加密貨幣和區(qū)塊鏈技術(shù)的世界正在迅速發(fā)展，吸引越來越多的參與者。然而，在加密交易所和錢包的美觀界面背后，隱藏著復雜的基礎(chǔ)設施，確保整個系統(tǒng)的運作。這些基礎(chǔ)設施的核心是節(jié)點——任何區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的基本元素。什么是節(jié)點，它執(zhí)行什么功能，為什么它們對于加密貨幣的運作如此重要？在這篇文章中，我們將詳細分析節(jié)點的工作原理及其在現(xiàn)代區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的角色。

什么是區(qū)塊鏈中的節(jié)點(Node)？

基本定義

區(qū)塊鏈中的節(jié)點(Node) 是連接到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的計算機或設備，儲存整個區(qū)塊鏈或其部分的副本并參與交易的驗證和傳播過程。每個節(jié)點都是去中心化網(wǎng)絡中的聯(lián)絡點，處理并傳遞有關(guān)交易和區(qū)塊的信息給其他節(jié)點。

實質(zhì)上，節(jié)點是執(zhí)行特定軟件的伺服器，使其能夠與特定的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡互動。例如，要成為比特幣網(wǎng)絡中的節(jié)點，需要安裝比特幣核心(Bitcoin Core) 程序，而以太坊則需要Geth 或Parity。

單詞“Node” 從英語翻譯為“節(jié)點”，這非常準確地反映了這些設備的功能——它們是全球區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的聯(lián)絡節(jié)點，確保其完整性、安全性和去中心化。
 

節(jié)點如何參與交易確認過程

交易確認過程是區(qū)塊鏈中節(jié)點的關(guān)鍵功能之一。當用戶發(fā)起交易（例如，將加密貨幣發(fā)送給其他用戶）時，這些信息會在網(wǎng)絡中擴散并進入未確認交易池。

節(jié)點在確認交易時執(zhí)行以下操作：

• 有效性檢查：節(jié)點檢查交易是否符合網(wǎng)絡規(guī)則。例如，他們會確認發(fā)送者確實擁有足夠的加密貨幣進行發(fā)送，并且數(shù)字簽名是正確的。
• 信息擴散：如果交易被認為是有效的，節(jié)點會將其傳遞給網(wǎng)絡中的其他節(jié)點。
• 包含在區(qū)塊中：挖礦節(jié)點將已驗證的交易合并到區(qū)塊中，并嘗試找到加密難題的解決方案（在使用工作量證明的網(wǎng)絡中）。
• 新區(qū)塊檢查：當新區(qū)塊被創(chuàng)建時，所有節(jié)點都會檢查它，如果有效則將其添加到自己的區(qū)塊鏈副本中。然后，他們將有關(guān)新區(qū)塊的信息傳遞給其他節(jié)點。
• 歷史存儲：節(jié)點存儲所有已確認交易的歷史，確保區(qū)塊鏈的透明性和不可篡改性。

通過這個過程，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡可以在沒有中央管理機構(gòu)的情況下運行，而用戶可以放心他們的交易的安全性和正確性。

節(jié)點的類型：全節(jié)點、輕節(jié)點、挖礦節(jié)點

在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中存在不同類型的節(jié)點，每種類型執(zhí)行特定的功能：

• 完整節(jié)點（Full node） – 保留區(qū)塊鏈的完整副本，并檢查所有交易和區(qū)塊是否符合網(wǎng)絡規(guī)則。完整節(jié)點是去中心化的基礎(chǔ)，因為它們獨立驗證所有數(shù)據(jù)，而不依賴于對其他參與者的信任。
• 輕節(jié)點(Light node) – 僅保存區(qū)塊標題，而不是完整的交易歷史。輕量的節(jié)點依賴于完整的節(jié)點來驗證交易。它們需要較少的資源，可以在限制能力的設備上運行，如智慧手機。
• 挖礦節(jié)點(Mining node) – 一種類似完整節(jié)點的特殊類型，除了驗證交易外，還參與創(chuàng)建新區(qū)塊。挖礦節(jié)點彼此競爭，解決復雜的數(shù)學問題，以獲得將新區(qū)塊添加到鏈上的權(quán)利并獲得獎勵。

