免責聲明：本文旨在傳遞更多市場信息，不構成任何投資建議。文章僅代表作者觀點，不代表MarsBit官方立場。

小編：記得關注哦

來源：MarsBit

Web3龐大而又復雜，結合了各種組件、技術和概念。無論你是 Web3、區(qū)塊鏈和加密貨幣的新手還是老手，通過這篇稿子，你都將獲得一個關于支持 Web3 的各種組件的高層次概述，使你能夠理解每個組件的目的和好處。具體來說，這個系列的目的是：

1. 提供 Web3 基本組件的概述

2. 評估各種組件的目的

我們將 Web3 定義為互聯網的次迭代，將如今的互聯網中我們所喜愛的東西與可驗證的數字所有權、開放系統(tǒng)、透明度和不可更改性相結合。Web3、區(qū)塊鏈和加密是三個密切相關的主題，但在本篇中會被視為三個獨立的術語。

· 區(qū)塊鏈：一種技術創(chuàng)新，能夠實現可驗證的數字所有權、透明度和不可更改性

· Crypto：加密貨幣的簡稱，描述了區(qū)塊鏈網絡上加密安全的代幣

· Web3：包括區(qū)塊鏈、加密貨幣，以及建立在它們之上的所有生態(tài)系統(tǒng)和創(chuàng)新

要了解 Web3，我們必須首先了解基礎的區(qū)塊鏈和加密技術。雖然 Web3 仍然是一個相對年輕的概念，比特幣在 2009 年才推出，但隨著新的技術創(chuàng)新以瘋狂的速度進入市場，這個行業(yè)正在迅速發(fā)展。

我希望這個系列能幫助你深入鉆研 Web3，并能幫助你找到可以在這個系列之外自己研究的感興趣的領域。在每一個主題中，都可以找到幾十個更深入的補充材料的鏈接，以幫助引導你找到有用的內容。

這個系列分為三個部分，你所在的第一個部分涵蓋了從 Web3 節(jié)點基礎設施到 layer 1 區(qū)塊鏈網絡如何工作的所有內容。下一篇文章將介紹 layer 2、互操作性和建立在本篇文章所概述的基元上的龐大的 dApp 生態(tài)系統(tǒng)。最后，最后一塊將涵蓋鏈外環(huán)境和鏈上/鏈下通信。

Web3 基礎設施概述

我們將 Web3 基礎設施分為多個部分，反映了鏈上生態(tài)系統(tǒng)、支持鏈上生態(tài)系統(tǒng)的鏈下環(huán)境以及將去中心化的網絡相互連接并允許這些網絡與鏈下環(huán)境連接的中間件。

· 鏈上生態(tài)系統(tǒng)

o 節(jié)點層：挖礦/驗證節(jié)點、節(jié)點客戶端軟件、挖礦/盯盤池

o 網絡層：

§ 第一層網絡：單體網絡、模塊化網絡、共識（PoW、PoS）、共享賬本技術、虛擬機與 EVM 兼容、智能合約和 ERC 代幣標準

§ 第二層網絡：閃電網絡、optimistic rollup、零知識 rollup

o 去中心化的應用程序（dApp）層

· 鏈外環(huán)境：分析、審計與安全、錢包、中心化交易所（CEX）、開發(fā)者工具（框架、IDE）、去中心化云（存儲、計算、索引）。

· 互操作性層（“中間件”）：

o 網絡互操作性：鏈橋、原子 swap

o 鏈上/鏈下通信工具。區(qū)塊鏈 API、Oracle

Web3 生態(tài)系統(tǒng)圖譜

鏈上生態(tài)系統(tǒng)

將節(jié)點層高亮的 Web3 生態(tài)系統(tǒng)圖譜

鏈上生態(tài)系統(tǒng)分為三個主要層：

· 去中心化的應用程序（dApp）層

· 網絡層

· 節(jié)點層

這三層結合在一起，實現了 Web3 最著名的由智能合約驅動的生態(tài)系統(tǒng)和應用。我們從節(jié)點層開始看鏈上的生態(tài)系統(tǒng)，然后一直到 dApp 層。

節(jié)點層

這一層也經常被稱為硬件層，因為在這一層，硬件以及與操作硬件參與特定區(qū)塊鏈網絡有關的一切都被設置好了。

節(jié)點客戶端

節(jié)點是一個服務器，它運行一個被稱為客戶端的網絡專用軟件，它允許節(jié)點參與網絡的區(qū)塊創(chuàng)建過程，允許訪問整個區(qū)塊鏈的歷史數據，并允許執(zhí)行 RPC 命令（在 Layer1部分有更多介紹）。RPC 是指遠程程序調用，它允許節(jié)點調用和執(zhí)行某些命令。

在撰寫這篇文章時，按市值計算，最大的兩個區(qū)塊鏈網絡是比特幣和以太坊。雖然參與每個網絡有不同的要求，但它們都需要一個符合客戶硬件規(guī)格的服務器（任何計算機），一個互聯網連接，以及客戶端軟件。對于比特幣，最流行的客戶端軟件是Bitcoin Core，而對于以太坊，最流行的客戶端是GETH（Go Ethereum）.

Bitcoin Core 客戶端和 GETH 客戶端的系統(tǒng)要求

客戶端還編纂了區(qū)塊鏈的規(guī)則，并確保任何被驗證的新區(qū)塊也遵守同樣的規(guī)則。這很重要，因為如果一個節(jié)點驗證了一個其他節(jié)點不接受的區(qū)塊，網絡就會分叉：一組節(jié)點遵循一套規(guī)則，而其余節(jié)點遵循另一套規(guī)則。雖然他們可能共享相同的歷史，但在不同的驗證規(guī)則被引入的那一刻，一個新的鏈被創(chuàng)建并只被接受新規(guī)則的節(jié)點所接受。

一個區(qū)塊鏈和一個分叉鏈共享同一個區(qū)塊歷史

雖然以上是最流行的客戶端，但它們并不是可以用來參與區(qū)塊鏈網絡的唯一客戶端。只要其他客戶端使用相同的驗證規(guī)則，他們就可以驗證區(qū)塊并為區(qū)塊鏈作出貢獻。

