例如指向前一个区块的哈希值，这确保了区块链的连续性和不可篡改性；时间戳，记录了区块生成的时间；以及验证者的签名，证明该区块是由授权的验证者创建的。验证者签名使用的加密算法保证了签名的唯一性和不可伪造性，任何对区块头的篡改都会导致签名失效。
- 交易的有效性 : 区块中包含的每笔交易都需要经过严格的验证。这包括检查交易的签名是否有效，以确认交易发起者的身份；账户余额是否足以支付交易费用和转账金额，避免双重支付；以及交易的格式是否符合以太坊协议的规范，防止恶意代码的注入。交易有效性的验证确保了所有在链上发生的交易都是合法的。
- 状态转换 : 验证交易执行后的以太坊状态至关重要。每个区块都代表了以太坊状态的一次更新。验证节点需要模拟执行区块中的所有交易，并检查执行后的状态与区块头中声明的状态根哈希是否一致。状态根哈希是对整个以太坊状态进行哈希计算后的结果，任何状态的改变都会导致状态根哈希的变化。状态转换的验证确保了交易执行的正确性，以及以太坊状态的一致性。
以太坊使用 Casper FFG (Friendly Finality Gadget) 和 LMD-GHOST (Latest Message Driven Greediest Heaviest Observed Sub-Tree) 混合共识机制来达成共识，确保网络的安全性和活性。Casper FFG 引入了 checkpoints 和 finality 的概念，checkpoint 是周期性确认的区块，一旦被 finality 确定，就不能被回滚，从而极大地提高了共识的安全性，降低了长程攻击的风险。LMD-GHOST 算法用于在出现分叉时选择最佳的区块链分支，选择拥有最多验证者投票的分支，确保了区块链的快速收敛和抗审查性。
智能合约执行
以太坊的核心创新之一在于其对智能合约的强大支持。这些智能合约通常使用Solidity等高级编程语言编写，并在以太坊虚拟机（EVM）上安全可靠地运行。智能合约的引入，极大地扩展了区块链技术的应用场景，实现了去中心化的自动化和可编程性。
- EVM（以太坊虚拟机） : EVM是运行智能合约的runtime环境，它是一个图灵完备的虚拟机，这意味着它可以执行任何可以计算的算法。EVM独立于底层硬件和操作系统，确保了智能合约在不同节点上的执行结果一致。
- Gas 消耗 : 智能合约的执行需要消耗Gas，Gas是以太坊网络中的燃料，用于衡量执行操作所需的计算资源。Gas的消耗量与智能合约的复杂度、执行的计算步骤以及存储的数据量直接相关。有效的Gas管理对于优化合约性能和防止恶意攻击至关重要。
- 状态改变 : 智能合约执行的核心目标是改变以太坊的状态。这种状态改变包括但不限于：账户余额的转移、合约内部存储数据的更新以及触发其他合约的调用。所有这些状态改变都会被记录在区块链上，保证了数据的不可篡改性和透明性。
用户与智能合约交互时，发起一笔交易。该交易数据包含了目标合约的地址、需要调用的函数名称以及传递给该函数的参数。以太坊网络中的验证者（矿工或验证者节点）会执行智能合约的代码，并根据代码逻辑修改区块链上的相关状态。一旦交易被验证并打包到区块中，执行结果将被永久记录在区块链上，确保了交易的不可逆性和可追溯性。智能合约的执行过程是一个去中心化的过程，由网络共识机制保证其正确性和安全性。