除了這些基本類型，還有：

• 檔案節(jié)點– 不僅存儲區(qū)塊鏈的當前狀態(tài)，還存儲所有變更歷史，這使它們對于分析和研究特別有價值。
• 主節(jié)點– 在某些區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中執(zhí)行額外功能的特殊節(jié)點，如確保私密交易、投票網(wǎng)絡治理問題等。啟動主節(jié)點通常需要以相應網(wǎng)絡的代幣作為押金。
• 質(zhì)押節(jié)點– 參與使用股份證明（Proof of Stake）網(wǎng)絡中的交易確認過程，鎖定（質(zhì)押）一定數(shù)量的加密貨幣。

選擇節(jié)點類型取決于網(wǎng)絡參與者的目標、技術(shù)能力和對于維護區(qū)塊鏈投入資源的意愿。

節(jié)點在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的運作原理？

節(jié)點之間如何連接

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡是一個對等（peer-to-peer）網(wǎng)絡，在這里節(jié)點彼此直接互動，無需中央伺服器。這種互動確保了整個系統(tǒng)的完整性和安全性。

節(jié)點互動機制包括：

• 發(fā)現(xiàn)節(jié)點: 當新的節(jié)點加入網(wǎng)絡時，它必須找到現(xiàn)有的節(jié)點以進行連接。這可以通過預先編程的“seed nodes”（種子節(jié)點）、DNS伺服器或其他發(fā)現(xiàn)機制進行。
• 建立連接: 每個節(jié)點支援與其他節(jié)點的多個連接，形成復雜的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡。例如，Bitcoin 網(wǎng)絡中的節(jié)點通常維持從8 到125 個活動連接。
• 數(shù)據(jù)交換協(xié)議: 節(jié)點使用專門的協(xié)議來交換信息。這些協(xié)議定義了哪些數(shù)據(jù)及其格式在節(jié)點之間傳輸。
• 同步: 當新的節(jié)點連接到網(wǎng)絡時，必須與當前區(qū)塊鏈的狀態(tài)進行同步，下載從網(wǎng)絡創(chuàng)建以來的所有區(qū)塊（對于完整節(jié)點）或僅需的信息（對于輕節(jié)點）。
• 信息擴散: 當節(jié)點接收到新的交易或區(qū)塊時，它會驗證這些信息，并在它們有效的情況下，將信息傳遞給所有連接的節(jié)點，確保數(shù)據(jù)在整個網(wǎng)絡中的快速傳播。