· 比特幣客戶端

· 以太坊客戶端

要閱讀更多關于區(qū)塊鏈如何工作的信息，請?zhí)?Layer 1 網絡部分。

節(jié)點基礎設施供應商

通常鼓勵普通用戶運行自己的節(jié)點，以支持公共網絡的去中心化。當更多的用戶運行他們自己的節(jié)點時，單個行為者積累大多數運行節(jié)點并攻擊網絡的機會就會減少。用戶被鼓勵通過區(qū)塊獎勵和交易費用來運行他們自己的節(jié)點，網絡將這些費用分配給節(jié)點運營商。

盡管有這些激勵措施，用戶不愿意自己建立節(jié)點的原因有很多：復雜的技術設置，購買必要硬件的前期資金有限，或者只是暫時需要節(jié)點。這就是節(jié)點基礎設施供應商的作用。這些供應商負責節(jié)點的設置和操作，為客戶提供端到端的服務。一些專門從事節(jié)點基礎設施的大型供應商包括 Blockdaemon和Atlas.

這些節(jié)點基礎設施供應商的一個經常被忽視的目的是為那些尚未建立強大的、去中心化的節(jié)點網絡的新區(qū)塊鏈項目建立節(jié)點。這些較新的網絡可以利用節(jié)點基礎設施供應商來啟動一個全球分布式網絡，而不需要在每個國家建立自己的基礎設施。

礦池和質押提供商

節(jié)點基礎設施提供商為客戶建立節(jié)點，而挖礦池和質押提供商則運營自己的節(jié)點，但允許用戶在其節(jié)點下匯集資源。這增加了節(jié)點從網絡中獲得區(qū)塊獎勵和交易費收入的可能性。對于想把自己的閑置硬件投入使用的用戶來說，這意味著他們可以加入一個礦池，而不需要任何復雜的技術設置，并開始用他們現有的資源賺取收入。

不同共識機制的網絡節(jié)點操作有一些細微差別?；旧?，使用工作證明的網絡匯集了計算資源，而權益證明的網絡匯集了網絡代幣。對于工作證明網絡來說，礦池大大降低了進入的技術門檻，而對于權益證明網絡來說，質押提供者則大大降低了進入的財務門檻（所需的最低質押）。更多細節(jié)將在共識部分介紹。

一些最大的礦池包括 Foundry USA和F2POOL，而一些最大的質押提供商包括Lido和Rocketpool.

節(jié)點層總結

Web3 的節(jié)點層由數千個全球分布的節(jié)點組成，每個屬于特定網絡的節(jié)點都運行該網絡所需的客戶端軟件。只要客戶端軟件的驗證規(guī)則與網絡上的其他節(jié)點相同，該節(jié)點就可以正常運行，而不會造成區(qū)塊鏈的分叉。

雖然任何人都可以在去中心化公鏈網絡上運行自己的節(jié)點，但節(jié)點基礎設施供應商專門負責設置和運營運行節(jié)點和啟動網絡所需的硬件。

最后，礦池和質押供應商的行為降低了采礦和質押業(yè)務的進入門檻。這使得用戶可以參與挖礦和質押活動，賺取網絡獎勵，而不必滿足全部網絡要求。

網絡層

區(qū)塊鏈網絡建立在上述的節(jié)點基礎設施之上。網絡層由各部分組成，包括各種技術，基本層是 layer 1 網絡、layer 2 網絡和在這些網絡之間進行通信的互操作層。

Layer 1 網絡

將網絡層高亮的 Web3 生態(tài)系統(tǒng)圖譜

比特幣、以太坊和 Solana可能是在撰寫本文時最知名的 Layer 1 網絡。Layer 1 網絡是指 Web3 生態(tài)系統(tǒng)中結算交易的主要網絡。Layer 2 網絡是作為 Layer 1 網絡的更深層存在的，交易可以被降級到 Layer 2 網絡上（在我的下一篇文章中會有更多介紹）。雖然在架構上有很大的不同，但它們都依賴于一組類似的架構基元。

· 它們都有一個共享賬本，跟蹤網絡上的交易

· 它們都采用機制來實現與哪些交易和區(qū)塊被認為是有效的共識

· 它們都有一種方法來計算發(fā)送到網絡的命令（以太坊、 Solana 和其他 EVM 兼容鏈的虛擬機，以及比特幣網絡的 Bitcoin Script）

· 在下面的章節(jié)中，我們將分別研究這三個要素，并剖析我們如何從交易到區(qū)塊鏈。

共享賬本

所有去中心化的區(qū)塊鏈網絡都有一個共享賬本。事實上，區(qū)塊鏈就是共享賬本。讓我們退一步來說：賬本是一個企業(yè)經濟活動的記錄，用來追蹤金錢的轉移或資產所有權的轉移。術語共享賬本意味著賬本不是由一個單一實體持有和管理，而是由許多實體持有和管理。

在去中心化的區(qū)塊鏈網絡中，區(qū)塊鏈（網絡上所有活動的分類賬）被保存在網絡上的所有節(jié)點上。如果活動的賬本只由一個中心化的機構管理和存儲，我們會遇到以下挑戰(zhàn)。

· 審查和排斥（見用戶被 PayPal 平臺封禁）

· 記錄管理人的瀆職行為（見 Luckin Coffee 虛報財務數據）

· 記錄的丟失（見亞歷山大圖書館的毀滅）

如果賬本存儲在全球數百甚至數千個節(jié)點上，我們就會得到一個很難被故意和無意篡改或破壞的系統(tǒng)。如果一個節(jié)點倒下了，還有許多其他節(jié)點，用戶可以與之連接，繼續(xù)與賬本進行互動。

中心化和非中心化系統(tǒng)中節(jié)點故障的影響

然而，這個系統(tǒng)確實帶來了其他挑戰(zhàn)：網絡上的節(jié)點如何就什么是正確或有效的賬目條目達成一致？這就是共識算法的作用。

共識

在區(qū)塊鏈網絡中，共識一詞指的是網絡上的節(jié)點之間就哪些賬本條目（交易和區(qū)塊）是有效的并被節(jié)點接受的一般協(xié)議。

在學術界，這個問題被稱為拜占庭將軍問題。這個問題描述了這樣一種情況：一個系統(tǒng)的行動者必須在戰(zhàn)略上達成一致，以避免災難性的失敗，但系統(tǒng)中的一些行動者是不可靠的。

拜占庭將軍問題

在這個假想的場景中，有三個行為者，他們必須協(xié)調他們在拜占庭戰(zhàn)爭中的下一步行動，以避免被敵人攻破。三個行為體中的一個是惡意的，向其余各方轉發(fā)不一致的信息。系統(tǒng)中的誠實（非惡意）行為者如何知道該相信誰？或者換個說法：系統(tǒng)中的所有行為者如何能就接受哪條消息達成共識？

這個問題具有重要意義，因為隨著更多的行動者進入系統(tǒng)，（錯誤）交流的復雜性會成倍增長。

隨著參與者的增多，拜占庭將軍問題的復雜程度指數級上升

第一個在全球范圍內成功解決這一挑戰(zhàn)的系統(tǒng)是比特幣網絡及其工作證明算法。

工作證明（PoW）

比特幣網絡的工作證明算法（也被稱為 PoW）解決了拜占庭將軍的問題，要求任何信息必須經過某種驗證才能被節(jié)點接受。任何沒有經過驗證的信息都不被接受為有效信息，并被節(jié)點拒絕。

說明比特幣網絡工作證明共識算法的流程圖

驗證過程也需要計算資源，這使得偽造驗證變得異常困難。這也是“工作證明”一詞的由來：“向我證明你已經做了必要的工作，讓我接受你的信息”。

讓我們從理論到實踐，更深入地挖掘交易、區(qū)塊和 PoW 過程的機制。別擔心——我們會保證深入淺出的！

區(qū)塊結構

比特幣區(qū)塊是儲存交易的地方，是精心控制的信息單位，一旦完成加密拼圖，就會在整個網絡中廣播。

比特幣網絡的一個區(qū)塊由兩個主要部分組成。

· 區(qū)塊頭

· 交易列表

交易列表就像它聽起來一樣：它是一個節(jié)點收到并包含在一個區(qū)塊中的交易列表。在比特幣網絡中，交易是比特幣網絡上的比特幣轉移（注意：英文中小寫 b 開頭的比特幣是指比特幣資產，而大寫 B 開頭的比特幣是指比特幣網絡）。比特幣網絡是一個共享的公共賬本，追蹤比特幣資產的流動；因此，比特幣網絡上的交易是比特幣在地址之間的轉移。

比特幣使用未花費交易產出，也被稱為 UTXO進行交易。交易和 UTXO 將在UTXO 模型與賬戶模型部分進一步介紹。

區(qū)塊頭是事情開始變得有趣的地方。雖然交易的數量和每筆交易的轉賬金額因區(qū)塊而異，但區(qū)塊頭的元素對每筆交易都是一樣的。

比特幣區(qū)塊的剖析

雖然區(qū)塊頭包括許多元素，但每個元素都對系統(tǒng)至關重要，為了介紹的目的，我們將進一步詳細介紹以下內容。

· 前一個區(qū)塊頭的哈希值：前一個區(qū)塊的所有元素都被哈?；?/p>

· 難度目標：確定“前導零”的數量，從而確定挖礦的難度

· Nonce：一個任意的數字【nonce 是“nonsense”的縮寫】

· Merkle root：該區(qū)塊內所有交易的哈希輸出

從區(qū)塊到區(qū)塊鏈

在我們繼續(xù)之前，我們需要簡單介紹一下哈希算法（hashing）。哈?；菍⒁淮址D化為另一個通常為固定長度的值的過程。當一個哈希算法是確定的，就意味著在相同的輸入下，每次的輸出都是一樣的。然而，如果原始字符串的一個字符發(fā)生變化，哈希的輸出就會完全改變，以至于無法推斷出與原始字符串的關系。請看下面的Bitcoin 與bitcoin SHA256 哈希算法輸出的比較。

SHA256 哈希算法的輸出和字節(jié)長度

在比特幣網絡中，一旦一個區(qū)塊被開采出來，該區(qū)塊的頭就會被哈希化，并作為一個輸入包括在下一個區(qū)塊中。因為每個區(qū)塊的前一個標題的哈希值被包含在下一個區(qū)塊中，所以就形成了一個由區(qū)塊構成的鏈：這就是區(qū)塊鏈。

使用前一個區(qū)塊頭的哈希值連鎖的區(qū)塊

在任何區(qū)塊中的任何變化都會破壞這條鏈，因為已經包含在下一個區(qū)塊中的哈希輸出將與新的哈希輸出不同。因此，這樣的變化會被網絡上的節(jié)點所拒絕。

由于調整交易而導致的斷鏈

Merkle Root

Merkle tree是一種數據結構，其中數據結構中的元素被哈希和重哈希遞歸，直到只剩下一個元素。這個最后剩下的元素就是 Merkle Root.

Merkle Tree 和 Merkle Root

Merkle tree 有一個有趣的數學特性，即在數學上，在只提供 Merkle root 和一個元素的情況下，可以證明這個元素是 Merkle tree 的一部分。

在比特幣網絡中，存儲在區(qū)塊頭中的 Merkle root 是該區(qū)塊中包含的所有交易的遞歸哈希輸出。這意味著，如果任何交易被調整，Merkle root 也將改變，這也將改變整個區(qū)塊頭的哈希輸出。這將再次導致區(qū)塊的無效化。

工作證明中的“工作”

我們知道了什么是哈希算法、區(qū)塊是如何結構化的和區(qū)塊是如何被鏈起來并形成區(qū)塊鏈的，現在我們終于可以更深入地了解工作證明實際是如何工作的?；氐桨菡纪④姷膯栴}，上面提到的驗證信息實際上是區(qū)塊鏈中的一個區(qū)塊。

為了使一個區(qū)塊得到驗證，需要找到一個符合特定標準的哈希值。還記得僅僅一個位元（bit）的變化就會極大地改變哈希值的輸出嗎？這正是比特幣網絡的 PoW 算法尋找目標哈希值的方法：Nonce 是一個任意的數字，它被調整以改變區(qū)塊頭的哈希值輸出。如果哈希值輸出不符合目標哈希值，nonce 會再次被調整。這個過程不斷重復，直到區(qū)塊頭的哈希值滿足目標條件。一旦目標條件得到滿足，區(qū)塊頭就算是得到了驗證，區(qū)塊會被廣播給網絡上的其他節(jié)點，讓它們把新的區(qū)塊附加到它們的區(qū)塊鏈副本中。