這種架構(gòu)確保了網(wǎng)絡對故障和攻擊的高度韌性。即使某些節(jié)點失效或被攻擊，網(wǎng)絡也將通過剩余的連接繼續(xù)運行。

節(jié)點在驗證和數(shù)據(jù)傳遞過程中的工作原理

節(jié)點的主要任務是維持對區(qū)塊鏈狀態(tài)的共識。為此，它們執(zhí)行一系列復雜的過程：

• 接收和驗證交易:
  • 當用戶發(fā)送交易時，它會進入幾個節(jié)點的mempool（記憶池）。
  • 每個節(jié)點檢查交易是否符合協(xié)議規(guī)則：數(shù)字簽名的正確性，資金是否充足，格式是否合理等等。
  • 有效的交易被保存到節(jié)點的記憶池中，并傳遞給網(wǎng)絡中的其他節(jié)點。
• 區(qū)塊的形成(對于挖礦節(jié)點)：
  • 挖礦節(jié)點從記憶池中選擇交易，優(yōu)先選擇提供更高手續(xù)費的交易。
  • 它們創(chuàng)建新的區(qū)塊候選，將前一區(qū)塊的哈希、時間戳、所選交易根哈希的默克爾樹及其他必要數(shù)據(jù)納入其中。
  • 然后它們嘗試找到一個nonce（隨機數(shù)）值，使得區(qū)塊的哈希滿足特定的難度條件（在工作量證明網(wǎng)絡中）。
• 驗證和接受新區(qū)塊:
  • 當節(jié)點收到有關(guān)新區(qū)塊的信息時，它會進行一系列檢查：區(qū)塊結(jié)構(gòu)是否符合協(xié)議，所有包含的交易的有效性，區(qū)塊哈希的正確性等。
  • 如果區(qū)塊通過所有檢查，節(jié)點將其添加到自己的區(qū)塊鏈版本中，并將新區(qū)塊的信息傳遞給其他節(jié)點。
  • 如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈的替代版本（分叉），它將遵循選擇最長鏈或具有最高累積難度的鏈的規(guī)則（根據(jù)協(xié)議）。
• 處理分叉:
  • 有時在網(wǎng)絡中可能會出現(xiàn)情況，不同的礦工同時找到了有效的區(qū)塊，導致區(qū)塊鏈（分叉）中的暫時不一致。
  • 節(jié)點將繼續(xù)在兩個分支上工作，直到其中一個變得更長。然后它們承認更長的鏈是有效的，并丟棄替代版本。
• 狀態(tài)更新:
  • 在接受新區(qū)塊后，節(jié)點更新其對當前區(qū)塊鏈狀態(tài)的表示：地址余額、智能合約的狀態(tài)（在支持它們的網(wǎng)絡中）等。

這個復雜的過程確保了整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)完整性和一致性，盡管缺少中央管理機構(gòu)。

節(jié)點的類型

全節(jié)點

完整節(jié)點（Full node）是任何區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的基礎(chǔ)。它負責下載并存儲區(qū)塊鏈的完整副本，從第一個區(qū)塊（創(chuàng)世區(qū)塊）開始，并自主檢查每一筆交易是否符合網(wǎng)絡的規(guī)則。

完整節(jié)點的特征：

• 完全獨立– 完整節(jié)點不依賴于對其他網(wǎng)絡參與者的信任，自主檢查所有數(shù)據(jù)。
• 顯著的系統(tǒng)要求– 存儲和處理完整區(qū)塊鏈需要相當強大的設備。例如，對于比特幣的完整節(jié)點，大約需要500 GB的硬碟空間（截至2024年），而以太坊則需要更多。
• 初始同步的長時間– 在首次啟動完整節(jié)點時，可能需要幾天的時間來加載和檢查整個區(qū)塊鏈的歷史。
• 對于網(wǎng)絡的高度價值– 網(wǎng)絡中的完整節(jié)點越多，它越去中心化，對攻擊的抵抗力越強。

完整節(jié)點的功能：

• 從網(wǎng)絡建立之初起保存所有交易的完整歷史
• 獨立驗證所有交易和區(qū)塊
• 傳播新交易和區(qū)塊的信息
• 滿足輕客戶端的請求（在某些網(wǎng)絡中）
• 參加協(xié)議更新的投票（在某些區(qū)塊鏈中）

完整節(jié)點的軟體示例：

• 適用于比特幣網(wǎng)絡的Bitcoin Core比特幣
• 適用于以太坊的Geth或Parity以太坊
• 適用于Solana的Solana Validator Solana
• 適用于Cardano的Cardano Node Cardano

啟動完整節(jié)點為用戶提供了最大的安全性和私密性，因為所有交易都是在本地驗證的，無需信任外部伺服器。此外，啟動完整節(jié)點的網(wǎng)絡參與者對區(qū)塊鏈的健康和去中心化作出了重要貢獻。

輕節(jié)點(Light node)

輕節(jié)點（Light node），也稱為輕客戶端，是一種簡化版本的節(jié)點，不存儲完整的區(qū)塊鏈副本。相反，它僅加載區(qū)塊標題和驗證特定交易所需的最少信息。

輕節(jié)點的特征：

• 低系統(tǒng)要求– 輕節(jié)點能在資源有限的設備上運行，例如智能手機或平板電腦。
• 快速同步– 開始時僅需加載區(qū)塊標題，比完整節(jié)點的同步快得多。
• 信任模型– 輕量級節(jié)點依賴完整節(jié)點以獲取區(qū)塊鏈狀態(tài)信息和驗證交易。
• 對網(wǎng)絡安全的貢獻較小– 輕量級節(jié)點不參與對所有交易的完整驗證，因此其對網(wǎng)絡安全的貢獻小于完整節(jié)點。