工作證明區(qū)塊尋找算法的說明

目標條件，或預期的哈希值，是由它有多少個前導零定義的。如果生成的哈希值有足夠的前導零，也就是說，已經完成了尋找符合目標條件的哈希值的工作，那么網絡上的節(jié)點就接受該區(qū)塊為有效：該區(qū)塊被認為是“已挖礦”。

為了更好地理解這個過程，請瀏覽 Github 上的這個哈希算法模擬器。輸入字符“bitcoin”，并在末尾添加數字，從 0 開始，以 1 的增量不斷增加，直到達到一個前導零（例如，bitcoin0，bitcoin1，等等）。你會注意到，為了找到一個前導零，即哈希值的第一個字符是零，你只需要將數字增加到 3（“bitcoin3”）。現在試著找到兩個前導零。劇透：第一個有兩個前導零的哈希結果是 “bitcoin230”.

工作證明算法：搜索前導零

還有更多的規(guī)則需要節(jié)點遵守，比如最長的鏈總是有效的鏈（防止整個區(qū)塊鏈被覆蓋），已經開采的區(qū)塊必須有一個在網絡時間一定閾值內的時間戳（這樣最新的區(qū)塊就不會被覆蓋），還有圍繞如何確定網絡難度（目標哈希的前導零數量）的復雜機制。有興趣的讀者可以瀏覽 Bitcoin.org或Bitcoin Wiki了解更多細節(jié)。

范式轉變

上述機制，在歷史上第一次允許交易被獨立確認和驗證，而不需要第三方見證和批準交易。與其將交易提交給遭受中心化挑戰(zhàn)的銀行，不如將其發(fā)送到一個獨立的節(jié)點網絡，這些節(jié)點可以在沒有干預的情況下自主地處理交易。這種技術范式的轉變和對賬本的重新認識是今天 Web3 生態(tài)系統(tǒng)賴以建立的基本要素。

此外，由于加入這些網絡的唯一要求是可以運行節(jié)點軟件的計算設備和互聯網連接，任何人都可以作為獨立的節(jié)點加入網絡，增強網絡的分散性。

批評意見

雖然像比特幣網絡這樣的 PoW 網絡有很多節(jié)點（根據 bitnodes.io，截至 2022 年 9 月 15 日，有近 15000 個節(jié)點），但有人批評說，由于網絡上的高度競爭，單個節(jié)點的準入門檻太高。一個節(jié)點擁有的哈希能力（即計算資源）越多，該節(jié)點就越有可能首先解決哈希難題，因為它能以比網絡上其他節(jié)點更快的速度進行更多的計算。作為一個哈希值較低的單一節(jié)點進入比特幣網絡，將導致能源成本，而成為第一個成功開采新區(qū)塊的機會幾乎不存在。

能源消耗也是一個備受爭議的話題：網絡需要大量的能源，一些估計指出，比特幣網絡的年能源消耗超過挪威。

比特幣估計年能源消耗。來源：劍橋 BECI

這些能量被浪費在節(jié)點每秒進行數百萬次的哈希計算，尋找哈希。雖然這增加了比特幣網絡的安全性，但它確實引出了一個問題，即是否有任何不那么浪費的方法來驗證區(qū)塊。這就是權益證明的由來。

權益證明（PoS）

在權益證明中，節(jié)點被賦予了根據其在網絡中的質押來驗證一個區(qū)塊的權限。這是一種與 PoW 根本不同的方法，大大降低了驗證所需的計算能力。節(jié)點不提供計算能力，而是將他們的本地網絡代幣作為抵押品，以換取驗證區(qū)塊的機會。這從本質上消除了基于競爭的計算，增加了能夠成功驗證區(qū)塊的節(jié)點的分布。

合并后的以太坊是一個權益證明網絡。它需要用 32 個 ETH 做質押才能成為一個驗證者，之后節(jié)點可以參與區(qū)塊驗證，從而為網絡增加新的區(qū)塊作出貢獻。質押指的是鎖住代幣，是 PoS 網絡的基礎。

除了成為驗證者的高額前期費用外，PoS 網絡還采用其他方法來防止惡意行為者擾亂網絡。一般來說，PoS 網絡還要求多個節(jié)點同時驗證同一個區(qū)塊，這就減少了一個節(jié)點驗證錯誤或惡意區(qū)塊的可能性。此外，如果發(fā)現一個節(jié)點有惡意行為，他們的權益可以被砍掉。這意味著他們在協(xié)議中鎖定的網絡代幣的數量被從節(jié)點中移除，并被轉移到一個臨時地址或燒毀。 代幣的燃燒是指通過將代幣發(fā)送到網絡上沒有人可以訪問的地址，將其永久地從流通中移除。在以太坊網絡中，這就是空地址（null address）。

其他共識機制

除了工作證明（PoW）和權益證明（PoS）之外，還有許多為特定網絡設計的具有特定目的的共識機制。下面是一份不完全的流行共識機制的清單。

· Delegated Proof-of-Stage（DPoS）

· 授權證明（Proof-of-Authority, PoA）

· 活動證明（Proof-of-Activity, PoA）

· Brun 證明（PoB）

· Proof-of-Spacetime（PoSt）

· 歷史證明（Proof-of-History, PoH）

· 實用拜占庭容錯（pBFT）共識【Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT) Consensus】

共享賬本——會計系統(tǒng)（UTXO 與賬戶模式的對比）

前面我們提到，區(qū)塊鏈是通過哈希算法將數據塊相互加密連接起來，從而形成一個賬本。這個賬本被保存在整個網絡的數千個節(jié)點上，使賬本在這些網絡中“共享”。任何賬本，不管是共享區(qū)塊鏈賬本還是傳統(tǒng)會計賬本，都需要記賬。記賬指的是如何接受、執(zhí)行交易并將新的余額存儲在區(qū)塊鏈上。在 Web3 中，有兩種主要的記賬模型。

· 未消費交易輸出（UTXO）模型（如比特幣網絡）

· 賬戶模型（The Account Model，如以太坊網絡）

為了幫助理解這些不同的記賬模型，將區(qū)塊鏈視為狀態(tài)機是有幫助的。狀態(tài)機是一個存儲其狀態(tài)的系統(tǒng)，其狀態(tài)可以根據對設備的輸入而改變。這意味著，在任何給定的時間點，系統(tǒng)處于某種狀態(tài)，隨著對系統(tǒng)的任何輸入，例如通過交易，系統(tǒng)的狀態(tài)會發(fā)生變化。當向系統(tǒng)提供輸入并且狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)就會經歷一個狀態(tài)轉換。

如果我們通過狀態(tài)機的視角來看區(qū)塊鏈，這意味著在任何給定的時間點，區(qū)塊鏈系統(tǒng)處于 n狀態(tài)，任何被添加到區(qū)塊鏈的區(qū)塊都會導致狀態(tài)轉換和n 1的新狀態(tài)。這個n 1的新狀態(tài)考慮到了被添加到新區(qū)塊中的所有交易，導致了一個新的系統(tǒng)狀態(tài)。

區(qū)塊鏈和交易引發(fā)的狀態(tài)變化

未消費交易輸出（UTXO）模型

UTXO 模型和賬戶模型的區(qū)別在于如何記賬——或記錄交易——的處理。

簡單來說，在 UTXO 模型中，不存在賬戶余額這種東西。相反，每筆交易都是一張收據，指出誰給誰發(fā)了多少錢。這就是未消費輸出這個名字的由來，因為用戶可以轉移的余額是他們尚未花費的先前交易的多少。

UTXO 模型的工作原理圖解

當用戶想發(fā)送比特幣時，所選 UTXO 內的所有比特幣都成為交易輸入（見上圖 UTXO0）。一個新的 UTXO 被創(chuàng)建，其中包含要發(fā)送的數量（見上圖 UTXO2）。如果 UTXO 持有的比特幣多于要發(fā)送的比特幣，剩余的比特幣將作為一個新的 UTXO 送回給用戶（上圖中有 0.5 個比特幣需要發(fā)送，但 UTXO0 中持有 2.0 個，所以 UTXO2 包含要發(fā)送的 0.5 個，UTX03 包含返回給發(fā)送方的 1.5 個）。

這也實現了一個有趣的特性：由于 UTXO 模型，每一個原生代幣的來源都可以追溯到它的創(chuàng)建，因為每一個交易輸出必須有一個相應的輸入。對于使用 UTXO 模型的比特幣網絡來說，這意味著每個比特幣都可以追溯到它被挖礦的區(qū)塊。因此，UTXO 模型中不存在余額的概念。相反，余額是網絡中所有交易收據的匯總。

網絡上的每一筆交易都精確地定義了誰從哪筆交易的輸入中獲得多少比特幣。然后，系統(tǒng)會驗證交易投入是否未被使用，以及發(fā)送方是否有權力發(fā)送比特幣，以及接收方是否符合接收比特幣的正確參數。因此，UTXO 模型可以被認為是一個驗證系統(tǒng)。

雖然不包括在前面的例子中，但交給礦工的交易費也作為交易的一部分被扣除。UTXO3 不是 1.5 個幣，而可能是 1.499 個幣，其中的差額是交易費。

帳戶模型

賬戶模型更接近于傳統(tǒng)銀行賬戶的數字表示。在每個狀態(tài)轉換中，所有賬戶和余額的集合被存儲起來，而不是像 UTXO 模型中那樣，必須根據一組收據來計算賬戶余額。為了開始一個狀態(tài)轉換，需要啟動一個交易，指示系統(tǒng)改變余額。然后，系統(tǒng)計算每個賬戶余額的變化，在下一個狀態(tài)中，新的余額集被存儲。

賬戶模型的工作原理說明

在 UTXO 系統(tǒng)中，每個交易輸入（從以前的交易中收到的 UTXO）都是單獨驗證的，必須大于輸出，而在賬戶模型中，賬戶余額必須大于交易輸出。這意味著，在 UTXO 系統(tǒng)中，多個 UTXO 可以合并并單獨驗證，以創(chuàng)造一個或多個交易輸出，而在賬戶模型中，只有余額需要驗證。

如果使用多個 UTXO 作為輸入和 UTXO 模型如何工作

關于 UTXO 模型與賬戶模型的更多信息，我強烈建議閱讀 Horizen.io關于這個問題的這篇內容。

虛擬機（VM）、智能合約和圖靈完備性

虛擬機是一個模擬計算機的軟件。它取代物理設備，虛擬計算機的所有物理組件作為軟件在另一個系統(tǒng)中運行。例如，一個 Windows 虛擬機可以在 MacOS 上運行，允許整個 windows 系統(tǒng)在 MacOS 內運行。Windows 虛擬機的物理組件是用軟件模擬的，所以 Windows 系統(tǒng)是不知道的。

這個概念也適用于區(qū)塊鏈網絡：一個單獨的虛擬機組件與共享賬本一起存在，它允許計算任務被執(zhí)行。這意味著，除了存儲余額（賬戶模型）或余額變化（UTXO 模型）的共享賬本外，還有一個單獨的計算組件來計算余額。這個計算組件也可以用于簡單的余額計算之外的更復雜的邏輯。這就是為智能合約鋪平道路的原因——后面會詳細介紹。第一個獲得廣泛成功的此類系統(tǒng)是以太坊虛擬機 （EVM）。

Bitcoin Script也可以被認為是一個虛擬機，因為它是比特幣網絡的計算組件，節(jié)點用它來驗證 UTXO 和執(zhí)行交易。然而，比特幣腳本是相當有限的，無法運行像 EVM 那樣的復雜邏輯。

以太坊虛擬機（EVM）

EVM 是一個模擬特定計算機系統(tǒng)的軟件，在以太坊節(jié)點上運行。EVM 的主要目的是計算以太坊網絡的世界狀態(tài)，并運行智能合約。EVM 的創(chuàng)新之處在于兩個方面：