輕量級節(jié)點的功能：

• 加載和驗證區(qū)塊標頭
• 使用簡化支付驗證(SPV,簡化支付驗證) 來驗證特定交易
• 在網(wǎng)絡上創(chuàng)建和發(fā)送自己的交易
• 監(jiān)控用戶感興趣的特定地址或智能合約

工作技術(shù)：

輕量級節(jié)點使用由中本聰在比特幣原始論文中提出的簡化支付驗證(SPV) 方法。這種方法允許在不下載整個區(qū)塊的情況下檢查交易是否包含在區(qū)塊中：

• 節(jié)點請求完整節(jié)點提供有關(guān)感興趣交易在區(qū)塊鏈中包含的證明（通常是使用默克爾樹進行的）。
• 完整節(jié)點提供默克爾路徑，證明該交易確實包含在特定區(qū)塊中。
• 輕量級節(jié)點檢查此證明，并確認交易的存在，而無需下載整個區(qū)塊的數(shù)據(jù)。

輕量級客戶端的示例：

• 比特幣的Electrum
• Metamask以太坊用
• Trust Wallet 用于不同的區(qū)塊鏈
• Atomic Wallet 用于多貨幣操作

輕量級節(jié)點提供安全性和易用性之間的良好平衡。它們允許普通用戶與區(qū)塊鏈進行交互，而無需分配大量資源來維護完整節(jié)點。

挖礦節(jié)點(Mining node)

挖礦節(jié)點（Mining node）是一種專門的完整節(jié)點類型，它不僅檢查和傳播交易，還積極參與新區(qū)塊的創(chuàng)建。這些節(jié)點在使用工作量證明(PoW) 共識算法的網(wǎng)絡中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如比特幣、萊特幣和其他一些。

挖礦節(jié)點的特征：

• 對計算能力的高要求– 有效挖礦需要專門的設備，例如比特幣的ASIC礦機或強大的圖形處理器（GPU ) 用于其他一些加密貨幣。
• 消耗大量電力– 挖礦過程需要大量能量，這是主要的運營開支之一。
• 競爭模型– 礦工彼此競爭以獲得創(chuàng)建新區(qū)塊的權(quán)利并獲得獎勵。
• 財務動機– 礦工會獲得以新幣和包含在區(qū)塊中的交易手續(xù)費的獎勵。

挖礦節(jié)點的工作過程：

• 交易收集– 挖礦節(jié)點從內(nèi)存池中收集未驗證的交易，優(yōu)先考慮那些提供更高手續(xù)費的交易。
• 創(chuàng)建區(qū)塊候選者– 節(jié)點形成區(qū)塊標頭，包含前一區(qū)塊的哈希、時間戳、所選交易的梅克爾根哈希以及其他必要數(shù)據(jù)。
• 尋找解決方案– 礦工不斷修改區(qū)塊標頭中的nonce（一次性數(shù)字），計算哈希，試圖找到一個值，使得哈希滿足網(wǎng)站的難度要求（通常這意味著哈希必須小于某個特定目標值）。
• 宣布解決方案– 當解決方案找到后，礦工立即在網(wǎng)絡上宣布新區(qū)塊，以便其他節(jié)點可以檢查并添加到他們的區(qū)塊鏈副本中。
• 獲得獎勵– 找到有效解決方案的礦工將獲得新幣的獎勵（例如，在比特幣中這是區(qū)塊獎勵）和所有包含在區(qū)塊中的交易手續(xù)費。

挖礦池：

由于熱門網(wǎng)絡中日益增加的挖礦難度，個別礦工經(jīng)常組成挖礦池——參與者組成的群體，他們結(jié)合自己的計算能力，并根據(jù)貢獻的計算工作按比例分享獲得的獎勵。這使得收入更加穩(wěn)定，盡管比起單獨發(fā)現(xiàn)區(qū)塊來說收入要少。

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