1. EVM 實現了世界狀態(tài)的去中心化計算，包括執(zhí)行有點復雜的智能合約的計算邏輯

2. EVM 能夠在去中心化的區(qū)塊鏈網絡（智能合約）上自主和無信任地執(zhí)行代碼

一個區(qū)塊鏈和一個虛擬機（VM）

當一個網絡聲稱“EVM-兼容”時，這意味著該網絡可以部署和執(zhí)行為以太坊虛擬機編寫的智能合約。EVM 是最流行的虛擬機，并已成為 Web3 中智能合約計算的事實標準。 具有 EVM 兼容性允許較新的網絡通過使項目更容易移植到他們的網絡來引導其生態(tài)系統(tǒng)。這種標準化也使得網絡之間的代幣橋接更加容易，因為兩個網絡可以運行相同的代碼。

關于 EVM 架構的一個夢幻般的自我解釋的深入研究，我引導讀者去看 Takenobu T. 的這篇內容（由于“合并”標志著以太坊生態(tài)系統(tǒng)在2022 年 9 月 15 日從 PoW 過渡到 PoS，這個演講的 PoW 方面已經過時了）。

智能合約

一個智能合約是一個存儲在去中心化網絡中的程序，當滿足特定條件時，可以由虛擬機自主執(zhí)行。這些條件可以是指當網絡上發(fā)生特定事件或當用戶與智能合約互動時被激活的任何條件。智能合約的復雜計算能力也使ERC-20 代幣和NFT（非同質化代幣）得以創(chuàng)建。

智能合約和 EVM 是推動行業(yè)超越區(qū)塊鏈和加密、實現 Web3 概念的原因：由于這些創(chuàng)新，有可能擁有可組合的應用程序，在不可審查的去中心化網絡上自主運行。這些創(chuàng)新的結合就是 Web3 龐大的 dApp 生態(tài)系統(tǒng)的由來。

dApp 是去中心化的應用程序，它使用智能合約的組合，通常也是一個容易訪問的基于網絡的前端，以實現與區(qū)塊鏈網絡的互動。dApp 的智能合約也可以通過節(jié)點直接訪問，但是基于網絡的前端大量減少了訪問的障礙。在今天，最知名的 dApp 大概是 Uniswap.

Solidity 語言、Rust 語言和 Bitcoin Script

Solidity是以太坊區(qū)塊鏈上最常用的智能合約的編程語言。開發(fā)者用 Solidity 編碼他們的智能合約，將其編譯成字節(jié)碼，然后將字節(jié)碼部署到網絡中。Solidity 是一種面向對象和靜態(tài)類型的編程語言，它是基于 C 、Python 和 JavaScript 而建立的。

Rust是Solana、Polkadot和NEAR鏈上最受歡迎的智能合約的編程語言之一。Rust 是一種低級靜態(tài)類型的編程語言，以其速度、效率和設計最佳實踐而聞名。雖然它是一種較年輕的語言，但它在2020和2021連續(xù)兩年被 StackOverflow 評為最受歡迎的編程語言。就像 Solidity 一樣，代碼被編譯，字節(jié)碼被部署到各個網絡上。

只要代碼可以被編譯成網絡可以閱讀和解釋的字節(jié)碼，區(qū)塊鏈接受各種編程語言。這也適用于比特幣網絡，它的主要腳本語言是 Bitcoin Script. Bitcoin Script 和 Solidity/Rust 之間的區(qū)別是，Bitcoin Script 實際上不是一種編程語言，而是一個用于交易的腳本系統(tǒng)。在比特幣網絡中，腳本是與每筆交易一起記錄的指令清單，它描述了下一個想花被轉移的比特幣的人如何獲得它們。請記住，UTXO 是未使用的交易輸出；因此，每一個輸出都可以有附帶的要求，需要滿足這些要求，才能允許輸出成為另一個交易的輸入。

圖靈完備性

從圖靈完備性的角度來看，Solidity/Rust 和 Bitcoin Script 之間的差異變得更加清晰。圖靈完備性指的是一個抽象機器（圖靈機）的概念：在給定了無限的時間和計算資源的情況下，只要這個問題能夠被編碼或邏輯地構建，它就能夠計算任何問題。

更復雜的邏輯問題需要使用條件語句和循環(huán)，Solidity 和 Rust 作為完整的編程語言支持這些。然而，Bitcoin Script 不支持這些。這是因為比特幣網絡不允許復雜的計算，而是依賴于一個相當簡單的指令集，只圍繞交易的想法工作（沒有智能合約）。雖然這使得比特幣網絡不容易出錯，可以說更安全，但它確實限制了它的可編程性。

以太坊、Solana 和 Polkadot 可以被認為是準圖靈完備的。盡管由于 Solidity 和 Rust 的存在，它們能夠進行復雜的計算，并且在理論上只要有足夠的時間就能解決任何邏輯問題，但它們受到 gas fee 的限制。Gas fee是網絡為執(zhí)行任何計算任務所收取的費用。雖然時間和計算資源在理論上可以是無限的，但原生網絡代幣的數量可能不是。因此，雖然理論上這些網絡是圖靈完備的，但在實踐中，它們最多只能被視為準圖靈完備的。

圖靈完備性和非圖靈完備性的區(qū)別對于更好地理解網絡的能力和在網絡上可以建立的東西非常重要。圖靈機和圖靈完備性還有更多的細微差別，感興趣的讀者可以在這里閱讀更多內容。

從EIP 到 ERC

ERC（Ethereum Request for Comment）指的是以太坊區(qū)塊鏈中使用的技術編碼標準。ERC 規(guī)定了以太坊智能合約必須遵循的一些規(guī)則和行動，以及如何實現這些規(guī)則和行動。

然而，ERC 已經是一個約定俗成的標準，已經包含在開發(fā)者同意使用的以太坊文檔中。在一個 ERC 成為 ERC 之前，它開始是一個 EIP（Ethereum Improvement Proposal）. EIP 本質上是非常詳細的論壇帖子，用戶可以在其中對以太坊區(qū)塊鏈和生態(tài)系統(tǒng)的變化進行爭論、討論和投票。

從 EIP 到 ERC 的過程

這個系統(tǒng)在整個 Web3 生態(tài)系統(tǒng)中被非常廣泛地使用，從網絡（例如，比特幣使用 BIP—— Bitcoin Improvement Proposals）到 dApp（例如，AAVE 使用AIPS—— AAVE Improvement Proposals）.

ERC 代幣標準

基于 ERC 的代幣建立在以太坊網絡上，但它們在技術上有別于以太坊代幣，后者是以太坊網絡的原生代幣。以太坊代幣被定義為網絡的一部分，是網絡的底層“貨幣”，以 gas fee 的形式支付交易和智能合約執(zhí)行，而基于 ERC 的代幣被定義在智能合約中。

ERC 標準的智能合約定義了代幣的所有參數和所有行為，可以使用 etherscan.io或任何其他與 EVM 兼容的網絡的區(qū)塊探索器在線查看。區(qū)塊探索器是一種工具，它允許你查看存儲在區(qū)塊鏈上的實時和歷史信息。由于這種標準化，基于 ERC 的代幣的行為是可預測的，允許 dApp 和其他智能合約與任何使用這些標準的智能合約互動。

接下來，我們會介紹 ERC-20、ERC-721、ERC-1155 和 ERC-4626 標準。前三個標準涉及到創(chuàng)建同質化和非同質化數字資產，這些數字資產在區(qū)塊鏈上生存，而 ERC-4626 標準規(guī)范了應用于 ERC-20 的收益功能。

ERC-20、ERC-721 和 ERC-1155 代幣標準及其同質性

ERC-20 代幣（同質化代幣）

ERC-20是一個同質化代幣的標準。同質性是指一種資產可以與另一種相同的資產互換，而兩種資產是無法相互區(qū)分的。例如，一張一美元的鈔票是同質化的，因為它可以與任何其他一美元的鈔票進行交換。

ERC-20 標準允許在 EVM 兼容的網絡上創(chuàng)建同質化代幣。Curve 代幣（CRV）、Uniswap 代幣（UNI）或 AAVE 代幣（AAVE）都是同質化代幣的例子，但法定貨幣的數字代幣也是 ERC-20，例如USDT或USDC，它們與美元掛鉤。

ERC-20代幣是同質化代幣

ERC-721 代幣（非同質化代幣）

ERC-721標準定義了非同質化代幣（NFT）。NFT 的獨特之處在于它的名字：代幣是不可偽造的，這意味著每個代幣都是獨一無二的。NFT 是一個令人興奮的發(fā)展，因為每個 NFT 的內容可以是創(chuàng)建者想要的任何內容，從個人照片到房地產的契約或任何其他證書。NFT 實現了對任何物理或獨特數字資產的可公開驗證的數字所有權。

流行的 NFT 包括 Cryptopunks、Bored Ape Yacht Club和Ethereum Name Service （ENS）.

ERC-721（NFT）是非同質化代幣

ERC-1155（Multi-Token）

ERC-1155是所謂的“多元代幣（Multi-Token）”：它們結合了 ERC-20（同質化代幣）和 ERC-721（非同質化代幣）的功能。這意味著，除了通過多個“獨特的”同質化資產，例如游戲中的一把劍（非同質化的）和 100 個供應量（同質化的）來實現新的用例之外，也可以在一個智能合約中管理多個代幣類型。

將這些功能合并到一個智能合約中，可以使智能合約在 EVM 中使用的空間方面創(chuàng)造效率。這也為更大和更復雜的項目創(chuàng)造了簡單性，因為多套代幣可以從一個智能合約中管理。

流行的 ERC-1155 包括 ENJIN NFT，它使用 ERC-1155 來跟蹤基于區(qū)塊鏈的少數游戲中的資產，以及可能需要定期創(chuàng)建大量獨特資產集作為一個合同的一部分的票務應用。使用 ERC-1155 的項目例子包括 The Sandbox Metaverse、Fanz和Azure Heroes.

ERC-1155 代幣結合了同質化代幣和非同質化代幣的功能

ERC-4626（The Vault Standard）

ERC-4626將代幣金庫標準化。保險庫是一個有收益的智能合約，接受 ERC-20 代幣存款，并向存款人提供另一種代幣的代幣獎勵（收益）。它本質上是一個多簽名的資產管理智能合約，產生代幣作為存款的獎勵形式，以后可以兌換最初存入保險庫的代幣。

例如，xSushi是一個有收益的代幣，可以兌換成SUSHI代幣（SushiSwap dApp的治理代幣），基本上代表用戶在 Sushi DeFi 協(xié)議中產生收益活動的份額。

這個代幣標準使開發(fā)者能夠接受任何 ERC-20 代幣，而不必手動整合每個代幣，并考慮他們的具體設計決策。這減少了可能導致資產損失的編碼錯誤的風險。

Yearn V3是第一個使用 ERC-4626 標準的主要協(xié)議，Balancer和Rari Capital等協(xié)議也已開始實施該標準。

區(qū)塊鏈與有向無環(huán)圖（DAG）的對比

有向無環(huán)圖（DAG）是一種不同的數據結構方法，一些項目將其作為區(qū)塊鏈共享賬本結構的替代方案。區(qū)塊鏈的交易包含在區(qū)塊中，區(qū)塊按時間順序進行驗證和連鎖。區(qū)塊鏈被復制到網絡上的所有節(jié)點。

在 DAG 中，交易被逐一驗證，每個交易都與下一個交易相關聯。為了驗證一個交易，由網絡決定的另外兩個交易也必須被驗證。這導致了一個類似于網絡的結構，可以很容易地進行擴展，并允許交易的并行計算，這可以大大增加吞吐速度。由于驗證交易是非常直接的，礦工在這個系統(tǒng)中扮演的角色非常?。喝魏闻c網絡互動的用戶都可以驗證其他用戶的交易，這大大降低了交易成本。

區(qū)塊鏈 Vs. DAG

有向無環(huán)圖這個詞很好地描述了這種結構：

· 有向：數據結構只能在一個方向上移動（添加新數據）

· 無環(huán)：當沿著數據點之間的定向路徑移動時，不可能碰到之前的數據點（非環(huán)形）

· 圖：由節(jié)點/頂點和邊（節(jié)點之間的連接）組成的非線性數據結構

雖然這種結構在交易吞吐量、驗證速度和交易成本方面帶來了好處，但 DAG 面臨著完全不同的挑戰(zhàn)。雖然在理論上這個系統(tǒng)允許強大的去中心化，但交易的減少在理論上會導致網絡安全的降低：更少的交易意味著更少的隨機驗證者，這增加了單一驗證者或一組驗證者控制大多數交易的可能性。如果一個實體控制了大部分的網絡活動，那么將惡意活動引入網絡就會變得更加容易。

為了應對上述挑戰(zhàn)，基于 DAG 的網絡已經轉向中心化的解決方案：實施中央協(xié)調人，為待驗證的交易提供路線，控制具有更高權限的“證人”驗證人，或直接使驗證網絡私有化。

盡管有這些挑戰(zhàn)，DAG 網絡填補了 Web3 生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要空白：它們是稍微更中心化一些的高吞吐量網絡，可以管理繁重的交易負載，并且隨著 Web3 主流應用的進展，會發(fā)現更多的使用案例。

單片式與模塊化區(qū)塊鏈

去中心化網絡是復雜的系統(tǒng)，由各種組件組成，這些組件相互操作，創(chuàng)造出無信任和不可改變的網絡。比特幣、以太坊、Solana、Polkadot 和 NEAR 等網絡都被認為是單片式區(qū)塊鏈——它們都是“由單片形成”的網絡，一個組件的任何變化都需要整個網絡的更新。模塊化區(qū)塊鏈拿出這些不同的組件并讓它們被換成其他組件。

模塊化區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各個組成部分包括：

· 執(zhí)行層：交易執(zhí)行和智能合約

· 結算層：交易驗證、交易結算

· 共識層：共識機制

· 數據可用性：共享賬本

單片式區(qū)塊鏈與模塊化區(qū)塊鏈。改編自：Celestia 網站

通過將系統(tǒng)拆分成多個組件，可以對每個組件進行優(yōu)化，提高每個組件的效率和安全性。Layer 2，將在本系列的下一部分中詳細介紹，可以說是進入模塊化的第一步。Layer 2 卸載了執(zhí)行層，在一個單獨的網絡上執(zhí)行交易和智能合約，并將結果反饋給 Layer 1 單體網絡，在那里管理結算、共識和共享賬本。

雖然模塊化有許多好處，但模塊化系統(tǒng)只有在其最薄弱的環(huán)節(jié)才會強大。有了模塊化組件，個別組件就有可能更容易成為目標。此外，給網絡增加模塊化也引入了一個新的復雜程度，無論是從技術角度還是從網絡原生代幣的價值角度，都要確保網絡的正常運行。如果結算層可以被另一個使用不同代幣的結算層所取代，那么一個網絡首先要證明代幣的存在是有難度的。

盡管有這些挑戰(zhàn)，模塊化區(qū)塊鏈的概念為新項目和新技術的發(fā)展提供了一個令人興奮的方向，這可以幫助擴大和發(fā)展 Web3 生態(tài)系統(tǒng)。流行的模塊化區(qū)塊鏈項目包括 Celestia和Cosmos.

Layer 1 網絡總結

Web3 是一個龐大的概念，結合了區(qū)塊鏈、加密和建立在它們之上的生態(tài)系統(tǒng)以及相關技術。

比特幣是普及去中心化區(qū)塊鏈技術的 layer 1 網絡，而以太坊是提供準圖靈完備計算功能的網絡，實現了智能合約。正是通過對早期區(qū)塊的數據進行哈希運算來串聯數據塊的想法，再加上在許多節(jié)點上分發(fā)所有存儲數據的副本，才實現了不可更改性和數據的永久性。除了這些技術原素，節(jié)點基礎設施也必須到位，才能發(fā)揮作用：如果網絡上只有一個節(jié)點，那么網絡本質上是中心化的，并面臨著中心化的挑戰(zhàn)：數據可以被改變，被刪除，對它的訪問可以被節(jié)點限制。

除了基礎數據結構，還有一個問題是網絡上的節(jié)點如何知道提供給它們的數據是否正確。這被概括為“拜占庭將軍的問題”。比特幣通過其工作證明（Proof-of-Work）共識算法解決了這個問題，該算法要求網絡上的節(jié)點解決計算量大的加密難題，以證明他們已經完成了驗證一個區(qū)塊所需的驗證工作。存在替代性的共識算法，例如 Proof-of-Stake，它需要的能量要少得多，而且被認為對環(huán)境更好。

比特幣和以太坊是撰寫本文時最受歡迎的兩個區(qū)塊鏈網絡，它們使用的記賬模式有很大的不同。比特幣網絡使用 UTXO 模式，而以太坊網絡使用賬戶模型。UTXO 模型可以被認為是一個 \”驗證系統(tǒng)\”，每一個 UTXO 都是一個交易的賬單。賬戶模型更像一個賬戶和余額的數據庫，隨著每個新區(qū)塊被添加到區(qū)塊鏈上而更新。

以太坊的計算組件被稱為“以太坊虛擬機”，允許執(zhí)行智能合約。智能合約是存儲在去中心化區(qū)塊鏈網絡上的應用程序，可以根據可編程的觸發(fā)標準自主執(zhí)行。根據你所使用的區(qū)塊鏈，智能合約可以用 Solidity、Rust 或其他編程語言編寫。

智能合約的標準化是必要的，以實現智能合約之間更好的互操作性。ERC 是已經在以太坊文檔中固化的編碼標準，是“成功”的 EIP. EIP 是以太坊生態(tài)系統(tǒng)中任何人都可以提出的建議，并開放給任何人查看、討論和投票。如果一個 EIP 被投票通過，提議的變化就會被應用到網絡中。四個最流行的 ERC 代幣標準是 ERC-20（同質化代幣），ERC-721（非同質化代幣，或“NFT”），ERC-1155 （多元代幣）和 ERC-4626（金庫標準）.

雖然區(qū)塊鏈一直是 Web3 去中心化網絡最流行的賬本格式，但隨著現有的結構被調整為特定的用例，替代格式已經出現了。有向無環(huán)圖（DAG）是這種替代結構的一個例子，它依賴于驗證交易而不是完整的區(qū)塊。模塊化網絡是我們需要重新思考現有結構這一想法的延伸。模塊化網絡旨在將分散的網絡分成不同的功能層，每個功能層都可以單獨優(yōu)化。

結語

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